Ultra Clean Vacuum – VAT perfektioniert das Partikel-Management

Ob in der Halbleiterfertigung, der Display- und Solar-Branche, in der Optik- und Lasertechnologie oder in der Medizintechnik, Weltraum- oder Hochenergieforschung – immer steht ein Aspekt im Vordergrund: maximale Reinheit! Praktisch alles, was hier geschieht, erfolgt unter Reinraumbedingungen, da jedes Partikel, jedes fremde Molekül negative Auswirkungen auf die Qualität der Ergebnisse haben kann.

Die kontinuierlich steigenden Ansprüche an die Vermeidung von Fremdstoffen  in Form von Partikeln oder Ausgasungen macht es auch für VAT immer komplexer, einen neuen Ultra Clean Vacuum (UCV)-Level zu erreichen. Ziel des UCV-Ansatzes ist es die Partikel- und Ausgasungsdynamik im Hoch- oder Ultrahochvakuum zu minimieren. Dabei geht es um zwei Aspekte. Zum einem um die Art und Dynamik der im Vakuum verbleibenden Luft-/Gasmoleküle sowie zum anderen um die Größe der im Prozess tolerierbaren Partikel.

Für die bei einem Ultrahochvakuum im Raum verbleiben zwischen 100.000 und 100 Millionen Gasmoleküle pro cm³ ist aktuell im UCV-Ansatz definiert, dass diese eine Atommasse von 45u (oder 45 amu) nicht überschreiten sollen. Dies beschränkt die Moleküle auf die klassischen Luftbestandteile wie Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasser. Neben der Masse ist aber auch die Reaktivität der verbleiben Moleküle von Bedeutung. D.h. z.B. Sauerstoff als sehr reaktionsfreudiges Element ist eher unbeliebt und sollte möglichst nicht mehr vorhanden sein.

Im Ultrahochvakuum ist die Zahl der verbleibenden Moleküle soweit reduziert, dass diese häufiger mit den Kammerwänden kollidieren, als miteinander. Nahezu alle molekularen Wechselwirkungen finden daher auf den Oberflächen in der Kammer statt. Diese Oberflächen erhalten damit einen besonderen Stellenwert bei der Erzeugung von UCV-Bedingungen. Zu den Kammeroberflächen zählen dabei auch die Dichtungsflächen, die sich durch die verschiedenen Zu- und Ausgänge einer Kammer ergeben. Für die Oberflächen ist allgemein deren Ausgasungsverhalten von Bedeutung. Je höher die Ausgasungsrate, d.h. je stärker z.B. an den Metallwänden einer Vakuumkammer haftende Wassermoleküle freigesetzt werden, desto höher die Dynamik innerhalb der Kammer, da für jedes neue Molekül ein anderes entfernt werden muss um das Vakuumniveau bzw. die Anzahl der Moleküle im Volumen nicht zu verändern. Eine hohe Dynamik bedeutet dabei auch eine hohe Thermodynamik, die sich negativ auf die im Vakuum ablaufenden Prozesse auswirken kann. Neben der Ausgasungsrate der Oberflächen tragen im Ultrahochvakuum aber auch extrem kleine Leckagen sowie Rückflusseffekte beim Evakuieren zu einer erhöhten Dynamik bei.

Partikel sind das andere große Thema beim Ultra Clean Vacuum. Partikel werden als Rückstände aus dem Produktionsprozess der eingesetzten Vakuumkomponenten eingebracht oder werden durch Verschleißprozesse z.B. an dynamischen Dichtungen erzeugt. Diese Partikel sind in der Regel an den Oberflächen der Kammern gebunden, können aber durch thermodynamische Prozesse sowie durch Stöße oder Vibrationen freigesetzt werden und sich dann an die bearbeiteten oder untersuchten Produkte in der Kammer anlagern, was negative Auswirkungen auf die Untersuchungs- und Bearbeitungsergebnisse haben kann.

Für Partikel ist deshalb aktuell für eine UCV-Umgebung in der Regel eine Grenzgröße von einem Mikrometer als tolerable definiert. Partikel, die größer als ein Mikrometer sind sollten dem entsprechend nicht mehr zu finden sein. Aber auch für die kleineren Partikel gilt es Strategien zu entwickeln, die deren Freisetzung minimieren.   

