DE3603947A1

DE3603947A1 - System zur dosierung von luftgetragenen ionen mit hoher genauigkeit und verbessertem wirkungsgrad zur eliminierung elektrostatischer flaechenladungen

Info

Publication number: DE3603947A1
Application number: DE19863603947
Authority: DE
Inventors: Hans-Henrich Dr Stiehl; Thomas Sebald
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-02-06
Filing date: 1986-02-06
Publication date: 1987-08-13
Also published as: RU1830198C; US4878149A; JPS63502466A; DE3762563D1; WO1987004873A1; EP0258296B1; EP0258296A1; JP2702951B2

Description

Bei der Fertigung von hochintegrierten Halbleiterbauelementen, bei Laserspeicherplatten und bei anderen Produkten mit Mikrostrukturen im Auflösungsbereich von 1 µm und weniger führen sowohl Partikelkontaminationen als auch unkontrollierte elektrische Entladungen zu erheblichen Qualitätsverlusten. Ursache für die Schäden sind elektrostatische Aufladungen. Derartige Fertigungen finden im allgemeinen in Reinräumen statt, deren Luft hochgradig vorgefiltert ist und den Reinraum in einer turbulenzarmen, kolbenartigen Verdrängungsströmung durchfließt. Die Zuluft derartiger Reinräume kann so hochgradig gefiltert werden, daß nahezu keine Partikel über den Luftstrom in den Reinraum gelangen können. Die Partikelbelastungen bei der Fertigung entstehen im wesentlichen durch den Produktionsvorgang selbst oder durch das Bedienungspersonal.

Die Aufladungen werden erzeugt durch Reibung, Influenz oder kapazitive Vorgänge und sind bei der Bewegung des Produktes an isolierenden Oberflächen unvermeidbar. Es können Ladungsdichten entstehen, die zu Spannungen von mehreren 1000 V führen. Einerseits ziehen diese aufgeladenen Flächen mittels elektrostatischer Kräfte verstärkt Aerosole, in besonderem Maße geladene Aerosole, an. Man findet auf mit 100 V aufgeladenen Flächen etwa eine zwanzigfache Teilchenablagerung im Vergleich zu einer neutralen Fläche. Andererseits können derartige Flächenladungen unkontrolliert über die Mikrostrukturen entladen werden. Dabei können die Mikrostrukturen entweder durch einen elektrischen Durchschlag oder durch hohe Stromdichten zerstört werden. Empfindliche Metalloxid-Halbleiterstrukturen auf Siliziumscheiben können bereits durch Entladungen von Spannungen über 50 V zerstört werden.

Die Aufladung von isolierenden Flächen am Produkt und die verstärkte Teilchendeposition können dadurch verhindert werden, daß der Luftstrom Ionen positiven und negativen Vorzeichens enthält. Dadurch werden sowohl an luftgetragenen Teilchen als auch an den Produktoberflächen Ladungen ausgeglichen. Unkontrollierte Entladungen über die Mikrostrukturen können nicht stattfinden. Oberflächenladungen werden durch eine kontrollierte Entladung über Luftionen in wenigen Sekunden abgebaut.

Als Verfahren zur Erzeugung von positiven und negativen Luftionen hat sich die Dunkelfeld-Gasentladung im inhomogenen elektrostatischen Feld einer Nadelspitze durchgesetzt. In Spitzennähe bildet sich eine Entladungszone mit einer Ausdehnung von etwa 0,5 mm aus, in der die Gasmoleküle ionisiert werden. Je nach Polarität der Spitze treibt das Feld die gleichgeladenen Ionen aus der Entladungszone in den Raum. Mit zunehmender Entfernung von der Spitze verlangsamt sich aufgrund des schwächer werdenden Feldes die Geschwindigkeit. In einem Abstand von mehr als 15 cm ist die Geschwindigkeit auf den Wert einer Reinraumluftströmung abgesunken, so daß Ionen durch den Luftstrom erfaßt und mitgenommen werden können. Herkömmliche Ionisatoren arbeiten mit Spannungen zwischen 10 und 20 kV. Der zeitliche Verlauf der Spannung ist entweder gleichförmig, eine Sinusspannung von 50 bis 60 Hz oder ein rechteckiger Spannungsverlauf wie in Fig. 1 dargestellt.

