Produktion im MiniEnvironment

Es hat sich gezeigt, dass bestimmte Prozesse außerhalb eines Mini-Environments nicht mehr realisierbar sind. Die Vielfalt der Anwendungen wächst dabei mit der Vielfalt der Anforderungen an das Fertigungsumfeld. Waren zu Beginn in erster Linie Partikelkonzentration und Keimzahl die vordergründigen Parameter, sind es jetzt auch organische und anorganische Kontaminationen, Elektrostatik, Inertgasatmosphäre sowie eine ganze Reihe von weiteren Parametern und Anforderungen.

Der Name ¿Mini-Environment¿ ist erst zu Beginn der neunziger Jahre mit der Erarbeitung des SEMI-Standards ¿Procurement and Acceptance¿ entstanden. Jede dicht schließende Box, die den Inhalt vor bestimmten Umwelteinflüssen schützt, ist ein Mini-Environment, jede Vakuumkammer, jede sterile Glove-Box in der Mikrobiologie, jeder Stickstoffschrank, jede Ampullenabfüllstation in der Pharmazie, jede Kfz-Lackierkabine, jeder Sterilisator in der Medizin und vieles andere mehr.

Warum wird hier der Begriff des Mini-Environments so weit gefasst? Es soll die noch offenen Möglichkeiten aufzeigen, die uns diese Technologie bietet. Leider sind wir durch den ¿wissenschaftlichen¿ Begriff ¿Mini-Environment¿ in unserem Denken schon zu eingeschränkt. Man muss versuchen, an die Möglichkeiten dieser Technologie unvoreingenommen heranzutreten und damit die Prozesse in der Herstellung von Produkten jeglicher Art effizienter zu gestalten beziehungsweise völlig neue Prozesse erst zu ermöglichen.

Produktion im herkömmlichen Reinraum

In der Halbleiterindustrie verlangt die hohe Anzahl an Bearbeitungsschritten eine immer geringere Anzahl von Defekten auf dem Halbleitersubstrat um eine wirtschaftlich vertretbare Ausbeute zu erzielen (beim Gigabit-Chip ist die Anzahl auf ca. 700 Bearbeitungsschritte angewachsen). Dies führt dahin, dass bei allen Prozessen im Produktionsablauf der Halbleiterchips die Nullfehlerproduktion eine unabdingbare Voraussetzung für eine akzeptable Gesamtausbeute darstellt.

Die Kontaminationsquellen sind dabei unterschiedlichen Ursprungs. Um diese Quellen beseitigen zu können ist die Kenntnis der Herkunft unerlässlich (siehe Bild 1).

((Bild 1))

Um die Partikelablagerung zu beeinflussen, gilt es die möglichen Einflussgrößen zu optimieren. Eine Optimierung aller in Frage kommenden Größen erfordert einen ¿Superreinraum¿. Dabei ist zu beachten, dass es nach Aussage von Reinraumprojektanten und -herstellern eine Grenze gibt, wie sauber ein traditioneller Reinraum sein kann. Tabelle 1 stellt die Anforderungen an einen solchen Superreinraum den Möglichkeiten eines Minienviroments gegenüber.

((Bild 2))

Mini-Environment

Ein Mini-Environment ist eine lokale Umgebung, die durch eine Einhausung das Produkt vor Verunreinigungen und dem Einfluss des Menschen isoliert. In dieser Umgebung durchläuft ein Produkt einen Prozess, wird gelagert oder transportiert. Dies würde im einfachsten Fall bedeuten, dass alle Prozesse in lokale Umgebungen verlagert werden. Das ist sicherlich eine Möglichkeit, mit der man jegliches Risiko ausschließen kann, es ist aber auch die aufwendigste Variante. Eine Unterteilung in kritische und weniger kritische bis unkritische Prozesse erlaubt es jedoch, die technische Ausstattung eines Mini-Environments zu reduzieren.

Am Beispiel der Halbleiterfertigung lassen sich folgende Arten unterscheiden:

Passives Mini-Environment: Dies kann eine Box, ein SMIF-Pod (Standard Mechanical Interface) oder ein anderes Behältnis sein, welches nicht aktiv durchströmt wird.

Aktives Mini-Environment: Ein Mini-Environment mit einer aktiven Durchströmung, meist Reinstluft. Dabei kann diese aus dem Reinraum selbst genutzt werden, beziehungsweise mittels einer Erzeugungseinheit (Filter-Lüfter-Modul) für das entsprechende Mini-Environment erzeugt werden.

