Durchfluss- und Druckregelung für Mess- und Prüfgeräte in der Halbleiterindustrie

Ein Mess- oder Prüfgerät ist darauf ausgelegt, kleine Unterschiede zu erfassen, und einige der Gaspositionen in seinem Inneren liegen näher am Messpunkt, als es den Anschein hat. In einem optischen Messgerät für kurze Wellenlängen erfolgt die Messung bei Wellenlängen, die von normaler Luft absorbiert werden. Daher wird Stickstoff durch den Strahlengang geleitet, um den Sauerstoff zu verdrängen – bis auf wenige Teile pro Million –, sodass der Strahl den Detektor ungehindert erreicht. Diese Spülung ist eine von mehreren kleinen Gaspositionen innerhalb eines Geräts, und dasselbe Muster wiederholt sich bei optischen, Elektronenstrahl- und sondenbasierten Instrumenten: ein Durchfluss über eine Optik, ein in einer Kammer aufrechterhaltener Absolutdruck, ein Trägergas, das einen integrierten Analysator versorgt. Jedes arbeitet mit seinem eigenen Gas, und jedes ist in der Regel so in die Konstruktion integriert wie eine Rohrleitung: so viel liefern, sauber halten.

Diese Reinigung ist jedoch Teil der Messung und kein Hilfsmittel, das diese speist. Lässt man das System fünf Prozent unter seinem Sollwert laufen, befindet sich etwa fünf Prozent mehr Sauerstoff im Strahlengang, und der Messwert passt sich entsprechend an. Die Verschiebung ist gering und gleicht sich im Mittel nicht aus: Sie ist der Zustand, unter dem die Messung abläuft, und wirkt sich im Hintergrund auf das Messergebnis aus. Auf dem Prüfstand macht sich dies selten bemerkbar, zeigt sich jedoch Monate später in Form eines Geräts, das nicht mehr mit den Daten übereinstimmt, anhand derer es qualifiziert wurde – und zwar in einer Fertigungsanlage, die der Hersteller nicht kontrolliert.

Zwei Faktoren bestimmen die Architektur. Für die Messung ist eine Gasumgebung erforderlich, die sich von der Umgebungsatmosphäre unterscheidet: Optische Messungen im kurzwelligen, vakuum-ultravioletten und extrem-ultravioletten Bereich werden von der Luft, durch die sie sich ausbreiten, absorbiert; je nach Wellenlänge gleicht das Messgerät dies entweder durch Evakuieren des Messwegs oder durch Aufrechterhaltung einer kontrollierten Atmosphäre mit geringer Absorption aus, beispielsweise mit Stickstoff, sauberer trockener Luft oder Helium. Eine Elektronensäule oder eine Umweltkammer benötigt stattdessen einen bestimmten absoluten Druck, da dieser Druck die physikalischen Bedingungen festlegt, unter denen die Messung stattfindet. Und die Gehäuse, die diese Umgebung beherbergen, können nicht einmalig versiegelt und befüllt werden, da sie Strahlöffnungen und Öffnungen zur Waferhandhabung aufweisen und ihre Oberflächen ausgasen. Die Umgebung muss kontinuierlich durch einen Durchfluss aufrechterhalten werden, wodurch sich die Durchflussvorrichtung innerhalb der Messkette und nicht daneben befindet. Ein Gerät verfügt oft über mehrere solcher Zonen: Ein optisches Dünnschicht-Messsystem kann seine Lichtquelle, das Fokusgehäuse, die Beleuchtungs- und Sammeloptik, das Hauptgehäuse und das Detektorengehäuse separat spülen (US-Patent 7.755.764 B2, 2010).

