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  • 02. September 2013

    PTB entwickelt Echtzeit-Laserüberwachung der AMC-Kontaminierung im Reinraum

    Schon kleinste Konzentrationen können Bauteile und Hightech-Produkte beschädigen. Daher steigen die Anforderungen an Reinheit in Produktionsbereichen stetig. Den wachsenden Herausforderungen in diesem Bereich stellt sich nunmehr die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in ganz besonderer Weise. Gemeinsam mit internationalen Partnern entwickelt sie eine Echtzeit-Laserüberwachung luftgetragener Chemikalien im Bereich der Halbleiterfertigung. Wir haben nachgefragt.

    Kontaminierung

    Gemeinsam mit internationalen Partnern entwickelt die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) eine Echtzeit-Laserüberwachung der AMC-Kontaminierung (Foto: PTB)

    In Hinblick auf Reinheitsanforderungen in Produktionsbereichen tragen verbesserte Technologien inzwischen erheblich dazu bei, schädigende Partikel deutlich zu reduzieren. Damit lassen sich negative Einflüsse noch effizienter in den Griff bekommen. Bei den stetig kleiner werdenden Abmessungen der Bauteile – beispielsweise in der Halbleiterindustrie – rückt die luftgetragene Kontaminierung von Reinräumen durch chemische Substanzen, die sogenannte Airborne Molecular Contamination (AMC), in den Fokus. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist Teilnehmer eines europäisches Projekt, das laserbasierte Methoden zur Messung der luftgetragenen Kontaminierung von Reinräumen durch chemische Substanzen, die sogenannte Airborne Molecular Contamination (AMC), untersucht.

    Wir haben nachgefragt und sind im Gespräch mit Dr. Anne Rausch. Die Expertin hat sich während ihres Physikstudiums an der Universität Jena auf angewandte Optik spezialisiert, danach am Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt gearbeitet und schließlich an der TU Berlin promoviert. In der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt arbeitet Rausch im Fachbereich Gasanalytik und Zustandsverhalten an optischen Methoden zur Analyse von Gaszusammensetzungen und spektralen Eigenschaften von Gasen.

    Frau Dr. Rausch, die PTB nimmt an einem europäischen Projekt teil, das laserbasierte Methoden zur Messung der luftgetragenen Kontaminierung – der sogenannten AMC-Kontaminierung – von Reinräumen untersucht. Was ist neu an dieser Methode in Hinblick auf derzeitige Untersuchungsmethoden zum Aufspüren und Reduzieren von kleinsten Staubpartikeln in Reinräumen?

    AMC-Kontaminierung

    Dr. Anne Rausch ist Leiterin des Projekts an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (Foto: PTB)

    Optische Methoden, die aktuell zum Messen der Partikeldichte in Reinraumluft genutzt werden, basieren beispielsweise auf Streulichtmessungen oder erfordern die Entnahme von Proben der Reinraumluft, welche dann analysiert werden. Diese Verfahren sind geeignet, Mikro- und Nanopartikel wie Aerosole, Staub, Viren, Bakterien etc. zu erfassen.

    Die optischen Methoden, die in MetAMC untersucht werden, zielen hingegen darauf ab, Verunreinigungen auf molekularer Ebene zu erfassen. Da Atome und Moleküle wesentlich kleiner sind als z.B. ein Virus, benötigt man dazu andere Messprinzipien.

    Welche Schadstoffe stören denn ganz besonders die empfindlichen Produktionsprozesse in der Halbleiterfertigung und welche Eigenschaften führen zu massiv schädigenden Einwirkungen?

    Es gibt eine Vielzahl von Stoffen, die die üblichen Produktionsprozesse in Reinräumen beeinträchtigen. Im Rahmen der „International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)“ wurde beispielsweise eine Liste von mehr als hundert Substanzen erstellt, die in der Halbleiterfertigung die Produktion stören können. Diese Liste enthält unter anderem organische und anorganische Säuren oder auch Metalle.

    In MetAMC wurden die Stoffe Ammoniak, Formaldehyd, Fluorwasserstoff, Chlorwasserstoff und Bromwasserstoff hinsichtlich ihrer spektralen Eigenschaften untersucht, um festzustellen, ob sie mit den in Frage kommenden Messverfahren gut detektierbar sind. Diese Stoffe können beim Produktionsprozess selbst entstehen. Die Wasserstoffe wirken z.B. korrosiv und Ammoniak wiederum haftet an allen Oberflächen, was bei den immer kleiner werdenden Abmessungen der Produkte der Halbleiterindustrie besonders störend ist.

