Reinraum-Monitoring in einer hochautomatisierten Halbleiterfertigung. Christoph Hocke Infineon Technologies Dresden

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1 Reinraum-Monitoring in einer hochautomatisierten Halbleiterfertigung Christoph Hocke Infineon Technologies Dresden

2 Inhalt Infineon Technologies Dresden Facility und Fertigung Richtlinien und Normen Herausforderungen für ein modernes RR-Monitoring Best Practice RR-Monitoring bei Infineon Dresden Ausblick Page 2

4 Infineon Technologies Dresden auf einen Blick Allgemein Eine der größten Fertigungen innerhalb der Infineon AG Investitionen über 3 Milliarden Euro ~ Mitarbeiter, 50 % davon im Schichtsystem Produktion Produktion auf 200-mm- und 300 mm-siliziumscheiben Hoher Automatisierungsgrad Erstklassige Sicherheitsstandards und höchste Qualität Schnelle Durchlaufzeiten für neue Produkte und Kundenmuster Fertigung: 365 Tage / 24 Stunden Technologien 45 verschiedene Technologien und Derivate in Kupfer und Aluminium von 0,35 μm bis 90 nm (200 und 300 mm) Kupfer: CMOS (130 nm/90 nm), RF-CMOS (130 nm), eflash (130 nm/90 nm), Smart Power (130 nm), Discrete Power (90 nm), High Voltage (130 nm), Bi-CMOS (130 nm), Integrated Sensors (130 nm) Aluminium: CMOS (0,25 µm), eflash (0,24 µm/0,22 µm/120 nm), BiCMOS (0,25 µm), Integrated Sensors (0,25 µm), Power300 (0,35 µm) Page 4

5 Innovative Produkte: Kundenorientierte Lösungen in vier Geschäftsfeldern Automotive Motor- und Antriebssteuerung (Hybrid, emobility) Sicherheitsmanagement, z. B. Airbag Steuerungseinheit Fehlertolerante Datenübertragung innerhalb des Fahrzeugs Dezentrale Elektroniksteuerung ganzer Einheiten Integrierte Sensoren zur kontrollierten Reaktionssteuerung Fahrgast- und Bedienkomfort, Infotainment Chip Card & Security Identifikation: elektronischer Reisepass, Personalausweis, Gesundheitskarte Unterhaltung: Pay-TV, Spiele, Video, Audio Bezahlsysteme: Kredit-, Geldkarten, elektronische Geldbörse, elektronische Tickets Kommunikation: SIM-Karten, Prepaid-Karten Power Management & Multimarket Kleine, verbrauchsarme, leistungsstarke Audioverstärker Treibereinheiten für modernste Lichtelemente (LED) Umgebungslichtsensoren Authentifizierung beim Teilemanagement Drahtlose bidirektionale Datenübertragung Leistungssteuerung und Batteriemanagement mobiler Geräte Industrial Power Control Leistungshalbleiter: Komponenten für elektrische Antriebe Komponenten für das Schalten von hohen Strömen Komponenten für erneuerbare Energien: Solar- und Windkraftanlagen Intelligente Leistungssteuerungselektronik (Elektromotoren, Haushaltsgeräte) Page 5

6 Infineon Dresden Investitionen in die Zukunft Weltweit erste 300-mm- Hochvolumen-Fab für Leistungshalbleiter Infineon ist seit 9 Jahren Marktführer bei Leistungshalbleitern Juli 2011: Entscheidung, eine Hochvolumenfabrik für Leistungshalbleiter auf 300-mm-Wafern in Dresden aufzubauen Frühjahr 2012: Start des ersten 300-mm-Loses Juli 2013: Kundenfreigaben für erste Produkte erhalten Hochautomatisierte 200-mm-Fab mit modernsten Anlagen für Kupfertechnologie Seit 2009: Investitionen von mehr als 200 Mio. EUR in Kapazitätsausbau mit modernen Kupfertechnologie-Anlagen Hoher Automatisierungsgrad: aktuell ~ 60 % automatische Los- Bewegungen; Ziel in den nächsten 2 Jahren ~ 80 % Aktueller Fokus: Verbesserung der Produktivität Weichen sind gestellt: Infineon Dresden kann 300-mm-Produktion nach Bedarf hochfahren Page 6