Die Art und Weise, wie dieser Durchfluss organisiert ist, hat eine Konsequenz, die in der Leistungsbeschreibung nicht berücksichtigt wird. Die Spülung erfolgt als Durchfluss: Inertgas strömt kontinuierlich durch das Gehäuse und tritt über eine Entlüftungsöffnung aus, wobei der Druck im Gehäuse leicht über dem Umgebungsdruck gehalten wird, sodass Leckagen stets nach außen erfolgen und Raumluft nicht durch die Öffnungen zurückdiffundieren kann. Der Durchfluss sorgt für die Verdünnung; der leichte Überdruck verhindert, dass Luft zurückströmt. Der Restwert entspricht in etwa dem Einleckstrom geteilt durch den Durchfluss, sodass ein stärkerer Durchfluss diesen nicht nur senkt, sondern auch die Auswirkungen eines Durchflussfehlers abmildert. Der Durchfluss darf jedoch nicht beliebig hoch sein: Spülgas kostet Geld, insbesondere Helium, und ein starker Luftstrom über der Optik verursacht eigene Schwingungen und Temperaturgradienten. Daher pendelt er sich auf einem begrenzten Zielwert ein, den die Spülsteuerung für Messungen im Vakuum-Ultraviolett-Bereich erhöht und für Messungen im UV-Vis-Bereich wieder senkt. An diesem Betriebspunkt ist der Begriff der internen Leckage ein aktiver Bestandteil des Kontaminationsbudgets, und eine Schwankung des Durchflusses verschiebt den Restwert und damit auch den Messwert am Detektor.

Eine Spülung oder ein Druckschwankung verbleibt nicht im Gassystem. Sie fließt als Grundlinienabweichung in den Messwert ein, die unterhalb der Wiederholgenauigkeit des Messgeräts liegt und nicht durch Mittelung beseitigt werden kann, da es sich nicht um Rauschen handelt. Entscheidend ist die Unterscheidung zwischen Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit. Ein fester Genauigkeitsversatz wird ausgeglichen, wenn der Hersteller das System in seiner Fertigungsform charakterisiert. Ein Wiederholbarkeits- oder Drift-Term wird dies nicht: Er schwankt zwischen den Durchläufen, zwischen den Ein- und Ausschaltzyklen sowie zwischen den einzelnen Messgeräten in der Produktionslinie, und auf Messgeräteebene gibt es keine Möglichkeit, ihn abzufangen.

Nach dem Versand entstehen dem OEM erneut Kosten. Das Gerät wird auf einem Prüfstand kalibriert, verpackt und in einer Fertigungsanlage installiert, auf die der Gerätehersteller keinen Einfluss hat, und eine Abweichung in der Gassteuerung wird nicht als Gasfehler erkannt. Es sieht so aus, als ob das Gerät nicht mehr mit den Daten übereinstimmt, anhand derer es qualifiziert wurde, und die ersten Stunden der Diagnose werden für die Optik oder den Detektor aufgewendet. Die Korrektur erfolgt durch einen Servicebesuch in der Fabrik, und über den gesamten Maschinenpark hinweg wiederholt sich dieser Besuch viele Male. Eine reproduzierbare Konfiguration und Stabilität über die gesamte Lebensdauer des Geräts im Einsatz sind hier Zuverlässigkeitsanforderungen.

Die unten aufgeführten Positionen kommen bei optischen, elektronenstrahlbasierten und sondenbasierten Geräten gleichermaßen vor. Jede Position ist klein und wird in der Regel separat spezifiziert, was dazu führt, dass ein Gerät vier Teilenummern mit vier unterschiedlichen Arbeitsabläufen aufweist. Betrachtet man diese gemeinsam, wird deutlich, wo eine Produktfamilie den gesamten Bedarf abdeckt und wo für eine bestimmte Position eine andere Lösung erforderlich ist.

Mehrere Geräteklassen erfüllen diese Anforderungen zuverlässig. Eine feste Begrenzung an einer geregelten Versorgung eignet sich für eine Spülung, die unter bestimmten Bedingungen Partikel vom Gehäuse fernhält; ein thermischer Massendurchflussregler hält diese Durchflüsse gut ein, und bei den Inertgasen, mit denen diese Geräte betrieben werden, entspricht ihre Genauigkeit den hier verfügbaren Alternativen; ein Druck, der stromaufwärts einer charakterisierten Blende aufrechterhalten wird, ist schnell und bewährt, wenn sich das Gas nie ändert. Was sie bei der Auswahl unterscheidet, ist nicht, welches Gerät besser regelt, sondern wie viel von den erforderlichen Messwerten ein einzelnes Gerät abdeckt und wie viele Artikelnummern das Gerät infolgedessen umfasst.

