4.6 Mehrstufige Wälzkolbenpumpen — Prozesse im Vakuum

In der Halbleiterindustrie werden mikroelektronische Bauteile auf der planaren Oberfläche eines Einkristalls aufgebaut. Im Produktionsprozess werden Schichten mit bestimmten elektrischen Eigenschaften (Isolatoren, Leiterbahnen und Schichten mit bestimmten Leitfähigkeitseigenschaften) übereinander aufgebracht. Durch die unterschiedlichen Eigenschaften der benachbarten Schichten entstehen elektronische Bauelemente wie Transistoren, Kondensatoren, Widerstände, etc.

In einer Vielzahl von Einzelprozessen bei der Produktion integrierter Schaltungen, z. B. bei der Dotierung des Halbleiter-Ausgangsmaterials, dem Schichtwachstum, der Strukturierung und auch bei der Analytik, wird Vakuumtechnik eingesetzt. Die Produktion findet in Reinräumen statt. Vakuumpumpen werden entweder direkt im Reinraum an den Produktionsanlagen eingesetzt oder in einem darunterliegenden eigenen Pumpengeschoss (Basement).

Die Prozesse stellen unterschiedliche Anforderungen an die eingesetzten Pumpen. Prozesse ohne korrosive, toxische oder kondensierbare Medien können mit Pumpen ohne besondere Korrosivgasausrüstung betrieben werden. Dazu zählen z. B.

• Schleusen und Transferkammern
• PVD (Physical Vapor Deposition) von Metallen ohne Reaktivgasatmosphäre
• Implanter (Beam Line und End Station)
• Annealing (Ausheilen von Kristalldefekten durch Ausheizen) unter Vakuum oder Inertgasatmosphäre
• Waferinspektion

Die eingesetzten Pumpen (L-Reihe) werden in Kapitel 4.6.3 beschrieben. Durch den Einsatz der Pumpen direkt im Reinraum können Vorvakuumleitungen ins Pumpen-geschoss und ihre eventuelle Beheizung eingespart, Leitwertverluste verringert und weltweit reproduzierbare Installationen mit hoher Prozessstabilität erreicht werden.

Mittelschwere Prozesse können korrosive Chemikalien mit Kondensationsneigung beinhalten, erzeugen jedoch keine Partikel. Dazu zählen unterschiedliche Verfahren wie

• Oxidation, Veraschen
• RTP (Rapid Thermal Processing; Waferbearbeitung in Hochtemperaturprozessen durch Halogenlampen mit hoher Leistung)
• Trockenätzen von polykristallinem Silicium, Aluminium oder Wolfram
• Implanter (Quellen)
• einige CVD-Verfahren

Die eingesetzten Pumpen (P-Reihe) werden in Kapitel 4.6.4 beschrieben. Aus Sicherheitsgründen und aufgrund der Nähe zum Abgasreinigungssystem werden Prozesspumpen häufig im Basement installiert.

Die anspruchsvollsten Prozesse (Harsh Processes, Pumpen der H-Reihe) erfordern den Umgang mit Partikeln, hochkorrosiven Chemikalien oder Reaktionsnebenprodukten und Chemikalien oder Reaktionsnebenprodukten mit Kondensationsneigung. Beispiele für derartige Prozesse sind:

MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) von Titannitrid
• Isotropes Trockenätzen von Dielektrika
• HDP CVD (High Density Plasma Chemical Vapor Deposition) von Siliciumdioxid
• SACVD (Sub Atmospheric Chemical Vapor Deposition) von Siliciumdioxid
• SACVD HARP (Sub Atmospheric Chemical Vapor Deposition, High Aspect Ratio Process) von Siliciumdioxid

Teilweise werden für diese Verfahren auch Kombinationen von Turbomolekularpumpen (siehe Kapitel 4.9.3.2) und Prozesstrockenläufern eingesetzt.

Die zuvor genannten Prozesse für die P- und H-Pumpen benutzen Chemikalien mit z. B.

