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Bei der Reinhaltung von Prozeßgasen in der Chip-Fertigung:

Konventionelle Technik ist überholt

20.02.1987

Je winziger Halbleiter werden und je komfortabler sie sich einsetzen lassen, desto größere Probleme treten bei ihrer Fertigung auf. Heinz Heiner, Journalist in Krefeld, beschreibt die Möglichkeiten, mit denen sich Kontaminationsquellen auf ein Mindestmaß reduzieren lassen.

Störfaktor Nummer eins ist der Staub, der unter großem Aufwand beseitigt werden muß. Nicht weniger trivial ist die Reinhaltung der Prozeßgase, die in großen Mengen benötigt werden.

In den vergangenen 15 Jahren hat sich die Speicherkapazität der sogenannten Chips alle drei Jahre vervierfacht. Zur Zeit arbeiten Entwicklungslabors auf der ganzen Welt am 4-Megabit-Speicherchip, der dementsprechend 4 Millionen Bit speichern soll. Dieses Projekt hat weitreichende Folgen für Halbleiter-Hersteller und Zulieferer - noch bevor der erste 4-Megabit-Chip das Fließband verlassen hat. Die Elektronik-Ingenieure müssen so rasch wie möglich die Probleme in den Griff bekommen, die sich aus der zunehmenden Feinheit der Halbleiter-Strukturen ergeben. Nur wer als erster auf den Markt kommt, kann seine Entwicklungskosten wieder hereinspielen.

Das Hauptproblem heißt vor allem Staub. Ein einziges Teilchen der Größe eines Mikrometers - weit unter der Sichtbarkeitsgrenze - kann ein Schaltelement unbrauchbar machen. Zum Vergleich: Ein Haar ist etwa 70 Mikrometer dick. Sämtliche Prozeßschritte erfolgen daher in Reinstraum-Bereichen. In Reinräumen der Klasse 10 (erforderlich für die 1-MB-Chip-Fertigung) darf 1 Kubikmeter Luft höchstens 300 Teilchen größer als 0,5 Mikrometer enthalten.

Die Problematik wird deutlicher, wenn man weiß, daß zum Beispiel einmal Niesen zirka 1,4 Millionen Partikel der kritischen Größenordnung freisetzt. Die Aufgabe wäre hoffnungslos, gäbe es nicht leistungsfähige Mikrofilter, die die Prozeßgase und auch die Luft immer wieder reinigen. Filtern allein genügt jedoch nicht. Man muß bei Prozeßgasen schon bei der Produktion Partikelquellen möglichst ausschalten. Eine solche Quelle sind zum Beispiel alle Wände, mit denen die Gase in Berührung kommen. Herkömmliche Bauteile sehen unter dem Elektronen-Mikroskop aus wie Kraterlandschaften, selbst wenn sie mechanisch poliert sind. Man benötigt daher ein besseres Glättungsverfahren, das sogenannte Elektropolieren.

Besonderes Augenmerk gilt dabei den Prozeßgasen Stickstoff, Wasserstoff, Argon und Sauerstoff, die in großen Mengen benötigt werden. Die Elektronik-Industrie fordert bereits heute Partikel-Konzentrationen von weniger als 300 Teilchen pro Kubikmeter in der Größenklasse über 0,2 Mikrometer.

Betriebe investieren in Industriegase-Logistik

Diese Anforderungen sind mit der konventionellen Industriegase-Logistik nicht mehr zu realisieren. Industriegase-Erzeuger investieren daher zur Zeit viel Geld in die Entwicklung neuer Logistik-Systeme. Messer Griesheim in Frankfurt zum Beispiel reduziert Kontaminationsquellen durch eine Vielzahl von Maßnahmen in der Logistikkette der Gasversorgung - von der Erzeugung über Transport und Lagerung bis zum "Point of Use". Das sogenannte "Megapur-System" ist die Anwendung bekannter und neu entwickelter Verfahren zur Ausschaltung von Partikelquellen. Es beginnt bereits bei der Konstruktion und Materialauswahl: Für gasberührende Komponenten werden ausschließlich Chrom-Nickel-Stähle verwendet. Um eine Mikrorauhigkeit (Ra) von unter 0,5 Mikrometer zu erreichen, werden die Oberflächen mechanisch vorgeschliffen und anschließend nach einem besonders spezifizierten und kontrollierten Verfahren elektropoliert. Das gilt auch für die Innenflächen sämtlicher Armaturen und Rohrleitungen. Nach dem Elektropolieren erfolgt ein mehrstufiger Spülprozeß, bei dem auch Rückstände des Elektrolyten entfernt werden. Zum Schluß werden die Komponenten mit ultrareinem Stickstoff sorgfältig getrocknet und bis zur Weiterverarbeitung unter einer Schutzgas-Atmosphäre versiegelt.

