Untersuchungen von Reinheitssytemen zur Herstellung von Halbleiterprodukten

In einer immer größer werdenden Anzahl von Industriebereichen erfordern verschmutzungsempfindliche Produkte bei der Herstellung eine hohe Reinheit der Produktionsumgebung (Bartz 1992, Buchner 1992, Ehe 1992, Eidam 1994, Klumpp 1992, Müller 1991, Schraft 1995, Staatsmann 1992, Zeiner 1996). Die höchsten Anforderungen an diese Reinheit der Produktionsumgebung werden in der Mikroelektronik gestellt (Ertl 1990, Milhous 1997, Wilkens 1997). Mit zunehmender Minimierung der Strukturbreiten bei gleichzeitiger Erhöhung der Anzahl an integrierten Schaltkreisen je Flächeneinheit werden für zukünftige Produktionen noch höhere Reinheitsanforderungen unabdingbar (Ertl 1990, Rappa 1994). Zur Reduzierung der Ausschußquote werden diese Reinheitsanforderungen, bei gleichzeitiger Zunahme der Anzahl an kontaminationskritischen Fertigungsschritten direkt an die unmittelbare Produktumgebung gestellt (Gath 1993, JESSI 1995, Kitajima 1997, Semiconductor 1997, SIA 1994).

Unter einem Produktionssystem für “reine” Anwendungen versteht man das Zusammenwirken aller notwendigen Komponenten, mit denen die Herstellung von kontaminationskritischen Produkten ermöglicht wird. Zur Bereitstellung und Gewährleistung der prozeß- und produktspezifischen Reinheitsanforderungen müssen die beteiligten Komponenten, sowohl einzeln als auch in ihrem Zusammenwirken, für jeden Produktionsschritt die Verunreinigungsgefahr in Produktnähe auf ein Minimum reduzieren. Als Produktionsschritte werden die unterschiedlichen Fertigungs- und Inspektionsprozesse in den Geräten und Anlagen sowie Transportvorgänge und Lagerung mit Transportsystemen und -hilfsmitteln zusammengefaßt. Diese Prozesse werden durch das zu herstellende Produkt bestimmt.

Bei den Produktionssystemen für “reine” Anwendungen wird die Produktionsumgebung in bezug auf die Reinheit maßgeblich durch die vor Ort eingesetzten Medien und die dafür notwendigen Versorgungssysteme bestimmt (Ertl 1990, Ohmi 1990, Rapa 1996). Notwendige Medien für die Prozesse sind einerseits die Reinraumluft, andererseits die “reinen” Prozeßgase und -flüssigkeiten, wobei die Reinstflüssigkeiten in Chemikalien und Reinstwasser unterteilt werden (Herz 1989, Ohmi 1990, Predmore 1997). Aufgabe der Versorgungssysteme ist es, die Medien mit den vom Produkt und dem jeweiligen Prozeß abhängigen Reinheitsanforderungen zur Verfügung zu stellen sowie die Kontinuität in der Versorgung zu gewährleisten. Bild 3.1 zeigt den Vergleich zwischen den eingesetzten Versorgungssystemen für die Medien Reinraumluft, Reinstgase und Reinstflüssigkeiten.

Aus der Analyse läßt sich ableiten, daß die existierenden “Reinen” Produktionssysteme und ihre Komponenten als Basis für die Konzeption eines “Integralen” Reinheitssystems herangezogen werden können. Die “Reinen” Produktionssysteme sind in Bild 4.1 den Auswahlkriterien, unterteilt in Muß- und Wunschanforderungen, gegenübergestellt und bewertet.

Auf der Basis der Analyse der verschiedenen Qualifizierungsverfahren für Reinheitssysteme wird die Differenzmessung von Partikelkonzentrationen auf Siliziumsubstraten vor und nach einem Handhabungszyklus innerhalb eines Fertigungsgerätes (PWP-Verfahren) eingesetzt. Für die Konzeption sind in Bild 5.1 die Auswirkungen der grundlegenden Komponenten des Qualifizierungsverfahrens sowie des zu qualifizierenden Prüflings “Reinheitssystem” auf die analysierten Bewertungskriterien einander gegenübergestellt.

Die Analyse der Fertigungsgeräte und -anlagen sowie die Konzeption des “Integralen” Reinheitssystems zeigen, daß der wesentliche Bestandteil bei der Gestaltung der Produktüber-gabestation durach die einzusetzenden strömungstechnischen Maßnahmen zur Ausbildung einer reinheitsoptimierten Strömungsform gebildet wird. Die aus der Konzeption abgeleitete vertikale Werkstückträgerübergabe aus dem geschlossenen Transporthilfsmittel verlangt eine horizontale Durchströmung mit “reiner” Luft. Dies ist eine ideale Strömungsrichtung, um die Partikelverunreinigung der Produkte während der Übergabe zu verhindern.

Im Rahmen der Neuentwicklung werden die Komponenten zur strömungstechnischen Auslegung von “Integralen” Reinheitssystemen auf ihre Praxistauglichkeit untersucht. Mit dem entwickelten Verfahren werden die realisierten “Integralen” Reinheitssysteme qualifiziert.

In der Mikroelektronik werden heute unterschiedliche Produktionssysteme für “reine” Anwendungen eingesetzt. Durch die zunehmende Miniaturisierung der Strukturbreiten und durch die steigende Anzahl an Schaltkreisen je Produktfläche und Fertigungsschritt werden zukünftig noch höhere Reinheitsanforderungen an die Produktumgebung bezüglich luftgetragener Partikelverunreinigung gestellt. Die derzeitigen Produktionssysteme mit ihren reinheitsrelevanten Komponenten werden diesen Anforderungen an höchste Reinheit in unmittelbarer Produktumgebung mit minimalen Luftvolumen nicht gerecht. Die Überprüfung und Qualifizierung der Produktionssysteme als ein Gesamtsystem sind mit den derzeitig verfügbaren Meßverfahren zur Bestimmung der Reinheit in der Produktumgebung nur teilweise möglich.