ReinRaumTechnik - Die Analyse luftgetragener molekularer Kontaminationen (airborne molecular contamination, AMC) in den Halbleiter-Fertigungslinien gewinnt zunehmend an Bedeutung. Die bevorstehende Migration auf die EUV- (extreme ultraviolet) Lithographie zur weiteren Minimierung der Chip-Designs erfordert die Verringerung der Reinraum-Kontaminationen und deren Echtzeit-Monitoring. Deswegen setzen die Halbleiterhersteller vermehrt AMC-Detektoren mit höherer Sensitivität und neuen Techniken ein: Continuous-Wave Cavity Ring-Down Spectroscopy (CW CRDS) und Ionenmobilitäts-Spektrometrie (ion mobility spectroscopy, IMS).

Für die früheren Generationen von Lithographie-Tools existieren detaillierte Dokumentationen über typische Kontaminationsprobleme. Säurehaltige AMC resultiert in Korrosion, und die Anwesenheit von Basen führt zu ‘T-top' Formationen (Ausbildung von T-förmigen, unlöslichen Spitzen) und Beschlagen der Photomasken. Selbst geringe Konzentrationen von Fluorwasserstoff (hydrogen fluoride, HF) können die HEPA-Filter angreifen und die Freigabe von Bor beschleunigen, was die Bildung von Kristallsalzen und das Potenzial permanenter Low-level Kontaminierungen fördert. Ein weiterer säure-induzierter Waferdefekt tritt auf, wenn Salzsäure (HCl) das Photoresist anlöst und darin lochartige Defekte erzeugt.
Beim Übergang auf die EUV-Lithographie sind weitere Herausforderungen hinsichtlich der Kontamination zu erwarten. EUV gilt als „wahrscheinlichste Methode auf dem Weg zu immer kleineren Dimensionen auf immer komplexeren Chips", wie es der führende Anbieter von Lithographiesystemen, ASML Holding N.V., formuliert (Abb. 1). Deshalb gelten hier neue Ansätze.
Bei der EUV-Lithographie führt das Ausgasen unterschiedlicher Komponenten in der Prozesskammer, auch des Resistmaterials, zur Absorption von Kohlenwasserstoffen an den Oberflächen der Optik. Wenn hochenergetische Protonen der EUV-Quelle auf diese Kohlenwasserstoffe treffen, entstehen Kohlenstoff-Anlagerungen, die die Lebensdauer der äußerst kostspieligen Spiegelsysteme der EUV-Tools stark verkürzen.
Bis zum Aufkommen der EUV-Lithographie stützte sich die molekulare Analyse der Kontaminanten meist auf traditionelle Methoden, mit Impinger oder Lösemittelfalle, außerhalb der Fertigungslinie („off-line"). Über einen Zeitraum von zwei bis 24 Stunden wurden Proben entnommen und die mittlere Konzentration in diesem Zeitraum aufgezeichnet. Damit ließen sich die Garantiebedingungen der Tools recht gut einhalten. Doch eine Mittelwertbildung über einen derart langen Zeitrahmen kann Spikes oder das Timing einer Kontamination nicht erfassen und dokumentieren.

Die Verfahren
Als Alternative bietet sich die relativ neue Methode zur AMC-Bestimmung in Gestalt der Ionenmobilitäts-Spektrometrie (IMS) an. Leider benötigt IMS eine radioaktive Strahlenquelle zur Ionisierung der Moleküle, mit anschließender Time-of-flight Spektrometrie. Das erlaubt eine Echtzeit-Analyse, allerdings mit dem Nachteil von Querempfindlichkeiten gegenüber anderen Stoffen wie Ozon und Isopropylalkohol, die in Reinräumen zugegen sind. Zusätzlich sind Kalibrierprotokolle notwendig, und diese tragen zu den Wartungskosten, zur Downtime und betrieblicher Komplexität bei.
Im Gegensatz zu IMS umgeht das CW-CRDS-Verfahren diese Erschwernisse durch eine kalibrationsfreie Echtzeitanalyse ohne radioaktive Quelle. Außerdem misst CW-CRDS jeweils einen spezifischen Analyt. Somit sind Querkontaminationen oder Interaktionen mit anderen Chemikalien, die präsent sind, ausgeschlossen. Derartige Analysatoren führen eine absolute Messung aus. Deswegen werden sie von mehreren nationalen Metrologie-Instituten auch als Transfer- und "Traveling" Standards eingesetzt, unter anderem in England, den USA, Deutschland und Japan.

