Gasphasenfiltration in Halbleiterfabs: die Wahl chemischer Medien

Kontamination, die kein HEPA-Filter fängt

Eine moderne Fab kann ihre Partikelzahlen auf ISO-Klasse 3 oder besser halten und trotzdem Ausbeute durch Kontamination verlieren, die kein Partikelzähler sieht. Luftgetragene molekulare Kontamination (AMC) ist gasförmig: Säuren wie HCl und SO₂, Basen wie Ammoniak und Amine, organische Verbindungen und Dotierstoffe. Sie tritt in Konzentrationen auf, die viel zu gering sind, um sie zu riechen, oft im ppb-Bereich oder darunter, und reicht doch aus, um eine Oberfläche zu verändern.

Gasmoleküle messen nur Bruchteile eines Nanometers, sind tausendfach kleiner als die Partikel, für die ein HEPA-Filter gebaut ist, und haften nicht wie Partikel an Glasfasern. Sie gehen hindurch, sofern sie nicht adsorbiert oder neutralisiert werden. Das ist die Aufgabe der chemischen Filtration.

Warum ppb zählen

Der erste gut dokumentierte Fall kam aus der Lithografie. Anfang der 1990er-Jahre zeigten IBM-Forscher, dass chemisch verstärkte Fotolacke, die mit einer kleinen Menge photogenerierter Säure arbeiten, empfindlich auf Basen in der Luft reagieren. Spuren von Ammoniak oder Aminen neutralisieren die Säure an der Lackoberfläche, sodass die Oberseite der belichteten Struktur nicht entwickelt wird und die Linien ein T-förmiges Profil erhalten, das sogenannte T-Topping [4]. Seitdem gehört die Kontrolle von Basen zu jedem Lithografiebereich.

Säuren richten anderen Schaden an. Sie korrodieren Metallbahnen, Kontakte und Bondpads und greifen Kupfer und Silber in Steuer- und Leistungselektronik an. Kondensierbare organische Stoffe lagern sich auf Wafern, Optiken und Retikeln ab und können die Haftung von Schichten verändern. Dotierstoffe wie Bor- und Phosphorverbindungen können die elektrischen Eigenschaften der Bauelemente verschieben.

Wie AMC eingeteilt wird

Die Halbleiterindustrie gruppiert AMC nach chemischem Verhalten. SEMI F21 nutzt vier Familien: Säuren (MA), Basen (MB), kondensierbare organische Stoffe (MC) und Dotierstoffe (MD), mit Klassen nach Konzentration für jede Familie [2]. ISO 14644-8 bietet ein allgemeines Verfahren für jeden Reinraum: Die chemische Luftreinheit wird als ISO-ACC-Klasse N ausgedrückt, wobei die Konzentration eines Stoffes oder einer Gruppe 10ᴺ g/m³ beträgt, für Konzentrationen von 10⁰ bis 10⁻¹² g/m³ [1]. Eine Konzentration von 1 µg/m³ (10⁻⁶ g/m³) entspricht ISO-ACC-Klasse −6.

Für Leitwarten, Rechenzentren und Elektroräume ist ANSI/ISA-71.04 maßgeblich, die die Korrosivität der Luft anhand der Korrosionsschicht einstuft, die in 30 Tagen auf Kupfer- und Silbercoupons wächst [3].

Die Ausgabe 2013 der ISA-71.04 verlangt zusätzlich die Silberreaktivität; der höhere der Kupfer- und Silberwerte bestimmt den Schweregrad. Höhere Feuchte erhöht die Korrosionsrate bei gleicher Gaskonzentration.

Medium passend zum Kontaminanten

Chemiefilter entfernen Gase auf zwei Wegen. Aktivkohle adsorbiert Moleküle physikalisch an ihrer sehr großen inneren Oberfläche, was für die meisten organischen Stoffe gut funktioniert. Kleine, reaktive Gase wie Ammoniak, HCl oder H₂S hält reine Kohle nur schwach, deshalb wird das Medium mit einer Chemikalie imprägniert, die mit ihnen reagiert (Chemisorption) und sie fest bindet.

Die Filterbauform wählen

• Gekapselte Aktivkohlefilter halten das Granulat in Vlies und geben kaum Partikel ab, geeignet für Außen- und Umluft in Fabs.
• Granulat-Schüttbetten fassen am meisten Medium für höhere Konzentrationen bei geringer Anströmgeschwindigkeit.
• Wabenfilter haben bei hohem Volumenstrom wenig Widerstand für niedrige Konzentrationen, etwa in FFUs.
• Medien schichten oder mischen, wenn mehrere Kontaminantenfamilien vorkommen, und hinter losem Granulat einen Partikelfilter vorsehen.

Wo Chemiefilter sitzen

• Außenluftgeräte: entfernen Außenschadstoffe wie SO₂, NO₂ und Ozon, bevor sie ins Gebäude gelangen.
• Umluftwege und FFUs über empfindlichen Anlagen: entfernen in der Fab freigesetzte Stoffe, etwa Ammoniak aus Reinigungsmitteln oder Säuren aus Nassbänken.
• Anlagen- und Stockergehäuse: bieten die engste Kontrolle dort, wo Wafer zwischen Prozessschritten warten.
• Leitwarten und Elektroräume: halten die Luft in ISA-71.04 G1 zum Schutz der Elektronik.

Benötigte Angaben für die Auslegung

Standzeit und Abscheideleistung hängen ganz von den Bedingungen vor Ort ab. Für Medium und Betttiefe brauchen wir die Zielgase und ihre Konzentrationen, Volumenstrom, Temperatur und relative Feuchte sowie die geforderte Abscheidung oder Standzeit. Ist die Gaszusammensetzung unbekannt, ist eine Luftprobenahme am Außenluftansaug oder im Raum der erste Schritt; Reaktivitätscoupons geben kostengünstig ein Bild davon, wie korrosiv die Luft ist.

Nach dem Einbau werden Chemiefilter durch Messung der Reinluft, durch Coupons oder durch Analyse von Medienproben auf ihre Restkapazität geprüft. Anders als Partikelfilter warnen sie kaum über den Druckverlust, denn ein Medium kann erschöpft sein, lange bevor sich sein Widerstand ändert.