Verkettung

Die hochwertigsten Bedingungen bringen jedoch nur wenig positive Effekte, wenn die Verkettung, das heißt die Realisierung der Schnittstellen zwischen den Mini-Environments, nicht den geforderten Ansprüchen genügt. Kontaminationen müssen nicht nur innerhalb minimiert werden, sondern auch auf dem Transport dazwischen verhindert werden. Dieser Transport umfasst auch einen mehr oder weniger langen Lager- beziehungsweise Pufferzeitraum, während dem die Produkte nicht bearbeitet werden. Diese Schnittstellen können unterschiedlicher Art sein. In der Halbleiterindustrie sind dies vorrangig Wafertransportboxen und SMIF-Pods. Diese Art des Transports und der Lagerung/Pufferung wird auch von anderen Industriezweigen weitestgehend übernommen. So existieren bereits SMIF-Systeme für die Mikrosystemtechnik und Mikrooptik.

Eine andere Art sind entsprechende Transportwagen (Bild 2) mit integriertem Reinraum, die die Reinraumbedingungen über einen definierten Zeitraum hinweg aufrechterhalten und somit die Produkte im Innern optimal schützen. Als weitere Optionen kann der Reinstluftstrom ionisiert werden, um elektrostatische Aufladungen definiert abführen zu können. Alternativ können Transport und Lagerung unter einer Inertgasatmosphäre stattfinden. Weitere Optionen sind in Zukunft Lufttrocknung, Temperierung sowie Verringerung der Schadstoffkonzentration in der Luft durch den Einsatz eines Aktivkohlefilters. Zu den Möglichkeiten und zukünftigen Anforderungen einige Beispiele:

In einen Prozessgerät wird ein optisches Messsystem eingesetzt. Im Verlauf von drei bis vier Jahren verschmutzen die optischen Oberflächen mit einer Schicht aus Ablagerungen von Kohlenwasserstoffen. Ein Mini-Environment mit Aktivkohlefiltern in Kombination mit Hochleistungsschwebstoffiltern kann das Problem lösen. Bei der Gestaltung dieser und anderer Umgebungen muss allerdings eine ganze Reihe von Materialien ausgeschlossen werden, da sie zum Beispiel im Halbleiterprozess Dotierungen hervorrufen können. Dies trifft unter anderem für Zink, Bor und Phosphor zu.

Weiterhin ist der Burst-Effekt ein unterschätztes Problem beim Betrieb von Prozessequipment im Mini-Environment. Partikelmessungen bestätigen über einen langen Zeitraum hinweg die hohe Qualität der Umgebungsbedingungen. Es treten jedoch in unterschiedlichen Zeiträumen kurzzeitige drastische Erhöhungen der Partikelkonzentration auf. Dies wird durch das Losreißen einer ¿Partikelwolke¿ von einer Oberfläche erzeugt, ausgelöst, beispielsweise durch die ständige Partikelansammlung an einer Oberfläche durch elektrostatische Aufladungen. Eine Änderung der relativen Luftfeuchte kann eine Ladungsverschiebung dieser elektrostatischen Aufladungen hervorrufen und damit die Anziehungskräfte zu den Partikeln verringern und diese freigeben. Die Überwachung der Umgebungsbedingungen wird zu einer immer mehr geforderten Funktion zur ständigen Aufrechterhaltung der eingestellten Parameter.

Erste Schritte dahin wurden bereits getan, wobei man nicht einfach das Monitoring von großen Reinräumen auf die Mini-Environments anwenden kann. Auf Grund des geringen Volumens der lokalen Umgebungen stellen sich besonders Anforderungen an das Probenahmevolumen bei Partikelmessungen sowie an die Regelung bei kurzen Totzeiten einer Klimatisierung ein. Ein Eingriff in das Mini-Environment muss erkannt werden, um zum Beispiel mit einem höheren Volumenstrom gegensteuern zu können.

Diese Aufzählung kann noch weitergeführt werden. An dieser Stelle soll jedoch nur auf die Vielfalt der anstehenden Aufgaben sowie auf die Vielfalt der Möglichkeiten der Technologie hingewiesen werden.

Zum Thema

Große Reinräume zu betreiben ist sehr kostenintensiv. Nicht nur in der Halbleiterindustrie setzen sich deshalb kleine, lokale Reinräume, sogenannte Minienviroments durch. Der Beitrag erläutert die Technik und gibt einen Ausblick.

Joachim Ludwig, Geschäftsführer, Colandis, Jena, Tel. 03641/215631, Fax 215633, http://www.colandis.com

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