Es ist bekannt, daß bei gleicher Feldgeometrie der Entladung und gleicher Spannung die negative Emitternadel mehr Ionen erzeugt als die positive. Da Ionisatoren ihre Aufgabe zur Neutralisation von Oberflächenladungen nur erfüllen können, wenn in den Luftstrom die gleiche Anzahl von positiven wie negativen Ionen eindosiert werden, ist die sinusförmige Wechselspannung zur Versorgung der Emitternadeln nachteilig, wogegen bei rechteckigem Spannungsverlauf und Gleichspannungsversorgung durch Einstellung der entsprechenden Gleichspannungsniveaus Ionen mit ausgeglichener Polaritätsbalance erzeugt werden können. Der rechteckige Spannungsverlauf sowie die sinusförmige Wechselspannung haben zudem den Nachteil, daß die Umschaltung der Spitzenpolarität in Zeiträumen abläuft, die kurz sind gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit der Luft. In diesem Fall werden bereits in die Luft eindosierte Ionen durch schnelle Änderung der Polarität zur Spitze zurücktransportiert und sind für die Ionisierung der Luft unwirksam. Darüber hinaus verschlechtert sich der Wirkungsgrad der Ionendosierung. Unter "Wirkungsgrad" sei hier das Verhältnis der Ionenzahl, die in den Luftstrom eintritt, zu der Gesamtanzahl der an der Spitze erzeugten Ionen verstanden.

Beide Nachteile vermeidet man dadurch, daß man je zwei Spitzengruppen getrennt mit Gleichspannung versorgt. In diesem Fall beträgt die Potentialdifferenz zwischen den Spitzen etwa 20 kV, entsprechend groß ist der Abstand der Spitzen mit etwa 30 cm zu wählen. Die Ausbildung von flächenhaften Ionisatoren - wie sie beispielsweise großflächig unter der Decke von Reinräumen angebracht werden können - führt zu einer örtlich diskontinuierlichen Ionenerzeugung. Im Grenzgebiet derartig versorgter Ionisatoren kommt es zu Überschüssen einer Ionenpolarität, die im Gegensatz zur eigentlichen Aufgabe der Ionisatoren zu zusätzlichen Aufladungen führen können.

Durch Betriebserfahrungen mit Ionisatoren in Reinräumen, beispielsweise der Klasse 10 nach US Federal Standard 209c mit besonders hohen Anforderungen, hat man bei den drei in Fig. 1 beschriebenen Betriebsarten der Ionisatoren im Betrieb Nachteile festgestellt. Diese Nachteile beziehen sich u. a. auf das Abtragen der Spitzen, auf das Eintragen von metallischem Spitzenmaterial in die Reinraumluft und auf die Ablagerung von Verunreinigungen auf den Spitzen. Diese Effekte lassen sich vermeiden durch Auswahl eines geeigneten Nadelmaterials und durch Verbesserung des Wirkungsgrades der Ionendosierung. Der Materialabtrag an den Spitzen wird nach theoretischen Überlegungen beeinflußt durch die für das Spitzenmaterial typischen Sputterrate bei Ionenbeschuß, durch die elektrische Leitfähigkeit, durch die Wärmeleitfähigkeit und die chemische Beständigkeit. Bei der zwar örtlich sehr kleinen, aber noch intensiven Gasentladung in Spitzennähe entsteht ein Plasmabereich erhöhter Temperatur, erhöhter Korrosion und erhöhten Ionenbeschusses. Durch systematische Untersuchungen wurde festgestellt, daß z. B. Edelstahl und Graphit unter vergleichbaren Bedingungen einen hohen Materialabtrag zeigen, daß Wolfram zu metallurgischen Veränderungen und in deren Folge zu Verformungen neigt, daß aber Tantal, Niob, Gold und Platin sowie deren Legierungen besonders beständig sind. Vergleichende Messungen für die Materialien Wolfram, Titan, Tantal und Niob zeigt beispielhaft Tabelle 1. Der über 1000 Std. durchgeführte Versuch mit zehnfacher Belastung der Spitzen simuliert den gefundenen Materialabtrag über die Dauer eines Jahres und schätzt mögliche Teilchenbelastungen in Reinräumen ab.

Nachteile der Spitzenverunreinigung und des Materialabtrages lassen sich auch dadurch beeinflussen, daß der Nutzionenstrom in der Reinluftströmung im Vergleich zu dem Gesamtstrom im Spitzenbereich möglichst groß gemacht wird. Dieses wird dadurch erreicht, daß man die Hochspannung nur sehr kurze Zeit, z. B. 10-30 ms, anschaltet und das Abschalten in einer Zeit erreicht, die kurz ist gegenüber der Zeit der Ionenwanderung von der Spitze auf das Erdpotential. Beim Abstand von etwa 15 cm beträgt die Flugzeit der Ionen von der Spitze auf das Erdpotential 10-50 ms. Durch das schnelle Abschalten gelangen jeweils alle Ionen, die sich zwischen Spitze und Elektrode befinden, in den Luftstrom. Die Mindestanschaltzeit sollte so lang gewählt werden, daß der Luftraum zwischen Spitze und Erdelektrode möglichst vollständig mit der zu der Spannung gehörenden Ionensättigung aufgefüllt wird. In einer derartigen Anordnung läßt sich die im Entladungsraum an der Spitze umgesetzte elektrische Leistung minimieren. Entsprechend kleiner werden die Materialabtragsraten, die Teilchenanlagerung und die möglichen Verunreinigungen der Reinraumluft. Die Abschaltzeit der Hochspannung zwischen einem positiven und einem negativen Spannungsimpuls ist so zu wählen, daß bei typischen Luftgeschwindigkeiten z. B. in Reinräumen von 0,3-0,5 m/s in den Luftstrom eindosierte Ionen den spitzennahen Bereich großer Feldstärke verlassen haben. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist, daß die Verteilung des elektrischen Feldes sich möglichst in einer Ebene senkrecht zur Luftstromrichtung ausbildet. Typische Abschaltzeiten liegen zwischen 50 und 500 ms.