• hoher Toxizität, wie Arsin (AsH³) oder Phosphin (PH³)
• hoher Korrosivität wie plasmaaktiviertem Stickstofftrifluorid (NF₃), Schwefelhexafluorid (SF₆), Fluor-Kohlenstoffen, etc.
• stark oxidierenden Eigenschaften wie plasmaaktiviertem Sauerstoff oder Ozon
• metallorganische Chemikalien, z. B. Tetraethylorthosilicat (TEOS), Trisilylamin (TSA)

Umfangreiche Kenntnisse in Vakuumtechnik und Vakuumprozessverfahrenstechnik sind Voraussetzung zur Definition einer funktionsgerechten und langzeitstabilen Lösung mit möglichst geringen Verbrauchskosten. Dazu zählt z. B. die Definition der Pumpenarbeitstemperatur, um Kondensation bei zu niedriger Temperatur, Pulverbildung bei zu hoher Temperatur oder Verblocken der Pumpe bei zu langen Verweilzeiten der Chemikalien im Pumpenraum zu verhindern. Darüber hinaus ist oft eine präzise Kontrolle des Temperaturverlaufs nicht nur in der Pumpe, sondern auch von Produktionsanlage, Vorvakuumleitung und Abgasleitung erforderlich.

Vakuumprozesse in der Solarindustrie und bei der Bildschirmherstellung ähneln oft den auch in der Halbleiterindustrie eingesetzten Prozessen. Wegen der größeren zu beschichtenden Flächen sind in diesen Industriezweigen allerdings auch die Gasdurchsätze höher und verlangen entsprechend Pumpen mit höherer Saugleistung.

Ein Beispiel: In der Solarindustrie werden zur besseren Ausbeute des Sonnenlichts antireflektierende und die Oberfläche passivierende Siliciumnitridschichten in einem Plasma-CVD-Prozess auf die Solarzellen aufgebracht. Die Abscheidung findet dabei nicht nur wie gewünscht auf dem Substrat statt, sondern auch auf den Wänden der Vakuumkammer. Spätestens wenn die auf die Wände aufgewachsenen Schichten einen kontrollierten Vakuumprozess nicht mehr zulassen, muss die Prozesskammer gereinigt werden. Dies geschieht durch eine In-situ-Plasmareinigung mit dem starken Oxidationsmittel NF³. Wird die Pumpe (in diesem Beispiel AD 73 KH, siehe Kapitel 4.6.5) bei zu niedriger Temperatur betrieben, kommt es, wie in Abbildung 4.10 gezeigt, zu einer Ablagerung des Reaktionsprodukts Ammonium- hexafluorsilicat im Pumpstand. Zur optimalen Prozesskontrolle gehören neben einer prozesstauglichen Pumpe und einem in der Praxis erprobten und qualifizierten Satz von Betriebsparametern:

• Eine beheizte Vorvakuumleitung zur Vermeidung der dortigen Kondensation
• Bei vertikaler Vorvakuumleitung eine Schutzvorrichtung, die das Herunterfallen von Gegenständen in die Pumpe vermeidet (z. B. ein T-Stück mit Blindflansch am senkrechten unteren Ende und mit waagrechtem Ausgang zur Pumpe)
• Ein Soft-Start-Ventil zur Vermeidung der Aufwirbelung von Partikeln
• Ein Absperrventil am Einlass der Pumpe zum kontinuierlichen Betrieb der Pumpe bei hohen Temperaturen auch bei Wartungsarbeiten an der Vorvakuumleitung
• Ein Lecksuchanschluss in der Vorvakuumleitung, möglichst nahe an der Vorpumpe. Leckagen würden zur Bildung von Siliciumdioxid-Partikeln führen.
• Eine beheizte Abgasleitung zwischen Pumpe und Abgasreinigung
• Ein Abgasreinigungssystem

Abbildung 4.10: Kondensation von Ammoniumhexafluorosilikat (NH₄)2SIF₆ in einer zu kalt gefahrenen Wälzkolbenpumpe