CW-CRDS - eine patentierte Technologie
Die von Tiger Optics patentierte, sehr leistungsfähige CW-CRDS-Technologie ist eine beachtliche messtechnische Errungenschaft. Zur Messung saugt eine kleine Vakuumpumpe die Luft des Reinraums mit einer kontinuierlichen Rate von ~1 l/min durch die Messzelle des Analysators. Ein Laserstrahl im nahen Infrarot wird in die Kavität eingekoppelt, die mit parallelen, hoch reflektiven Spiegeln an beiden Enden ausgerüstet ist. Die Spiegel reflektieren mehr als 99,999 % des auftreffenden Lichts. Ein geringer Teil dieses Lichts geht durch den Spiegel am entfernten Ende der Kavität hindurch und trifft auf einen Detektor (Abb. 2).
Nach Erreichen eines vorbestimmten Schwellenwerts wird der Laser für den Bruchteil einer Sekunde abgeschaltet. Das Licht in der Messzelle pendelt zunächst weiter zwischen den beiden Spiegeln, über eine Weglänge von etwa 30 km, bevor es abgeklungen ist. Dies ermöglicht eine hohe Messempfindlichkeit innerhalb einer kompakten Messzelle. Zwei dieser Zellen passen in einen Standard-Rack.
Das Abklingen des Laserlichts - innerhalb einiger Mikrosekunden - folgt einer Exponentialfunktion. Diese Kurve wird als "ring down" bezeichnet. Der Laser ist dabei fest auf eine spezifische Wellenlänge eingestellt, die dem spektroskopischen Profil des jeweiligen Analyt entspricht. Je höher dessen Konzentration ist, desto schneller klingt die Kurve ab, wobei der Analyt die Laserenergie absorbiert.
CW-CRDS bietet, über das Beer-Lambert‘sche Gesetz, eine absolute Messung. Dabei ist kein Nullgas erforderlich. Der Nullpunkt der Messung wird anfangs durch Abstimmen des Lasers auf eine Wellenlänge bestimmt, bei der der Analyt kein Licht absorbiert. Die Abklingzeit an diesem Punkt (Tau Zero genannt) ist eine reine Funktion der Reflektivität der Spiegel in der Kavität. Sie bildet die Basis der Nullmessung des Instruments. Der Unterschied zwischen der Abklingzeit bei der Mess-Wellenlänge und der Nullabsorptions-Wellenlänge bietet eine unmittelbare und genaue Messmöglichkeit der momentanen Konzentration des Analyt.
Die beiden Variablen im Ansatz des Beer-Lambert-Gesetzes sind die Reflektivität der Spiegel und die Betriebs-Wellenlänge des Lasers.
Die korrekte Nullmessung wird durch die regelmäßige „Off-peak"-Messung der Abklingzeit sichergestellt. Die Verifizierung, dass der Laser "on-peak" ist, geschieht über eine Referenzzelle: Ein kleiner Anteil des Laserlichts wird durch diese permanent versiegelte Referenzzelle, die einen winzigen Bruchteil des Analyt enthält, auf einen Fotodetektor geleitet. Ist der Laser exakt abgestimmt („on-peak"), fällt die Lichtintensität am Detektor auf ein Minimum. Steigt die Lichtintensität am Detektor (was einer Abweichung von der korrekten Wellenlänge entspricht), wird der Laser durch Ändern des Diodenstromes so lange nachjustiert, bis sie wieder das Minimum erreicht. Dieses "laser locking" stellt sicher, dass die richtige Messwellenlänge Tau vorliegt. Damit wird eine mögliche Langzeitdrift verhindert.