Um den Ultra Clean Vacuum-Anforderungen in allen Bereichen der Fertigung zu entsprechen ist VAT organisatorisch so aufgestellt, das Aufgabenstellungen bereichsübergreifend bearbeitet werden und damit angepasste Fertigungsprozesse schneller entwickelt und umgesetzt werden können. So entwirft VAT Partikel-Management-Lösungen für optimierte Fertigungs-, Montage-, Logistik- und Einbauprozesse, um System- und Anlagenkontamination schon vor einer Inbetriebnahme zu reduzieren bzw. komplett auszuschließen.

Hierzu gehören heute im Bereich der Fertigung wiederholte Ultraschallreinigungen im Reinstwasserbad (> 12 MΩ/cm) mit geeigneten Reinigern in Reinraumklasse 6 ISO 14644-1 oder besser und das Trocknen mit partikelfreier Luft zum Standard. Die Montage erfolgt dabei immer in einer Reinraumumgebung entsprechend der spezifizierten Reinraumklasse. Alle gelieferten Vakuumsysteme sind nach der Dichtigkeitsprüfung immer mit partikelgefilterter Luft oder partikelgefiltertem Gas (Stickstoff) geflutet und für Transport und Lagerung in einer staubdichten Doppeltverpackung geschützt. Dies ist aber nur ein Aspekt im UCV-Ansatz.

Das Beispiel Mikrochip-Fertigung macht die Herausforderungen für das Partikel-Management deutlich: Die am Fertigungsprozess beteiligten Transferventile verschließen und öffnen die Prozesskammern in den einzelnen Fertigungsschritten. Sie unterliegen also einem kontinuierlichen Wechsel zwischen Bewegungs- und Stillstandsphasen. Jede Ventilbewegung löst Veränderungen der physikalischen und auch chemischen Rahmenbedingungen in den Prozesskammern aus. Diese können von leichten Veränderungen im Temperatur- oder Strömungsverhalten der Prozessgase bis starken Einwirkungen durch Vibrationen, Turbolenzen oder gar zu Kondensationseffekten reichen. Solche starken Einwirkungen können Partikel freisetzen oder erzeugen. Diese Partikel können ihren Ursprung im Prozess selbst haben, aber auch durch die Transferventile selbst emittiert werden, z.B. durch eine überbeanspruchte Elastomer-Dichtung. Solche Partikel können schon in geringer Zahl und Größe die produzierten Mikrochips beschädigen, somit die Ausschussquote erhöhen und im schlimmsten Fall die Wirtschaftlichkeit der Produktion gefährden.

Hier steht das VAT Partikel-Management unter anderem vor der Aufgabe, Schließmechaniken sowie Schließbewegungen von Transferventilen so zu optimieren, dass im Idealfall keinerlei nachweisbare Partikel aktiviert bzw. freisetzt werden.

Die Dichtungen eines Transferventils, welche die definierte Dichtheit garantieren und Schließbewegungen dämpfen, sind ein weiterer kritischer Bereich. Die hier üblicherweise verwendeten Elastomere enthalten z. B. Weichmacher, die unter bestimmten Bedingungen freigesetzt werden können. Außerdem können Dichtungen, die der wiederholten Belastung dynamischer Stauchungs- und Entspannungsbewegungen ausgesetzt sind, alterungsbedingt kleinste Elastomerpartikel abgeben. VAT arbeitet aus diesem Grund am Einsatz von Dichtungsmischungen, die im Fertigungsprozess eine höhere Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit aufweisen. So entstehen Elastomerdichtungen, die anders als übliche statische Dichtungen für die dynamischen Anforderungen bei Transferventilen optimiert sind und eine signifikant bessere Partikelperformance bieten.

Mit angewandter Forschung Grenzen neu definieren

VAT forscht sowohl an gänzlich neuen Lösungsansätzen als auch an vielversprechenden Möglichkeiten zur Leistungssteigerung bereits etablierter Verfahren. So werden bereits jetzt von der Schließ- und Öffnungsbewegung von Ventilen ausgelöste potenzielle Erschütterungen durch ein Abbremsen am Ende der Bewegung minimiert – ähnlich wie bei einem Aufzug, der bei Erreichen eines Stockwerks sanft seine Bewegung verlangsamt. VAT arbeitet an der Perfektionierung dieser Technologie. Mit dynamischen Bewegungsprofilen ist sogar bei sehr kurzen Öffnungs- und Schließzyklen mit hohen Beschleunigungs- und Bremsgeschwindigkeiten eine optimierte Partikelperformance garantiert.