7 Ein Leuchtturm der Halbleiterindustrie im Dresdner Norden 300-mm- Fab 200-mm- Fab Modul 4 CR-Area: m 2 CR-Classes: ISO 3 Operat. ISO 5 Maint. IFD P300 SMIF/ FOUP CR-area: m 2 CR-Classes: ISO 6 Room ISO 2 MNEV IFD 200 OPEN WAFER CR-area: m 2 CR-Classes: ISO 3 Operat. ISO 5 Maint. WT / Gowning CR-area: / m 2 CR-Classes: ISO 6 WT ISO 5 Gowning Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. Page 7

8 Reinraum und Klimatechnik (200mm-Linie) Gesamt: m² ~ 580 Anlagen > 100 verschiedene Anlagentypen 5 Fortluftanlagen mit je cbm/h (mit Abluftreinigung) Zuführung Laminarstrom Filterdecke mit ca Schwebstofffiltern 34 Umluftanlagen mit je cbm/h Prozessequipment Luft wird bis zu 365 Mal/h ultrafein gefiltert Rückstromzone E-Versorgung Vorlagentanks Doppelboden mit ca Lochplatten Medienversorgung Modul 2 Modul 1 7 Außenluftanlagen je cbm/h: Vorfilterung, Luftwäscher, Feinfilterung und Schwebstofffilterung (ausreichend für Menschen) Viele verschiedene Anlagen sind im Reinraum über ihre Medienversorgung angeordnet. Page 8

9 Eine winzige, winzige Welt mit großen Herausforderungen Rote Blutzelle Strukturbreiten Bsp.: Mikrokontroller zur Motor-Steuerung enthält rund 300 Millionen Transistoren (Chip ist etwa Fingernagel-groß) Produktion in 90 nm breiten Gates (schmalste Teile des Chips) 90 nm = 1.000tel Durchmesser eines Menschenhaares Strukturen benötigen extrem saubere Umgebung Weiße Blutzelle Der Reinraum Infineon Dresden hat Reinraumklasse 1 = höchste RR-Klasse 1 Kubikmeter Luft darf max. 10 Partikel mit 0,1 Mikrometer und 2 Partikel mit 0,2 Mikrometern enthalten Menschliches Haar Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. Page 9

10 Reinräume der 200mm-Linie Turbulenzarme Verdrängungsströmung (TAV) / Operatorbereich Turbulente Luftströmung/ Servicezone Transport und Lagerung der Wafer in offenen Carrier ISO-Klasse 3 - Operator- Bereich ISO-Klasse 5 - IH- Service- Bereich 100% Filterbelegung Operator- Bereich 30% Filterbelegung Service- Bereich Luftwechselrate: fach/ h Luftumwälzung: 5,6 Mill. m³/h Temperatur: 22,5 ±0,5ºC Luftfeuchte: 37 ± 3 % Filterklasse EU16: Abscheiderate: 99,99995%

11 Reinraumkonzept 200mm / offene Wafer

12 Reinräume der 300mm-Linie Turbulente Luftströmung Transport und Lagerung der Wafer in geschlossenen Behälter (FOUP) RR-Klasse im gesamten Raum RR-Klasse im Minienvironment 0,1 Luftwechselrate: fach/ h 16% Filterbelegung Temperatur: 22,0 ±1,5ºC Luftfeuchte: 41 ± 5 % Filterklasse U 15: Abscheiderate: 99,9995%

13 Reinraumkonzept 300mm / Wafer im FOUP Abscheiderate: 99,9995% Abscheiderate: 99,99995% Max Partikel/m 3 0,1 μm ISO 6 turbulent max.100 Partikel/m3 0,1 μm ISO 2 laminar