Die technische Ausführung des Ionisatorsystems umfaßt drei Baugruppen (Fig. 3):

Stelleinheit
Hochspannungseinheit
Emittereinheit

Die Stelleinheit wird in einem zentralen Schaltschrank untergebracht, der die gesamte Lufttechnik überwacht. Er erzeugt zwei Gleichspannungen, deren Werte unabhängig voneinander eingestellt werden können. Typische Werte liegen zwischen 5 und 30 V. Durch Einstellung der Spannungswerte können die Hochspannungswerte am Emittersystem für die negativen und positiven Scheitelwerte unabhängig voneinander gewählt werden. Die Niederspannungseinheit versorgt die Hochspannungseinheit durch ein dreipoliges Kabel.

Die erfindungsgemäße Hochspannungseinheit enthält zwei unabhängige Teileinheiten gleichen Aufbaus für die Erzeugung der positiven und der negativen Hochspannung aus den beiden zugeführten Gleichspannungen (Fig. 4). Eine TTL-Schaltung zerhackt die Niederspannung in Spannungsimpulse von etwa 10-50 kHz Folgefrequenz, die dann der Primärwicklung eines Hochfrequenztransformators mit Ferritkern zugeführt wird. Dabei ist die TTL-Schaltung so ausgelegt, daß jeweils nur Gruppen der hochfrequenten Spannungsimpulse erzeugt werden, deren Dauer vorzugsweise zwischen 5 und 50 ms liegt. Im Hochspannungskreis des Transformators befindet sich eine Diode, die aus den Hochspannungsimpulsgruppen Hochspannungsimpulse von nahezu rechteckiger Form bildet. Dabei wird die Kapazität des Verbindungskabels zur Emittereinheit zur Glättung genutzt. Dadurch, daß in den parallelen Spannungsumformern jeweils eine Diode entgegengerichtet der anderen Diode geschaltet ist, lassen sich positive und negative Impulsfolgen herstellen.

Führt man diese Impulsfolgen jeweils zwei unterschiedlichen Nadelgruppen der Emittereinheit zu, so lassen sich positive und negative Ionen erzeugen. In diesem Fall benötigt man zwei Hochspannungszuführungen über abgeschirmte Kabel. Wählt man die Folge der positiven und negativen Impulse etwa wie in Fig. 2 dargestellt und trennt man die jeweils über zwei Hochspannungsrelais zu versorgenden Hochspannungskreise, so kann man die Impulsfolge nach Fig. 2 den Emitternadeln durch ein abgeschirmtes Kabel zuführen. In diesem Falle werden an der gleichen Nadelspitze im Abstand der Impulsfolge abwechselnd positive und negative Ionen erzeugt. Die synchrone Ansteuerung der Relais durch die TTL-Schaltung jeweils in der spannungsfreien Phase gewährleistet erfindungsgemäß eine hohe Lebensdauer durch leistungsloses Schalten.

Die beschriebene Betriebsart der Ionisatoren hat gegenüber bestehenden Systemen die folgenden Vorteile:

- hoher Wirkungsgrad der Ionendosierung durch Pulsbetrieb mit steilflankigem Abschalten
- Zuführung der positiven und negativen Hochspannung über ein abgeschirmtes Hochspannungskabel
- unabhängige Stellmöglichkeit für die Erzeugung positiver und negativer Ionen
- Abstimmung der Pulsfolge auf die Ionenflugzeit zwischen den Elektroden des Emittersystems und die Geschwindigkeit der Luftströmung

Wesentliche Merkmale des Emittersystems sind die Verwendung von parallelen runden Entladungselektroden, wobei die Hochspannungselektroden Nadelpaare zur Erzeugung eines inhomogenen elektrischen Feldes hoher Feldstärke tragen. Zum Schutz gegen Berühren sind die Hochspannungselektroden mit einem isolierenden Schrumpfschlauch aus Kunststoff überzogen, so daß nur die Spitzen frei herausschauen. Als weitere Schutzmaßnahme wird wahlweise in der Hochspannungseinheit oder in der Emittereinheit ein Begrenzungswiderstand eingefügt, der den Strom auf Werte begrenzt, die bei Berühren nicht zur Gefährdung von Menschen führen. Die Hochspannungselektrode kann zu Zwecken der Reinigung oder des Ersatzes der Spitzen durch leichten Druck gegen eine Feder aus ihrer Halterung entnommen werden.