Die Prüfung nach Montage im Bereich Ultra Clean Vacuum läuft grundsätzlich in dem vom Kunden vorgegebenen Feinheitsgrad ab. Dabei agiert VAT hinsichtlich der Prüfgenauigkeit häufig am Limit des technisch Machbaren. Ein gutes Beispiel hierfür sind Anforderungen, die z.B. aus der Hochenergieforschung kommen, mit Projekten wie dem LHC des Cern, ITER, XFEL oder SLAG des Jefferson und Fermilab, aber auch aus dem Halbleiterbereich von Herstellern wie ASML. ASML bietet zurzeit als weltweit einziges Unternehmen die Extreme Ultraviolet Lithography (EUV) an, mit der die heute feinsten Chipstrukturen aufgrund kürzerer Lichtwellenlängen im Bereich 13,5 nm gefertigt werden können. Mit der EUV geht ASML über die physikalischen Grenzen des Vorgängerverfahrens Deep Ultraviolet (DUV) hinaus. Während für die DUV-Lithografie keine Vakuumbedingungen notwendig waren braucht das EUV-Verfahren eine sehr reine UHV-Umgebung, ein Ultra Clean Vacuum. Damit definiert ASML für den Bereich der industriellen Halbleiterfertigung aktuell die Maßstäbe für reines Vakuum.

Prinzipiell werden bei UCV-Anforderungen neben den produzierten Bauteilen und deren Ausgangsmaterialien alle Komponenten einbezogen, die im Rahmen der Fertigung in Kontakt mit dem jeweiligen Bauteil kommen – von Reinigungsmitteln bis zu Transport- und Schutzverpackungen. Keines dieser Elemente darf sich als potenzielle Quelle für Partikel- und Ausgasungsemissionen erweisen.

VAT forscht am Einsatz verbesserter Rohmaterialien, um z. B. Ausgasungseffekte weiter zu reduzieren. In direkter Verbindung damit steht die Entwicklung innovativer Bearbeitungsmethoden zur Erzeugung von Oberflächen, die inerter gegen Partikelanlagerungen sind oder diese gezielt begünstigen (Getter-Prinzip), um Partikel oder einzelne Moleküle gezielt zu binden und vom Prozess fernzuhalten. Aber auch die frühzeitige Detektion partikelkritischer Betriebszustände steht auf der Agenda. Mit dem Einsatz modernster Sensortechnik setzt VAT hier ein Zeichen in Richtung Industrie 4.0. Neueste VAT Vakuumventilentwicklungen können gezielt warnen, wenn es eine Abweichung vom definierten Betriebszustand gibt, die Eigenkompensationsmöglichkeiten ausgeschöpft sind und daher die Gefahr erhöhter Emission bestehen könnte.

Mit dem VAT Partikeltestzentrum im kalifornischen San Jose und dem VAT Labor im schweizerischen Haag treibt VAT Entwicklungen in diesem Bereich gezielt voran. Hier wird die Partikelperformance der VAT Ventile im Detail überprüft und auf die Kundenanforderungen hin kalibriert. Dazu gehört, dass die Ventile gezielt in ausgewählten Anlagekomponenten wie z. B. im „Wafer-Path“ vom Load-Lock über die Transfer- bis hin zur Prozesskammer getestet werden.

Die eigene Forschung ermöglicht es VAT, mit der hohen Innovationsgeschwindigkeit seiner Kunden gleichzuziehen und in derselben Taktfrequenz Lösungen anzubieten. Ein wichtiger Bestandteil ist dabei auch der kontinuierliche Know-how-gestützte Austausch mit Kunden und Zulieferern. Dies beschleunigt und optimiert die Anpassung an wechselnde, steigende Anforderungen. Mit dem stetig wachsenden Wissen kann VAT heute bestimmte Kundenbedürfnisse in vielen Bereichen schon im Vorfeld antizipieren und damit auf Anforderungen sehr flexibel reagieren. So profitieren sowohl Bestandskunden als auch Neukunden direkt von der sich ständig vergrößerten VAT Expertise. Damit ist VAT in der Branche weltweit führend, wenn es um Ventillösungen im Bereich Ultra Clean Vacuum geht, und setzt zugleich den eigenen Anspruch um: Maßgeschneiderte High Purity-Vakuumlösungen für jeden Kunden und jede Anforderung!