14 Handling Konzept zur Minimierung manuellem Handlings Automatisches Wafertransportsystem Conveyor System - 50cm unter der Filterdecke Intra- and Interbay Automatisches Lager ( Stocker ) Geschlossenes MNEV mit Roboter zum Carrierhandling Lifte vom TS zum Equipment Integrierte Bufferplätze mit Send- und Receive-Funktion Vollautomatische Wafer Handling-Tools Sorter/Mapper, Notch Finder Automatisches Carrierhandling durch Roboter automatische Tool Be- und Entladung

15 Automatisierung bei Infineon Dresden Automatisierung: Vorteile für unsere Kunden Schnelle Technologie-Hochläufe Standardisierte Prozesse Optimierte Logistik Exzellente Ausbeuten und Null Fehler Partikelreduktion durch Eliminierung manueller Tätigkeiten Sichere und automatisierte Prozesskontrolle Flexible Kapazität für schnelles Time-to-Market Hohe Flexibilität bei steigendem bzw. sinkendem Bedarf Senkung der Produktionskosten Zuverlässige Produktion mit höchster Qualität Roboter garantieren eine stabile Fertigung Page 15

16 Inhalt Infineon Technologies Dresden Facility und Fertigung Richtlinien und Normen Herausforderungen für ein modernes RR-Monitoring Best Practice RR-Monitoring bei Infineon Dresden Page 16

17 Beispiele relevanter Richtlinien und Normen Informatorisch: FS209E DIN ISO , -2, -8, -9 VDI2083, z.b. Blatt 1, 2, 3, 8, 16 ITRS YE table 3

18 Relevante Richtlinien und Normen (I) FS209E 1963 erste Spezifikation - Federal Standard der USA Nr. 209 Für einzelne Partikelgrößen Festlegung von kumulativen Maximalwerten der Partikelkonzentration 1992 letzte Version E - Airborne Particulate Cleanliness Classes in Clean Rooms and Clean Zones Problem: Die gestiegenen Reinheitsanforderungen der Halbleiterindustrie in den 90er-Jahren nicht mehr darstellbar. Vorteile des FS209E: einfache r Zusammenhang zwischen Klassengrenzwert und Klassenbezeichnung Nach wie vor beste Korrelation zur Messtechnik Seit ISO-Standard Nr

19 Relevante Richtlinien und Normen (II) DIN ISO , -2, -8, -9 EN ISO ist eine Norm für Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche Teile 1 und 2 der Norm lösen den alten US Federal Standard 209E ab die EN ISO baut auf den Fed. Std. auf die Reinraumklassenspezifikationen beider Standards sind miteinander umrechenbar

20 Relevante Richtlinien und Normen (III) Richtlinienreihe VDI 2083 Die Richtlinienreihe VDI 2083 wird bearbeitet vom Fachausschuss der VDI-Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung (VDI-TGA). Dabei ist eine Harmonisierung mit der ISO Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche gegeben. Die verschiedenen Aufgaben und Maßnahmen der Reinraumtechnik hinsichtlich Reinheit der Raumluft eingesetzter Betriebsmittel Arbeitsplatz Prozessmedien Personen werden in der VDI 2083 beschrieben.

21 Relevante Richtlinien und Normen (IV) ITRS Table YE3 Table YE4 Technology Requirements for Wafer Environmental Contamination Control AMC Monitoring Methods

23 Kontaminationsquellen in einer reinen Produktion Umfeld Prozesse Mensch Anlagen Medien

24 Aufgaben und Ziele einer Reinraumtechnik Reduzierung von Kontaminationen Absaugung Filtration- Lüftungstechnik Vermeidung von Kontaminationen Materialauswahl Training Verhalten Messung von Kontaminationen Monitoring von Partikelkonzentrationen (Reinraumklasse) Charaktisierung von luftgetragenen molekularen Kontaminationen (AMC)

