Die auf Mikroprozessor-Chips geätzten Muster im Submikrometerbereich sind komplex und dicht, mit etwa 4 km Ätzfläche pro Quadratzentimeter. In diesem Maßstab führen schon wenige Wassermoleküle oder Sauerstoff, die die inerten Prozessgase verunreinigen, zu Ausbeuteverlusten, da sie mit den auf den Wafern aufgebrachten Chemikalien reagieren.
Da die Hersteller unter dem Druck stehen, die Ausbeute zu maximieren, um die Kosten niedrig zu halten, ist der Einsatz von Sauerstoffanalysatoren zur Kontrolle der Reinheit der Prozessgase unerlässlich.
Die Anforderungen zur Vermeidung von Verunreinigungen sind einfach: In den Gasen, die bei wichtigen Prozessen wie der chemischen Gasphasenabscheidung oder dem Plasmaätzen verwendet werden, sollte kein Sauerstoff oder Feuchtigkeit vorhanden sein.
Jeder Analysator oder Sensor, der für Feuchtigkeit oder Sauerstoff ausgewählt wird, muss eine untere Nachweisgrenze (LDL) von bis zu Teilen pro Milliarde haben. Messungen müssen in der Nähe des Einsatzortes durchgeführt werden, um die Wahrscheinlichkeit von Leckagen nach den Messungen zu verringern, obwohl die Gasqualität auch nach der Lagerung überprüft werden kann.
Typischerweise werden in diesen Anwendungen Zirkonoxid- und elektrochemische Sensoren zur Messung von Sauerstoffspuren eingesetzt.
Die elektrochemischen Sauerstoffsensoroptionen sind galvanische/Pico-Ionen oder Hersch-Zellen. Diese bieten die Vorteile eines LDL von 100 Teilen pro Billion und einer kleinen Stellfläche, so dass sie leicht in der Nähe des jeweiligen Einsatzortes installiert werden können. Beide Technologien sind sehr zuverlässig und reagieren schnell von niedrigen bis zu hohen ppm-Werten. Die kostengünstigen galvanischen Analysatoren verwenden Sensoren, die sich verbrauchen und in Zeiträumen von 12 bis 18 Monaten ausgetauscht werden müssen, abhängig von der Anwendung und dem Gas, in dem sie messen. Der Austausch der Sensoren ist jedoch sehr einfach und ohne Expertenwissen durchführbar und wird oft in einen Routineplan integriert. Hersch-Zellen müssen nicht ausgetauscht werden, aber der Elektrolyt muss alle paar Wochen nachgefüllt werden.
Für viele Kunden ist eine periodische Überprüfung der Steuergeräte eine Standard-Qualitätsroutine, die unabhängig von den verwendeten Geräten durchgeführt wird. Manche sehen darin jedoch einen erhöhten Wartungsaufwand.
Der Vorteil der Zirkoniumoxid-Sauerstoffsensorik ist die schnelle Reaktionszeit auf sich ändernde Bedingungen, sei es von niedrigen zu hohen ppm oder von hohen zu niedrigen - sowie die Tatsache, dass die Sensoren nicht verbrauchen. Im Gegensatz zu elektrochemischen Sensoren verbrauchen sich Zirkoniumoxid-Sensoren nicht, wenn sie der Luft ausgesetzt werden.
Der größte Nachteil ist die relativ hohe LDL (ca. 0,01ppm O2), die sie für einige Anwendungen ungeeignet macht. Eventuell vorhandene Kohlenwasserstoffe reagieren aufgrund der hohen Temperatur am Sensor mit Sauerstoff und führen zu einem falsch niedrigen Messwert.
Es gibt drei Technologien, die typischerweise für die Messung der Spurenfeuchte in der Halbleiterfertigung gewählt werden:
Cavity-Ring-Down-Spektroskopie (CRDS) bietet aufgrund der optischen Sensortechnologie präzise, stabile und schnelle Messungen. Die Geräte haben eine LDL bis hinunter zu 0,1 ppb, abhängig vom gemessenen Gas. Aufgrund der relativ hohen Kosten werden sie hauptsächlich an zentralen Verteilerpunkten eingesetzt. Bei Verunreinigungen kann die Wartung umfangreich und kostspielig sein.
Quarzkristall-Mikrowaage (QCM). Obwohl nicht so schnell wie CRDS, haben diese Analysatoren eine LDL von 0,05 ppmV und bieten zuverlässige Langzeitmessungen mit Autokalibrierungsfunktion. Aufgrund der Größe des Analysatorgehäuses und trotz erheblicher Kostenvorteile gegenüber optischen Technologien werden diese Analysatoren normalerweise an zentralen Stellen, z.B. in der Gasverteilung, installiert. Viele Modelle bieten ein sehr gutes Lebenszeit-Kosten-Verhältnis mit langen Wartungsintervallen.
Keramische Impedanz-Taupunkt-Transmitter. Diese sehr kostengünstigen Sensoren, die nur einen Bruchteil der Kosten anderer Technologien betragen, können bis zu 1ppbV messen und sind zudem klein und einfach am Einsatzort zu installieren. Um konsistente Messungen zu gewährleisten, ist eine jährliche Rekalibrierung erforderlich. Dies kann jedoch vom Anwender durchgeführt werden und mit anderen Routinewartungen am System kombiniert werden. Bei Teilnahme an einem Sensoraustauschprogramm des Herstellers erhält der Anwender effektiv eine lebenslange Garantie für seinen Sensor.
Ganz gleich, ob es sich um eine Sauerstoff- oder Feuchtemessung handelt, die richtige Entscheidung zur Probenahme ist genauso wichtig wie die Auswahl des richtigen Analysators, da die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Messungen von allen Teilen des Systems abhängt, nicht nur von der Sensorik. Die Art des verwendeten Probenahmerohrs ist von entscheidender Bedeutung, ebenso wie die Auswahl geeigneter Armaturen für Low-Level-Messungen. Idealerweise sollte ein elektropoliertes Edelstahlrohr mit hochfesten Verschraubungen verwendet werden.
Wenn Sie ein Feuchte- oder Sauerstoffmesssystem kaufen möchten, sollten Sie in der frühen Entscheidungsphase immer eine Probenahme in Betracht ziehen und sich nach Möglichkeit von Experten beraten lassen. Nur die richtige Kombination aus Messgerät und Probenahmesystem bietet optimale Ergebnisse, verhindert vorzeitige Schäden und sorgt für zuverlässige und gleichbleibende Messergebnisse.
Wir hoffen, dass dieser kurze Artikel einen Einblick in die vielen Möglichkeiten gegeben hat, die derzeit auf dem Markt verfügbar sind, um präzise Messungen von Spurenfeuchte und Sauerstoff für die Halbleiterherstellung durchzuführen.
Die große Auswahl an Technologien, Analysatoren und Marken auf dem Markt gibt dem Anwender die Möglichkeit, das für seine Anwendung am besten geeignete Gerät in Bezug auf Leistung und Budget auszuwählen. Es ist jedoch immer eine gute Idee, vor einer Entscheidung fachkundigen Rat einzuholen, besonders wenn es sich um ein System handelt, das mehr als einen Parameter messen soll, um sicher zu sein, dass die Technologien und Probenahmekomponenten kompatibel sind.