    Welchem Ziel möchte sich die PTB mit ihren europäischen Partnerinstituten im Rahmen dieses Projekts nähern?

    Durch die immer kleiner werden Abmessungen der Produkte der Halbleiterindustrie und der gleichzeitig immer weiter verbesserten Methoden zur Kontrolle der Partikelverunreinigung der Reinraumluft, werden AMCs immer wichtiger. Messmethoden, die in der Lage sind, AMC Konzentrationen in Reinräumen in Echtzeit zu bestimmen, werden immer notwendiger, um gute Produktionsbedingungen sicherstellen zu können.

    Optische Messmethoden, die dies grundsätzlich leisten können, wie Photoakustische Spektroskopie und Cavity-Ring-Down Spektroskopie, werden seit Jahren entwickelt und sind in Form kommerzieller Geräte verfügbar. Jedoch wurde ihre Anwendbarkeit für Reinraummessungen in Echtzeit bisher nicht getestet, was nun in MetAMC geschehen soll. Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes wird sein, die Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse dieser Methoden zu untersuchen und die Messungen auf SI Einheiten rückzuführen. Dies bedeutet, dass die Messungen durch eine Kette von Vergleichsmessungen auf ein weltweit anerkanntes Normal bezogen werden.

    Der Fokus liegt auf Echtzeitkontrollen. Was lässt sich damit erreichen bzw. worin liegt der Vorteil gegenüber anderen Überwachungssystemen?

    Eine Möglichkeit, AMC in Reinräumen zu bestimmen, besteht darin, eine Probe der Reinraumluft zu nehmen und diese mit einem Massenspektrometer zu analysieren Allerdings ist es sehr schwierig, den Anstieg z.B. von Ammoniak in einem Reinraum – etwa weil jemand den Raum betreten hat oder weil beim Produktionsprozess Ammoniak ausgestoßen wurde –rechtzeitig zu registrieren, wenn man zum Messen erst einmal Luftproben entnehmen und analysieren muss. Das gilt auch für das Ermitteln des Zeitpunkts, wann die AMC-Konzentration wieder unter die tolerierbare Grenze gesunken ist. Echtzeitmessungen ermöglichen eine verbesserte Überwachung der Produktionsbedingungen und schnelles Eingreifen im Falle zu hoher AMC Werte.

    Das PTB entwickelt eine Echtzeit-Laserüberwachung der AMC-Kontaminierung im Reinraum:

    Fotos: PTB; Animation: Sauberkeit & Reinraum
     

    In welchem Bereich soll die Echtzeit-Nachweisgrenze bei dieser neuartigen Methode liegen und welche Bedeutung hat eine solche Grenze, die vermutlich im besonders niedrigschwelligen Bereich liegen wird?

    Wir streben eine Nachweisgrenze besser als 1ppb an, also von weniger als einem AMC Teilchen auf eine Milliarde Luftmoleküle. In diesem Bereich und niedrigeren arbeiten auch andere Methoden, Massenspektrometer sind beispielsweise wesentlich empfindlicher. Für optische Methoden ist diese Sensitivität vor allem bei Echtzeitmessungen jedoch nicht so einfach zu erzielen.

    Werden zunächst Vergleichsmethoden zu herkömmlichen Methoden durchgeführt und falls ja, auf welche Weise geschieht dies?

    In der zweiten Hälfte der Projektlaufzeit sind Messungen in den Reinräumen der PTB und in Finnland geplant. Diese Messungen werden mit den entsprechenden Systemen zur Charakterisierung der AMC, die jeweils vor Ort vorhanden sind, verglichen werden.

    Ein weiteres Ziel ist auch die Erstellung von exakt gemessenen AMC-Konzentrationen. Wozu dient das?

    Einer der zentralen Punkte der Arbeit der PTB sowie aller anderen Metrologieinstitute ist es, die Unsicherheit von Messungen zu charakterisieren und die gemessenen Größen auf die SI-Einheiten zurückzuführen. Die Rückführung stellt sicher, dass alle Messergebnisse vergleichbar sind egal von wem, wo und mit welchem Versuchsaufbau die Messungen durchgeführt wurden. Die möglichst gute Bestimmung der Messunsicherheit ist erforderlich, um die gemessenen Werte überhaupt interpretieren zu können. Wenn z.B. die gemessene Ammoniakkonzentration ansteigt und sie nicht unterscheiden können, ob der Anstieg innerhalb der normalen Schwankung der Messergebnisse liegt oder ein tatsächlicher Anstieg der Konzentration in der Reinraumluft vorliegt, nützt ihnen das Überwachungssystem überhaupt nichts.