25 Kontaminationsarten und Filtertypen Kontaminationsarten Filter Luftgetragene Kontaminationen im Reinraum Luftgetragene Kontamination im Reinraum Partikulär (Partikel oder Tröpfchen/Aerosole) Molekular (Gasmoleküle / Dämpfe) (< 1 nm) Partikulär (Partikel oder Tröpfchen) Molekular (Gasmoleküle / Dämpfe) Absinkende Partikel (>0,1 mm) Schwebende Partikel (< 1µm) Feinststaub (< 0,1µm) Schwebstofffilter (Glasfaser, PTFE) Chemisorptionsfilter (Aktivkohlen, impr., Ionentauscher)

26 Detektion eines Partikels auf einem 200mm Wafer im Vergleich zur Fläche der Stadt Dresden 1µm = 200mm

27 Was genau sind AMC? AMC = Airborne Molecular Contamination Der Begriff wurde Anfang der 1990er Jahre für Luftfremdstoffe in der Reinraumluft gewählt Es beschreibt eine Gruppe von Kontaminanten (Verunreinigungen) Diese Kontaminanten im angelagerten Zustand (z.b. Waferoberfläche) zu unerwünschten chemischen oder physikalischen Veränderungen von Oberflächen Da somit nahezu alle gasförmigen Luftfremdstoffe als AMC gelten, gibt es praktisch keinen Reinraum, der frei von AMC ist

28 Schweißtropfen in einer Flashzelle CA AA PC Kristalline Rückstände (Salzkristalle) verursachen möglicherweise schwachen Kurzschluss zwischen Aktivem Gebiet und dem Floating Gate der Flashzelle (Speicher)

29 Allgemeine Herausforderungen RR-Monitoring nur in production möglich RR über mehrere Gebäude und Ebenen verteilt > 900 Fertigungsanlagen ca. 4km Transportsystem > 100 Roboteranlagen Monitoring teils direkt in Fertigungsanlagen notwendig Einhaltung der spezifizierten RR-Klassen sichert nicht zwangsläufig den Fertigungserfolg! ISO-Klassen für Partikel und besonders AMC spiegeln die Kritizität für das Produkt nicht wieder! Einfluss Partikelspitzen / Einzelevents? Wirkschwellen der AMC (Korrosion, Haze, etc.)?

30 Der Dorfteich ist im Durchschnitt 1m tief Page 31

31 und trotzdem ist die Kuh ersoffen! Page 32

32 Spezielle Herausforderungen in der 200mm-Linie Besonderheiten der 200mm Linie: Der RR bildet die direkte Waferumgebung Weitgehend automatisierte Fertigungsabläufe Mensch zunehmend nur noch mit Kontrollfunktion Durch Menschen getätigte Beobachtungen aussergewöhnlicher Ereignisse fallen weg Ersatz der Kontaminationsquelle Mensch durch die Kontaminationsquelle Roboter Schnellstmögliches Erkennen von Abweichungen gewünschter Qualitätsparameter notwendig ISO-Grenzwerte relativ ungeeignet für Defektbewertung

33 Da ist ein kleiner Unterschied as built Anzahl Messtellen = (m² RR-Fläche)? in production

34 Spezielle Herausforderungen in der 300mm-Linie Besonderheiten der 300mm Linie: Wafer hat praktisch keinen Kontakt zu RR, Minienvironment (MNEV) und FOUP bilden Waferenvironment RR-Einfluss wesentlich geringer ( relaxed CR ), dafür Kontrolle vieler MNEV notwendig Standardisierte Loadports Initialer MNEV Acceptance Test mit jährlichen Routine- Kontrollen Beherrschung eines geeigneten FOUP-Managements zur Vermeidung von Querkontaminationen

