Festo-vinding scherpt normmeting cleanroomproducten aan

De komende generatie chipproductiemachines heeft te maken met producten waarbij de details extreem klein zijn. Zo klein dat vuildeeltjes van 0,02 µm al problemen kunnen opleveren. Festo ontdekte dat de huidige normering om vast te stellen hoeveel stofdeeltjes vrijkomen tijdens bijvoorbeeld het schakelen van ventielen niet meer voldoet. Het bedrijf ontwikkelde een nieuwe testmethode die rekening houdt met de dynamische praktijkomstandigheden en naar verwachting eind dit jaar is opgenomen in de aangepaste norm.

Marjolein de Wit-Blok is freelance tekstschrijver.

Componenten die in een cleanroomomgeving worden toegepast, moeten aan strenge eisen voldoen. Een daarvan is de maximale hoeveelheid deeltjes die ze mogen afgeven in deze ruimte. Deze deeltjes komen vrij wanneer onderdelen bewegen, elkaar raken en er een vorm van slijtage optreedt. Ook drukfluctuaties in gasstromen kunnen vaste onderdelen zodanig beïnvloeden dat er – zeer kleine – deeltjes losraken.

Voor systeemontwerpers is het van belang dat ze een inschatting kunnen maken van het soort deeltjes dat vrijkomt, de grootte van deze deeltjes en uiteraard het aantal. Ook de locatie waar deze deeltjes worden gegenereerd – de bron – is van belang. Met deze gegevens kunnen ze de juiste maatregelen nemen om te voorkomen dat de deeltjes het (productie)proces verstoren, bijvoorbeeld door in het ontwerp op de juiste plaats een filter of afzuiging met de juiste capaciteit op te nemen.

Voor de bepaling van het aantal deeltjes dat vrijkomt bij het genereren van perslucht werd voorheen de test uit de Semi F70-norm gebruikt. In deze test zorgt het openen van een ventiel voor een constante luchtstroom en meet je het aantal deeltjes in de luchtstroom ná het ventiel. Omdat direct na het opstarten van de luchtstroom altijd meer deeltjes aanwezig zijn als gevolg van vuil dat nog in het systeem zit, worden de eerste waarden pas genoteerd wanneer een evenwicht is ontstaan en het aantal deeltjes per minuut relatief constant is. Hiervoor wordt het ventiel gedurende de voorfase opengehouden en ook tijdens de metingen niet meer geschakeld.

Wetende dat deeltjes vooral vrijkomen bij het schakelen van het ventiel én door drukfluctuaties (dus niet bij een constante, maar juist een dynamische luchtstroom) zullen de testresultaten bij deze methode bijna altijd (zeer) positief zijn. Er zijn immers geen factoren waardoor deeltjes makkelijk losbreken. Hierdoor kan het lijken alsof een component geschikt is voor toepassing in een cleanroom terwijl dat in de praktijk niet altijd zo zal uitpakken.

Tot voor kort was die enigszins gebrekkige aanpak niet zo dramatisch omdat de allerkleinste vuildeeltjes de toenmalige processen niet zo sterk beïnvloedden. Er waren toch geen mogelijkheden om deze hoge resoluties te produceren en het ontbrak dus aan de noodzaak. Met de steeds verdergaande miniaturisering van onder meer halfgeleiders stijgen de eisen voor het aantal en de grootte van de deeltjes die aanwezig mogen zijn. Ook deeltjes die bijvoorbeeld kleiner zijn dan 3 µm vormen binnenkort een bedreiging voor de opbrengst van processen. Om betrouwbaar te kunnen meten waar en in welke mate deeltjes worden gegenereerd in het proces was het dus noodzakelijk de meetmethode te herzien.

Drukfluctuaties

Als leverancier van speciale ventielen voor toepassing in de halfgeleiderindustrie ontdekte Festo de hiaten in de huidige norm en startte het met de ontwikkeling van een nieuwe methode in nauwe samenwerking met zijn klanten. Max van den Berg, wetenschapper en geestelijk vader van de nieuwe methode: ‘Wanneer engineers van productiemachines niet kunnen rekenen met de juiste waarden ten aanzien van het genereren van vuildeeltjes, zullen ze rekening moeten houden met een bijzonder dure machine die niet in staat is voldoende wafers in de juiste kwaliteit af te leveren. Ondanks alle veelbelovende metingen die voorafgaand aan de inzet van de componenten zijn gedaan.’

Met het vaststellen van de belangrijkste problemen in de oude meetmethode is het niet moeilijk te raden welke veranderingen Festo heeft doorgevoerd in de nieuwe methode. Ten eerste wordt er dynamisch getest met fluctuaties in de druk die overeenkomen met de praktijk én wordt er gedurende het testen geschakeld met de ventielen. Dan blijkt dat het aantal gegenereerde deeltjes niet meer afzakt naar nul, maar blijft hangen op een niveau dat karakteristiek is voor deze component.

Van den Berg: ‘Door deze metingen beschikken constructeurs over data die aangeven hoeveel deeltjes per schakeling vrijkomen onder specifieke omstandigheden, bij bepaalde drukniveaus en flows. Hiermee kunnen ze rekenen. Een dubbel aantal schakelingen levert twee keer zo veel deeltjes op. Meer drukfluctuaties dan standaard in de test zijn toegepast, betekent ook de vermenigvuldiging van het gemeten aantal. Enzovoorts. Op deze manier weten ze voor elk productieproces het totale aantal deeltjes dat vrijkomt en kunnen ze hun gastoevoersysteem of pneumatische systemen zodanig inrichten dat deze deeltjes op een effectieve manier kunnen worden afgevoerd. Een betrouwbaarder productieproces is het gevolg.’

Laatste stemronde

Na vele tests in Festo’s eigen cleanroom heeft Van den Berg voorgesteld de norm en de meetmethode te wijzigen. Dit voorstel is inmiddels met algemene stemmen aanvaard en wordt op het moment van schrijven bijgewerkt. Naar verwachting zal aan het eind van het jaar een laatste stemronde volgen.

Van den Berg: ‘Het voorstel voor de nieuwe norm is onder meer gepresenteerd op de Semicon West 2018 en zeer positief ontvangen. De markt beseft dat deze nieuwe methode extra mogelijkheden en ruimte geeft die de chipindustrie nodig heeft om de nieuwe generatie chips te kunnen produceren. De wet van Moore regeert immers nog steeds en validatie van cleanroomcomponenten is daarvoor van groot belang.’