Ammoniak
Zu den hartnäckigsten Kontaminanten von Reinräumen zählt Ammoniak (NH3). Durch seine basische Natur neutralisiert es die ätzende Charakteristik des Photoresists, was im bereits erwähnten "T-topping" und Defekten der Wafermuster resultiert. Ammoniak-Kontaminierung führt auch zu wafer hazing und zur Korrosion der metallischen Chip-Oberflächen.
Um diesen Effekten entgegenzuwirken, kann der Tiger-i NH3 Analyzer den Ammoniakgehalt bis herab zu Konzentrationen von 5 ppb detektieren. Das tragbare System lässt sich überall innerhalb von Reinräumen aufstellen, um kontinuierliche Messreihen kritischer Prozesse auszuführen (Abb. 3). Die Fähigkeit zum Data-logging liefert zusätzliche zeitbasierte Details zur Bestimmung der Gründe für Spikes in den NH3-Messwerten.

Fluorwasserstoff
Auch die Konzentration von Fluorwasserstoff (hydrogen fluorid, HF) muss überwacht werden, um die Abscheidung von Bor aus dem Borsilikatglas zu überwachen, das in den Reinraum-HEPA-Filtern eingesetzt wird. Das Tiger-i HF System detektiert HF-Pegel in Echtzeit bis herab zu 100 ppt. Die Genauigkeit ist besser als 4 % des Messwerts oder +/- 0,1 ppb. Die Ansprechzeit auf 90 % des Endwertes nach einem Konzentrationsanstieg oder -abfall von 1 ppm beträgt weniger als zwei Minuten. Somit lässt sich durch Monitoring der HF-Pegel die Lebensdauer der HEPA-Filter vorherbestimmen und ein Ersatzzeitpunkt planen, bevor die Bor-Kontamination zu einem Problem wird.

Salzsäure
Ebenso wichtig ist in Reinräumen die Echtzeit-Überwachung von HCl-Konzentrationen, die eventuell die kritische Schwelle von 2,9 ppb überschreiten. Der Tiger-i HCl Analyzer meldet diese Konzentrationen bis herab zu 500 ppt, mit etwa einer Messung pro Sekunde. Außerdem lassen sich zwei Alarmschwellen setzen, um das Reinraum-Personal darauf hinzuweisen, dass die Konzentration sich dem kritischen Wert von 2,9 ppb nähert oder diesen bereits überschritten hat.

Methan
Das ist noch nicht alles. Um Carbon-Anlagerungen auf der hoch präzisen EUV-Optik zu verhindern, muss auch die Methan-Konzentration in der Umgebungsluft kontrolliert werden. Der Tiger-i CH4 überwacht den Methan-Gehalt bis herab zu weniger als 4 ppb. Diese Daten erscheinen auf einem Touch-Screen, sie können auch per RS232 oder Ethernet an ein zentrales Monitoring-System übertragen werden. Das stellt sicher, dass die Echtzeitmessungen proaktiv im Fertigungsprozess eingesetzt werden.

Fazit
Die EUV-Lithographie erfordert ein genaueres Verständnis und das kontinuierliche Monitoring der Kontaminationen im Reinraum. Ältere Messmethoden, die nur den Off-line-Mittelwert des AMC-Gehalts liefern oder häufige Kalibrierung erfordern, erfüllen nicht mehr die Anforderungen der Tool-Eigentümer. CW-CRDS umgeht diese Probleme mit einer absoluten Messmethodik. Das ermöglicht Echtzeit-Analysen von geringen Spurengas-Konzentrationen bei den Betriebsbedingungen einer Fab.