35 Konsequenzen Zusammenhang RR-Fläche und Sensordichte entkoppeln Messpunkte nach Prozess- und Technologierelevanz definieren Weitgehend automatisiertes Monitoring zur Kostenoptimierung Integration des Monitorings in die Fertigungslogistik und Datenlandschaft der Produkte (Korelation luftgetragener und produktoberflächenrelevanter Kontaminationen) Nutzung der gleichen SPC-Methoden wie in der Waferfertigung Ziel: Korelation von Abweichungen bei RR-Messungen auf Abweichungen von Qualitätsparametern von Prozeßschritten oder Anlagen Schnellstmögliches Erkennen und Beheben von Abweichungen Page 36

38 Überblick CR cleanliness & climate AMC Monitoring (CR & tools) > 250 sample points ISO class 3 Wafer monitoring NH3 SO2 NOx Ozone NMP Total Acids VOC Alarm and CA by Space tool >20 Si wafer >40 SiN wafer 9 Cu-wafer >700 cards in place

39 Verteilung der Monitoringparameter bei IFD Monitoringsysteme Partikel-Messstellen 37% 49% 39% 10% 14% 20% 12% 19% Wafer AMC Partikel Klima Reinraum (fix) Roboter (mobil) Stocker (fix) Roboter (fix) AMC & Partikel gleichwertig! ~50% mobile Systeme! Page 40

40 Ausgewählte Beispiele Optimiertes RR- und Tool-Monitoring (Partikel) Witness-Wafer-Monitoring Ambient Monitoring Robot Partikelmonitoring auf / mit Robotern

41 Auswahl- und Bewertungskriterien Partikelmonitoring Anzahl Messstellen Anzahl Mess. / Zeit Messzeit Software Reporting Messzeit Partikelgrößen Kosten Invest Flow Kosten Betrieb Alarmprozedur

42 Investkosten Kostenentwicklung CMS vs. Remotesensoren 16/32 Anzahl Messstellen

43 Kombination der Vorteile von Monitoringsystemen Remote Sensor 0,5µ 100% Online-Messung Kostengünstig Robuste Technologie Keine Transportverluste in Schläuchen Einfache Netzwerkkopplung CMS mit 0,1µm Regelmäßiger Baseline- Check bei höchster Empfindlichkeit 2-4 samples / h Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. Page 44

44 Partikelgröße Optimiertes Partikelmonitoring in Roboterzellen 10 Messzeit erlaubt bei 1cfm effektivere Grenzwertkontrolle! 0,1µ Kompromiss für Online-Detektion und Reaktion auf Abweichungen # 1 # 2 0,5µ #1 #2 #3 #4 #5 # Messzeit

45 Monitoring über SPC-Charts Def.: Spec-Grenze (SG) = 5x OEG Kontrollgrenze (OEG) = ISO-Grenzwert Einleitung von Korrekturmassnahmen bei IFD: Spec-Verletzung bei 3x OoC in Folge oder 1x OoS

46 Ausgewählte Beispiele Optimiertes RR- und Tool-Monitoring (Partikel) Witness-Wafer-Monitoring Ambient Monitoring Robot Partikelmonitoring auf / mit Robotern

47 Überblick Wafermonitoringsysteme Wirkung von Kontaminati onen auf Wafer =DEFEKTE! Nitridwafer- Monitoring Substratwafer- Monitoring Cu-Wafer- Monitoring Beispiel einer Auslagestelle Auslagestellen Zur Detektion von Kristallwachstum (TDH) Aufliegende Partikel Betroffenheitsanalyse nach Störungen Verschleiß am TS Aufliegende Partikel Betroffenheitsanalyse nach Störungen Cu-Korrosion Betroffenheitsanalyse nach Störungen

48 Vollautomatisches Wafermonitoring Auslagestelle als virtuelle Fertigungsanlage Testscheiben folgen Arbeitsplan wie ein Produkt Vollständige Integration in die Hochautomatisierung Automatisches Handling Automatischer Transport

49 Workflow Wafermonitoring Transportsystem (Rail) 2. Lot sent to SP 1 3. Measure on SP1 4. lot sent back to sample location 1. Sample location 7 days 5. lot to sample location (robot)