Fig. 1 Zeitlicher Verlauf der Hochspannungsversorgung herkömmlicher Ionisationseinrichtungen

Fig. 2 Zeitlicher Verlauf der Hochspannungsversorgung des beschriebenen Ionisators

Fig. 3 Drei Baugruppen des beschriebenen Ionisators

Fig. 4 Schematische Herstellung der elektrischen Versorgung des beschriebenen Ionisators

Tabelle 1

Claims

1. Ionisatorsystem zur Ionendosierung in Luftströmen, bestehend aus einem die Nadelspitzen enthaltenden Emittersystem und einer Hochspannungsversorgung, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitternadeln aus Tantal, Niob, Gold und Platin oder deren Legierungen bestehen.

2. Ionisatorsystem zur Ionendosierung in Luftströmen, bestehend aus einem Emittersystem und einer Hochspannungsversorgung, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsverlauf an den Emitternadeln aus einer wechselnden Folge von positiven und negativen Impulsen mit steiler Abschaltflanke besteht und mit einem Abstand der Impulse erfolgt, der groß ist gegenüber der Impulsdauer.

3. Ionisatorsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsversorgung aus einer zur Bedienung zugänglichen Stelleinheit und einer Hochspannungseinheit in Nähe des Emittersystems besteht, wobei die Stelleinheit zwei gleichpolige Gleichspannungen mit unabhängig einstellbaren Gleichspannungswerten an die Hochspannungseinheit über ein dreiadriges Kabel abgibt und die Hochspannungseinheit über einpolige, abgeschirmte Kabel das Emittersystem versorgt.

4. Ionisatorsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsversorgung über zwei parallele TTL-Schaltungen zwei mit etwa 10 bis 20 kHz pulsierende Gleichspannungen erzeugt, daß sie diese der Primärseite von zwei Ferritkern-Hochspannungstransformatoren zuführt, daß die Hochspannungsseiten der Transformatoren je eine entgegengesetzte Diode enthalten, die je eine hochfrequente positive und eine hochfrequente negative Pulsspannung erzeugen, die durch die Kapazität der anschließenden abgeschirmten Kabel zu Gleichspannungen geglättet werden.

5. Ionisatorsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die TTL-Schaltungen Gruppen von Gleichspannungsimpulsen erzeugen, die an den Hochspannungstransformatoren hinter der Diode durch Glättung an den Hochspannungskabeln zu je einer gepulsten positiven und einer gepulsten negativen Hochspannung führen, deren Pulsbreite etwa zwischen 5 und 100 ms und deren Abstand etwa zwischen 50 und 500 ms liegt und die über zwei abgeschirmte Kabel dem Emittersystem zugeführt werden.

6. Ionisatorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsimpulse hinter den Dioden auf ein abgeschirmtes Hochspannungskabel geschaltet werden, daß die galvanische Trennung der beiden parallelen Erzeugerlinien für die positiven und negativen Spannungsimpulse durch zwei zwischen den beiden Dioden und dem Kabel vorgesehenen Hochspannungsrelais erfolgt, die durch die TTL-Schaltung jeweils zwischen den positiven und negativen Hochspannungsimpulsen leistungslos schalten, so daß die Spannungsversorgung der Emitternadeln mit den positiven und negativen Spannungsimpulsen über ein abgeschirmtes Kabel erfolgen kann.

7. Ionisatorsystem zur Ionendosierung in Luftströmen, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung der positiven und der negativen Ionen aufgewendeten Ströme in der Hochspannungseinheit durch Messung getrennt erfaßt werden und zum Zwecke der Betriebsüberwachung durch Materialabtrag oder Anlagerungen an den Spitzen verursachte Abweichungen ausgewertet werden können.

8. Ionisatorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Emittersystem aus parallelen, vorzugsweise runden Elektroden besteht, die einen Abstand zwischen 5 und 20 cm haben, wobei jeweils eine Hochspannungselektrode senkrecht in einer Ebene liegend die Emitternadeln trägt, wobei die Hochspannungselektrode im o. g. Abstand zwei gegenüberliegende Erdelektroden aufweist und wobei entweder in einem System mindestens zwei Hochspannungselektroden unterschiedlicher Polarität oder mindestens eine Hochspannungselektrode mit sowohl negativen als auch positiven Pulsspannungen vorhanden sind.

9. Ionisatorsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die die Emitternadel enthaltenden Hochspannungselektroden zum Zwecke der Reinigung oder des Auswechselns durch Überwindung eines Federdrucks leicht ausgewechselt werden können.