    In MetAMC wird ein zentraler Punkt die Ermittlung der Unsicherheiten für die einzelnen Messprinzipien sein und die Rückführung der Messungen. Um dies durchführen zu können, werden Referenzgase benötigt, also Gasgemische mit AMC Konzentrationen, wie sie auch in Reinräumen auftreten. Diese werden dann zum Vergleich und zur Kalibrierung der in MetAMC untersuchten Messprinzipien verwendet. Die Möglichkeit, solche Gasgemische herzustellen, wird im Verlauf des Projektes an den teilnehmenden Instituten etabliert werden. Nach dem Projekt werden diese Gasmischungen der Industrie zur Kalibrierung ihrer Messgeräte zur Verfügung stehen.

    Verfahren im Breich Echtzeit-Laserüberwachung der AMC-Kontaminierung im Fokus:

    Fotos: PTB; Animation: Sauberkeit & Reinraum
     

    Welche Länder beteiligen sich als Partnerinstitute an diesem europäischen Projekt mit welchen Aufgaben?

    Es sind die sechs nationalen Metrologieinstitute Finnlands, Italiens, der Tschechischen Republik, Großbritanniens, der Niederlande und Deutschlands beteiligt. Außerdem eine Firma aus Taiwan und eine italienische Universität. Das Projekt wird von Tuomas Hieta, der am MIKES in Finnland arbeitet, koordiniert. MIKES untersucht zusammen mit dem niederländischen VSL und uns laserbasierte Methoden, die für Messungen in anderen Anwendungsbereichen schon erfolgreich genutzt werden. Dies sind Photoakustische Spektroskopie und Cavity-Ring-Down Spektroskopie. VSL wird dazu seine Laserquellen weiterentwickeln, wobei es mit taiwanesischen Firma HCP zusammenarbeiten wird.

    Am NPL in Großbritannien wird NICE-OHMS, eine optische Messtechnik, die Messungen mit sehr hoher Sensitivität ermöglicht, weiterentwickelt werden. Am tschechischen Metrologieinstitut, dem CMI, werden nicht-optische Methoden untersucht werden. INRIM, das italienische Metrologieinstitut, die Universität von Turin, VSL, MIKES und NPL werden außerdem dynamische Methoden zur Erzeugung von Referenzgasen weiterentwickeln. Außerdem werden sie untersuchen, wie sich die negativen Eigenschaften der Gase, z.B. die Eigenschaft von Ammoniak an Oberflächen zu haften, auf unsere Messsysteme und Messungen auswirken.

    Gibt es einen Zeitrahmen für das Projekt und wie hoch sind die Förderkosten?

    Das Projekt hat im Mai dieses Jahres begonnen und hat eine Laufzeit von drei Jahren. Das Projektvolumen beträgt 2,9 Millionen Euro.

    Wird es einen abschließenden Workshop am Ende des Projekts geben und wer kann teilnehmen bzw. Ergebnisse einsehen und somit profitieren?

    Ja, am Ende des Projektes werden wir die Projektergebnisse im Rahmen eines Workshops vorstellen. Der genaue Termin und die Anmeldeinformationen werden zu gegebener Zeit auf unserer Projekthomepage verfügbar sein. Grundsätzlich kann jeder, der am Thema Interesse hat, teilnehmen.

    – Das Interview führte Ursula Pidun –
     

    Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt forscht in vielen Bereichen:

    Verweise:
    Hans Illig – Pionier in der Technischen Sauberkeit
    Technische Sauberkeit – Interview mit Dipl.-Ing. Hans Illig
    Interview mit Hans Illig Teil2
    MAFAC setzt auf Ultraschall zur wirkungsvollen Unterstützung patentierter Verfahrenstechnik
    Reinigungsverfahren – Bedeutung in der Sauberfertigung (Teil 1)
    Reinigungsverfahren -Vielfalt führt zum Ziel (Teil 2)
    Automatisierte Teilreinigung mit flüssigen Medien
    CO2-Reinigung zur Erzielung von sauberen Bauteilen
    CO2-Schneestrahltechnik – Interview mit Dipl.-Ing. Hans-Jörg Wössner



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