Bei den weiteren Fertigungsschritten ist durch eine Reihe von Maßnahmen sichergestellt, daß die sorgfältig hergestellte Oberflächenqualität der Komponenten nicht wieder zerstört wird. Aus diesem Grunde wird zum Beispiel die Montage weitgehend unter Reinraum-Bedingungen vorgenommen. Rohrbögen entstehen in einer besonderen Technik, die die Oberflächenqualität nicht beeinträchtigt. Wo immer möglich, werden Rohrverbindungen mit gefiltertem Schutzglas orbital geschweißt. Ultrareine Gase werden in speziell ausgelegten und analytisch überwachten Anlagen gewonnen. Da jeder Umfüllvorgang ein Kontaminationsrisiko darstellt, versucht man die Zahl dieser Vorgänge so klein wie möglich zu halten. Das Abtanksystem wird darüber hinaus nach jedem Füllvorgang gespült. An mehreren Schnittstellen des Systems befinden sich Mikrofilter mit einer Porenweite von 0, 1 Mikrometer.

Stickstoff, Argon und Sauerstoff werden tiefkalt flüssig transportiert und gelagert. Alle dafür verwendeten Tankfahrzeuge und Speicherbehälter entsprechen dem Megapur-Standard. Durch eine besondere Behandlung der Innenoberflächen der Pumpen ist sichergestellt, daß die Gase keine kupferhaltigen Materialien berühren. Dennoch ist die für den Sauerstoff-Betrieb erforderliche Ausbrandsicherheit gewährleistet. Für kleinere Bedarfsmengen hat Messer Griesheim transportable 600-Liter-Tanks entwickelt, eine Versorgungsart, die vor allem für den Forschungs- und Institutsbereich geeignet ist.

Chemische Reinheit der Gase bringt Qualität

Bei aller Perfektion in Sachen Partikelreinheit bleibt die chemische Reinheit der Gase das wichtigste Qualitätskriterium: Schließlich spielen die chemischen Eigenschaften dieser Gase beim Herstellen der Halbleiter-Strukturen eine Schlüsselrolle: Es beginnt damit, daß die polierte Trägerscheibe aus Reinstsilizium durch Erhitzen in reinem Sauerstoff eine hauchdünne Oxidhaut erhält. Sie dient als Schutz- und Isolationsschicht. Auf die so präparierte Scheibe - Wafer genannt - wird ein lichtempfindlicher Lack aufgetragen. Eine hochpräzise Optik belichtet mit Hilfe von Masken den Schaltplan auf den Wafer. Nach dem Belichten wird die Fotoresist-Schicht entwickelt. Die belichteten Lackteile werden herausgelöst. Nun können spezielle Ätzgase die freigelegten Stellen angreifen und die vorgegebenen Muster in die Oberfläche "modellieren". Dies geschieht in einer "Glimmentladung in einem fluor- oder chlorhaltigen Gas, zum Beispiel mit Tetraflourmethan. Zum Teil werden die Halbleitermaterialien auch gezielt "verunreinigt". Erst durch das sogenannte Dotieren wird zum Beispiel Reinstsilizium zu einem guten elektrischen Leiter.

Die Anforderungen an die chemische Reinheit der Dotiergase werden aus folgenden Zahlen deutlich: 1 Kubikzentimeter Silizium enthält zirka 5 Mal 10 Atome. Um durch Dotierung mit Phosphin einen Widerstand von 10 Ohm zu realisieren, ist eine Phosphor-Atom-Konzentration von 10 erforderlich. Das entspricht einem Anteil von 10 Phosphor-Atomen in einer Milliarde Silizium-Atomen.

Auch Druckbehälter und Armaturen für Reaktivgase müssen daher besonderen Anforderungen genügen. Sie werden - den Gaseigenschaften entsprechend - präpariert. Zur Vorbehandlung der Innenoberflächen von Stahlflaschen gehört zum Beispiel das Aufbringen galvanischer Schutzschichten. Die Innenoberflächen von Aluminiumflaschen werden durch eine chemische Oberflächenbehandlung konditioniert. Dazu gehören Behandlungsschritte mit flüssigen Chemikalien und reaktiven Gasgemischen. Da Reaktivgase für die Elektronik-Industrie meistens toxisch, korrosiv, zum Teil auch selbstentzündbar sind, müssen darüber hinaus alle verwendeten Aggregate , besonderen Sicherheitsstandards entsprechen.