Die meisten dieser Stellen regeln einen Durchfluss: die Optikspülung, die Kammerbefüllung, den Probenhalter. Wenn Sie diese mit einem Durchflussregler mit gemessener Durchflussmenge regeln, löst sich das Problem mit der Protokollierung von selbst. Ein laminarer Differenzdruckregler leitet den Durchfluss aus dem Absolutdruck und der Temperatur ab, die er in seinem Inneren misst, und gibt alle drei Werte als Ausgangssignale aus, sodass die Bedingungen hinter jedem Messwert ohne ein zweites Gerät protokolliert werden. Dadurch lässt sich eine spätere Abweichung eindeutig zuordnen: Wenn der Durchfluss konstant blieb, während sich die Zufuhr veränderte, oder wenn sich der Durchfluss veränderte, während die Zufuhr konstant blieb, liest das Gerät die Differenz aus seinen eigenen Protokollen ab.

Ein Durchflussregler mit Messfunktion fasst zudem die Anzahl der Teile über diese Positionen hinweg zusammen. Die Gaseigenschaften stammen aus einer integrierten Bibliothek, die anhand des vom Gerät selbst gemessenen Drucks und der Temperatur ausgewertet wird. Daher erfolgt der Wechsel des aktiven Gases durch direkte Auswahl, und die Optikspülung sowie der Probenhalter werden auf eine einzige Konfiguration festgelegt, die sich lediglich im Skalenbereich und im ausgewählten Gas unterscheidet. Die angegebene Wiederholgenauigkeit des Reglers ist im Vergleich zu den Driftgrenzen, für die diese Geräte ausgelegt sind, gering, sodass die Gasregelung nicht mehr den größten Fehlerterm bei der Messung darstellt. Die Messkammer wird in diese Durchflusspositionen eingebunden, sobald ihr Gas als Rückfüllgas gegen die Pumpen geleitet wird; das Besondere daran ist, dass ihr Druck selbst die Messbedingung sein kann und dann anders gehalten wird.

Wenn der Druck in der Kammer selbst die Messbedingung darstellt, ist dies die Größe, die innerhalb der Spezifikation gehalten werden muss – bezogen auf das Vakuum und nicht auf die lokale Atmosphäre, die sich je nach Wetter und der Belüftung der Fabrik verändert. Elektronenmikroskopkammern mit variablem Druck und Umgebungsdruck arbeiten um Größenordnungen unterhalb des atmosphärischen Drucks, wobei der Umgebungsdruck üblicherweise etwa 1 bis 20 Torr und bei einigen Geräten bis zu etwa 50 Torr beträgt. Dieser Druck bestimmt, wie viel des Strahls aus der fokussierten Sonde gestreut wird, bevor er die Probe erreicht; somit wird Ladungsneutralisierung gegen Auflösung eingetauscht, und das Gerät muss aufzeichnen, an welcher Stelle dieses Kompromissverhältnisses jedes einzelne Bild aufgenommen wurde.

Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu erreichen, beide mit einem Messgerät. In einer kontinuierlich gepumpten Kammer lässt ein Durchflussregler Gas gegen die Pumpen strömen, und der Druck pendelt sich dort ein, wo der Einlassdurchfluss die Pumpgeschwindigkeit ausgleicht; derselbe Durchflussregler kann statt des Durchflusses auch den absoluten Druck regeln, sodass er den Druck direkt aufrechterhält, während das bereits verwendete Messgerät über die Durchflusspositionen des Geräts hinweg beibehalten wird. Bei einer geschlossenen oder als Sackgasse ausgebildeten Kammer, in der das Gas keinen natürlichen Abfluss hat oder in der der Druck genauer gehalten werden muss, als es ein sich gegen die Pumpen einpendelnder Durchfluss leisten kann, kommt stattdessen ein Zweiventil-Druckregler zum Einsatz: Er lässt Gas einströmen und ablassen, um den Sollwert direkt und ohne kontinuierliche Entlüftung aufrechtzuerhalten, reicht bis in den Torr-Bereich und bezieht den Druck auf das Vakuum. Seine Genauigkeit wird auf den Skalenendwert und nicht auf den Anzeigewert bezogen, daher wird der Skalenendwert so gewählt, dass er nahe am Betriebsdruck liegt.

Die Ausstattung der Messstellen mit Messgeräten verändert die Art und Weise, wie eine Drift diagnostiziert wird. Wenn Durchfluss, Absolutdruck und Temperatur hinter jeder Messung desselben Messkörpers aufgezeichnet werden, ist eine nicht zuordenbare Basislinienverschiebung kein Grund mehr für einen Serviceeinsatz, sondern wird zu einem Vergleich, den das Gerät anhand seiner eigenen Aufzeichnungen vornimmt: Der Durchfluss blieb konstant, während sich die Zufuhr veränderte, oder der Durchfluss veränderte sich, während die Zufuhr konstant blieb. Ein Anlagenproblem und ein Messgeräteproblem lassen sich im Protokoll unterschiedlich interpretieren, sodass die ersten Stunden der Diagnose nicht mehr standardmäßig der Optik oder dem Detektor gewidmet sind.

Außerdem ändert sich dadurch, was das Werkzeug transportiert. Eine Konfiguration mit integrierter Gasbibliothek und einem Regelbereich, der von einem geringen Durchfluss für die Optikspülung bis zu einem höheren Nachfüllbedarf reicht, deckt die Positionen für Stickstoff, saubere Trockenluft, Helium und Sauerstoff ab, die andernfalls vier verschiedene Artikelnummern mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften erfordern würden. Diese Konsolidierung zahlt sich flottenweit aus: Die gleiche Bauweise wird über einen gesamten Produktionslauf hinweg beibehalten, und das Gerät behält seine Stabilität über seine gesamte Lebensdauer im Einsatz bei.

• Die Abweichung ist nun zurechenbar – Anhand der Daten zu Durchfluss, Absolutdruck und Temperatur, die über einen einzigen Anschluss erfasst werden, kann das Gerät ein Problem der Anlage von einem Problem des Messgeräts in seinen eigenen Protokollen unterscheiden – und zwar bereits vor einem Serviceeinsatz.
• Wiederholbarkeit, wo es darauf ankommt – Ein Wiederholbarkeitsfehler von ±(0,11 TP4T des Messwerts + 0,021 TP4T des Skalenendwerts) in den mittleren Durchflussbereichen kann durch eine Kalibrierung auf Geräteebene nicht ausgeglichen werden und bestimmt somit die Stabilität des gespülten Signalwegs von Messlauf zu Messlauf.
• Eine Plattform für alle Positionen – Eine integrierte Gasbibliothek deckt die Positionen für Stickstoff, saubere, trockene Luft, Helium und Sauerstoff in einer einzigen Konfiguration ab, sodass nicht für jedes Gas eine eigene Artikelnummer erforderlich ist.
• Messung beim Einschalten – Bei einer typischen Aufwärmzeit von unter einer Sekunde erfolgt der Start ohne Gasbefehl, sodass die Messung bereits beginnt, sobald das Gerät eingeschaltet wird.
• Druck in die Kammer geleitet – Ein vakuumreferenzierter Doppelventilregler hält den absoluten Druck im Torr-Bereich konstant und meldet die Bedingungen, unter denen die einzelnen Bilder aufgenommen wurden.

Weiterführende Literatur: Anwendungen in den Bereichen Kalibrierung und Messtechnik und So funktioniert die laminare Differenzdruck-Durchflussmessung.