50 Datenaufbereitung via SPC-Chart Bsp.: DD result VM vs. NM Bsp.: Spacekarte (SPC)

51 Ausgewählte Beispiele Optimiertes RR- und Tool-Monitoring (Partikel) Witness-Wafer-Monitoring Ambient Monitoring Robot Robot Partikelmonitoring auf / mit Robotern

52 Dresden: Automatisierung Eigenentwicklung eines Roboter-Prototypen zur Reinraumüberwachung: autonome, multifunktionale und mobile Messplattform Routinemäßige Partikel-, Spurengas-, Klima- und Kontaminationsmessungen Fährt selbstständig in die Ladestation, wenn Akku keine Leistung mehr hat Auswertung der Analytikdaten erfordert genaue Koordination der Messpunkte Überträgt Position und Messergebnisse per WLAN an einen Server Page 53

53 Mobile Messung von RR-Parametern in einem Class-1 Reinraum mittels Mess-Roboter Mobile, multi-funktionelle, selbstnavigierende Plattform für Partikelmessungen AMC-Messungen Ammoniak Total Acid / Chlorine VOC Reaktionspotenzial der Umgebung Klimamessungen Vorteile Keine Probenahmeverluste, Messung am PoI Abarbeitung automatisierter und flexibler Messpläne Messdaten fließen in ein Kontaminationsprofil ( Wetterkarte ) des RR ein

54 Goal: Automated daily contamination profile report of the CR früher: 75 Mess./Monat - manuell jetzt: > 75 Mess./ Tag / Roboter! Ca. 3km Wegstrecke / Roboter / Tag Im RR zurückgelegte Wegstrecke seit 03/09: ca km Sampled data & SPC chart

55 Topics CR monitoring concept Wafermonitoring Ambient Monitoring Robot Partikelmonitoring auf / mit Robotern

56 Partikelmonitoring auf Linearrobotern AP Eth / RS485- Wandler RR- und Anlagenmonitoring! moving counters! 3 counter pro Bay ausreichend Aber: keine Ortsauflösung

57 NH3-Monitoring auf autonomer Robotereinheit Liniengeführtes, autonomes Trägersystem für NH3- Monitoring Ca. 2h pro Umlauf 20 Messpunkte inkl. Laden Einfach umprogrammierbar Keine Behinderung der Linie set date Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. Page 58

60 Bsp.1: Vollständige Linienintegration wichtiger RR-Monitoringsysteme RR-Monitoring Wafer HERO LUNA Stocker SPACE WI / DDE WAC WAC Leitstand TS Ziel: 100% Online-Monitoring der HA mit CA s bei Abweichungen der Partikelkonzentration Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. Page 61

61 Challenge: Internet of Things / Industrie 4.0 Änderung der Spacekarten des LUNA-Monitorings zu Nutzung als Frühindikator für tatsächliche Toolprobleme unabhängig von der RR-Klasse! Im Sinne der Umstellung auf eine Fast Reaction Verlagerung der OoC-Meldungen in die Linie autom. Tool Down!! Durchführung von CA durch das Linienpersonal Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. Page 62

62 Simulation OoC nach neuer Methode an einem MES-Tool 25 22,5 20 Stundenmittelwerte MES SPEC 2 Stundenmittelwerte >0 innerhalb der letzten 2 h 8 Stundenmittelwerte >0 innerhalb der letzten 24 h gleitend 17, ,5 10 7,5 5 2,5 0 Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. Page 63

63 Bsp.2: RR-Monitoring mit Wafercontainern Partikelsensor und Klimamessung Mess-FOUP mit Status Produkt RR-Monitoring in Produkt-APL übersetzt Transport zu den Messstellen durch Transportsystem Ladestation mit Kommunikationsport -> weitere Sensorik nutzbar (beachten: Raum / Energie!) set date Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. Page 64

64 set date Page 65