Kritische Dichtungen in HDPCVD-Prozessen

Clean Room environments to avoid wafer contamination

Verlängerte Lebensdauer für Dichtungen an kritischen Positionen in HDPCVD-Prozessen

Die Herausforderung

Angesichts kontinuierlicher Investitionen der Halbleiterindustrie in die Fertigung von 300-mm-Wafern stehen Prozessverbesserungen und die höheren Anforderungen dieser Technologie an die Prozessausrüstung im Mittelpunkt des Interesses. In HDPCVD-Prozessen können Elastomer-Dichtungsmaterialien eine Schwachstelle darstellen, da sie während vorbeugender Wartungsmaßnahmen ausgetauscht werden müssen.

Umfangreiche Tests von Dichtungsmaterialien auf CVD-Plattformen zeigen, dass durch eine sorgfältige Auswahl der Dichtungsmaterialien das potenzielle Risiko einer Kontamination reduziert und die mittlere Betriebsdauer zwischen Instandsetzungen (MTBR) verlängert werden kann. Eine vor Kurzem verfügbar gewordene Entwicklung bei Perfluorelastomer(FFKM)-Dichtungen lässt erheblich längere Dichtungslebensdauern und eine Reduzierung der Partikelkontamination in der Kammer erwarten.

Die Lösung

Eine der Aufgaben des internationalen Forschungszentrums IMEC (Löwen, Belgien) besteht darin, in Zusammenarbeit mit strategischen Partnern neue Technologien auf ihre praktische Einsetzbarkeit zu prüfen, darunter auch Prototypen für die Waferfertigung (Abb. 1). Dazu werden typische industrielle Prozesse nachgestellt und Materialien und Komponenten dann 3 bis 5 Jahre vor Produktionsanlauf unter den zu erwartenden Produktionsbedingungen getestet. Angesichts diverser in dieser Einrichtung vorhandener Sonderausstattungen sind die Lernzyklen von höchster Bedeutung für die Unterstützung der F&E-Anforderungen.

Die Kosten für den Austausch von O-Ring-Dichtungen sind beträchtlich. Ein kompletter Dichtungssatz für eine CVD-Kammer kann bis zu 5.000 EUR kosten. Die Organisation hat auf ihren Centura® Ultima 200-mm-HDPCVD-Plattformen eine Vielzahl von FFKM-Dichtungen getestet, die in der oberen Düse, in Sperrschiebern sowie in Turbo- und Vorbearbeitungs-Absperrventilen angebracht waren.

Zwei Arten von FFKM-O-Ringen waren in der oberen Düsenposition in einer Umgebung mit Plasma-Reinigungsgas – Phosphan (PH3), Sauerstoff (O2), Silan (SiH4) und Stickstofftrifluorid (NF3) – besonders stark beansprucht. Diese Dichtungen zeigten außerdem an einigen Stellen Anzeichen von hoher Belastung – vermutlich die Folge kurzzeitig sehr hoher Temperaturen, die für Anwendungen dieser Art typisch sind. Ähnliche Probleme wurden bei Abscheidungsanwendungen für die Grabenisolation (STI) und für Zwischenschicht-Nichtleiter (IMD) beobachtet.

Die aus älteren FFKM-Verbindungen bestehenden O-Ringe (in der Regel mit Nano-Siliziumdioxid oder Metalloxid gefüllt), die im Vorbearbeitungs-Absperrventil angebracht und allen Gasen, insbesondere dem NF3-Plasma, ausgesetzt waren, wiesen Risse und Verformungen auf. Diese Dichtungen mussten nach jedem 5.000sten Waferzyklus ausgetauscht werden. Dazu war es erforderlich, das Absperrventil aus den Pumpenleitungen auszubauen, eine Leckageprüfung durchzuführen, die Prozessausrüstung zu reinigen und die Kammer zu schließen – was in Bezug auf Materialkosten, Einrichtungszeiten und Arbeitskräfte kostspielig war. Ähnliche Ergebnisse wurden für die Sperrschieberdichtung beobachtet. Hier wurden die O-Ringe mechanischen Belastungen und einer hohen chemischen Beanspruchung ausgesetzt.

Kalrez® O-Ringe für die Halbleiterfertigung

Hauptvorteile

Kalrez® 9100 Perfluorelastomerteile wurden an besonders kritischen Einsatzstellen getestet. Zunächst wurde die 5.000 Zyklen entsprechende Einsatzdauer in der identischen Prozessumgebung verwendet. Die am Absperrventil und in der oberen Düse eingesetzten Kalrez® 9100 Dichtungen blieben unbeschädigt und zeigten keine Anzeichen von Rissen (Abb. 2).

Die Ingenieure folgerten daraus, dass O-Ringe der nächsten Generation 10.000 Zyklen standhalten und diese Einsatzdauer möglicherweise noch weiter ausgedehnt werden kann. Ohne den Ausbau der oberen Düse und des Absperrventils kann auch die anschließende Leckageprüfung entfallen. Angesichts dieser Ergebnisse ist eine Verdoppelung oder sogar Verdreifachung der Dichtungslebensdauern in CVD-Plattformen zu erwarten. IMEC plant jetzt, alle FFKM-Dichtungen durch Kalrez® 9100 Dichtungen zu ersetzen, beginnend mit der 200-mm-Produktionlinie. Ähnliche Ergebnisse werden für die 300-mm-Fertigung erwartet.