Halbleiterfertigung Ausgasung: Eine kritische Herausforderung für die Reinheit

In Halbleiteranlagen beeinflussen Dichtungsmaterialien unmittelbar Prozesszuverlässigkeit, Wartungsintervalle und Ausbeute. Werkstoffe mit reduzierter Ausgasung können dazu beitragen, Kontamination zu minimieren und stabile Prozessbedingungen aufrechtzuerhalten.

In der Halbleiterfertigung bestimmen Präzision und Reinheit den Prozesserfolg. In den hochsensiblen Umgebungen der Waferproduktion können bereits geringste Verunreinigungen die Prozessstabilität beeinträchtigen und ganze Fertigungsläufe gefährden. Eine häufig unterschätzte Kontaminationsquelle ist die Ausgasung von Materialien unter thermischer Belastung, Vakuum oder Plasmaeinwirkung.

Ausgasung beschreibt das Freisetzen von Gasen oder flüchtigen Bestandteilen aus Werkstoffen. In Halbleiteranlagen können diese Emissionen auf Waferoberflächen kondensieren, die Plasmauniformität beeinflussen oder Prozesschemien verändern. Die Folgen reichen von Defekten über verringerte Ausbeuten bis hin zu erhöhtem Wartungsaufwand und Anlagenstillständen. Mit zunehmender Strukturverkleinerung und steigenden Reinheitsanforderungen gewinnt die Materialausgasung zusätzlich an Bedeutung.

Anforderungen an Elastomere in Halbleiterprozessen

Die Materialauswahl für Dichtungen spielt daher eine zentrale Rolle. Elastomere werden in zahlreichen Anlagenkomponenten eingesetzt, unter anderem in Ätz-, Beschichtungs- und Nasschemieprozessen. Unter Prozessbedingungen können jedoch flüchtige organische Verbindungen (VOCs), Feuchtigkeit oder andere Moleküle freigesetzt werden. Selbst sehr geringe Ausgasungsmengen können die Prozessbedingungen in CVD- oder Ätzkammern beeinflussen. Gleichzeitig müssen Dichtungsmaterialien hohen Temperaturen, aggressiven Chemikalien und Plasmaexposition standhalten.

Konventionelle FKM-Werkstoffe erreichen unter diesen Bedingungen häufig ihre Grenzen, insbesondere bei langfristiger Plasmaeinwirkung. Der Bedarf an Perfluorelastomeren (FFKM) mit hoher chemischer Stabilität und geringer molekularer Emission ist daher gestiegen.

Messung und Bewertung der Ausgasung

Zur Bewertung der Materialreinheit werden verschiedene Methoden eingesetzt. Eine verbreitete Methode ist die thermische Desorptionsspektroskopie (TDS), mit der die Freisetzung flüchtiger Bestandteile unter temperatur- und vakuumähnlichen Bedingungen gemessen werden kann. Typische Testbedingungen umfassen einen Temperaturanstieg von Umgebungstemperatur auf +200 °C über 120 Minuten sowie eine anschließende Haltephase unter Vakuum. Aus den Messdaten lassen sich Rückschlüsse auf die Eignung von Werkstoffen für hochreine Prozessumgebungen ziehen.

Werkstofftechnische Ansätze zur Reduzierung der Ausgasung

Perfluorelastomere zeichnen sich durch eine hohe chemische Stabilität und Temperaturbeständigkeit aus. Durch gezielte Polymerarchitektur, kontrollierte Vernetzungsprozesse und Reinraumfertigung lassen sich Werkstoffe entwickeln, die eine geringere molekulare Abgabe im Betrieb aufweisen.

Ein Beispiel hierfür ist die Evolast-FFKM-Werkstofffamilie von Angst+Pfister, die speziell für Anwendungen mit hohen Reinheitsanforderungen entwickelt wurde. Die Werkstofffamilie umfasst verschiedene Varianten für unterschiedliche Einsatzbereiche:

• PS1-Serie für Nasschemieprozesse

• PS2-Serie für thermische Hochtemperaturanwendungen

• PS3-Serie für Plasma- und Gasabscheidungsprozesse

Je nach Variante sind Einsatztemperaturen bis +340 °C möglich.

Praxisbeispiel: Abdichtung einer Plasmaätzkammer

In einer Plasmaätzanlage mit hoher Prozessintensität wurden Dichtungsmaterialien benötigt, die auch unter längerer Plasmaexposition stabil bleiben und keine molekularen Verunreinigungen freisetzen. Konventionelle Elastomere zeigten Oberflächenerosion sowie messbare VOC-Emissionen nach mehreren hundert Betriebsstunden. Durch den Einsatz eines Perfluorelastomers der Evolast-Reihe konnten reproduzierbare Prozessbedingungen mit geringer Ausgasung erreicht werden. Die Dichtungen zeigten auch bei Temperaturen bis +330 °C keine Degradation. (sb)

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