DE10196505T5

DE10196505T5 - Ensemblekollektor, System und Verfahren zur Teilchenüberwachung in Reinraumumgebungen

Info

Publication number: DE10196505T5
Application number: DE10196505T
Authority: DE
Inventors: Brian A. Superior Knollenberg; Glenn W. Niwot Brandon; Bryan Bast
Original assignee: Particle Measuring Systems Inc
Current assignee: Particle Measuring Systems Inc
Priority date: 2000-08-15
Filing date: 2001-08-08
Publication date: 2004-08-12
Also published as: GB2382139A; GB2382139B; AU2001281175A1; US6615679B1; JP2004506222A; JP2007192829A; WO2002013943A3; GB0303601D0; WO2002013943A2

Abstract

Ensemblekollektorsystem (400, 500) zur Bereitstellung einer Ensembleströmung zu einem Teilchendetektor (450, 570), wobei das System aufweist:
mehrere Probenahmeöffnungen (442, 542);
eine Durchflußzelle eines Teilchendetektors, in der durch die Probenahmeöffnungen fließende Fluide ohne Verwendung von Schaltventilen oder anderen Durchflußwählern vereinigt werden;
und eine mit der Durchflußzelle verbundene Auslaßöffnung.

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet der Erfindung
Das technische Gebiet der Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Teilchenüberwachung in Reinraumumgebungen der Fertigungsindustrie für integrierte Schaltkreise, der elektronischen, pharmazeutischen und anderer Industriezweige.
2. Darlegung des Problems
Die Halbleiter- und Datenspeicherindustrien bewegen sich fort von saalartigen Reinräumen mit offenen Prozeßmilieus hin zu geschlossenen Prozeßgeräten mit autonomen Lüftungsanlagen. Jedes Prozeßgerät läßt sich so betrachten, daß es eine Mini-Umgebung aufweist, in der eine oder mehrere Prozeßfunktionen ausgeführt werden. Ein auf einer Mini-Umgebung basierendes Prozeßgerät kann eine oder mehr als eine Reinraumzone enthalten, wobei jede Reinraumzone separate Filtereinrichtungen und Produkttransportsysteme einschließt. Daher enthält eine moderne Fertigungsanlage für integrierte Schaltkreise, gewöhnlich als "Fab" (Fertigung) bezeichnet, typischerweise Hunderte von kleineren, miniaturisierten Mini-Umgebungen. Mini-Umgebungen existieren in einem breiten Größenbereich, wobei eine typische Größe ein Volumen von 3m × 3m × 3m aufweist. Da die Lüftungsanlagen einer Mini-Umgebung dicht am Produkt angeordnet sind, treten extrem isolierte Kontaminationsereignisse auf. Die Kontamination ist oft nicht konstant; vielmehr kann sie Ergebnis eines Prozeßereignisses sein. Folglich können Kontaminationsereignisse räumlich oder chronologisch isoliert sein. Eines der schwerwiegenden Probleme der Fertigungsindustrie für integrierte Schaltkreise sowie anderer Industrie zweige, die sehr reine Umgebungen erfordern, ist der Nachweis dieser isolierten Ereignisse.
In typischen Fertigungsabläufen befördern vorne öffnende Einheitskassetten (FOUPs) Wafer zu den vielen Mini-Umgebungen, Roboter setzen Wafer aus den FOUPs in die Fertigungsprozeßzone um, und nach der Verarbeitung kehren die Wafer zu den FOUPs zurück. Daten aus Mini-Umgebungen zeigen, daß diese nicht so rein sind wie ursprünglich gedacht. Infolgedessen ist für eine Mini-Umgebung eine Teilchenüberwachung erforderlich, und indirekte Lüftung und die untergliederte Natur der Mini-Umgebung macht einen Teilchenzähler mit kleinen Abmessungen und hoher Nachweiswahrscheinlichkeit für ein isoliertes Teilchenereignis notwendig.
Es gibt mehrere dem Fachmann bekannte Grundverfahren zur Überwachung einer Mini-Umgebung. Das erste ist die Verwendung eines zugeordneten Sensors für jede Mini-Umgebung, um eine ständige Überwachung durchzuführen. Ein zweites Verfahren ist die Verwendung eines Multiplexsystems einschließlich eines Schrittschaltsammler- bzw. -kollektorsystems und eines Einzelteilchendetektors. Bei diesem Verfahren werden aus zahlreichen Mini-Umgebungen oder von mehreren Punkten in einer einzigen Mini-Umgebung fortlaufend Proben entnommen und nacheinander in Schritten zu je einer Probe gemessen. Ein drittes, nicht automatisiertes Verfahren verwendet einen beweglichen Sensor, der von einer Mini-Umgebung zur anderen bewegt wird. Der Sensor wird an einer "Teilchenöffnung" an der Mini-Umgebung angebracht.
1 zeigt eine Prinzipskizze eines dem Fachmann bekannten zugeordneten Sensorsystems 100. Ein Prozeßgerät 102 weist eine geschlossene gasförmige Mini-Umgebung 104 auf, die gerade unter Anwendung einer Entnahmesonde 106 überwacht wird, die zur Probenahme über 108 an einen Teilchendetektor 110 angeschlossen ist. Ein zugeordneter Sensor bietet den offensichtlichen Vorteil, daß er die Probenahmezone der Entnahmesonde kontinuierlich überwacht und kurze, intermittierende Ereignisse erfaßt. Ein schwerwiegender Nachteil ist jedoch, daß die Probenahmezone eines zugeordneten Sensors relativ klein ist und typischerweise eine Erfassungsfläche von weniger als 929 cm² (1 Quadratfuß) aufweist. Ein zugeordneter Sensor stellt daher einen begrenzten räumlichen Erfassungsbereich bereit und erfaßt Teilchen nur in der Probenahmezone und nicht an den anderen Orten der Mini-Umgebung. Als Beispiel ist in 2 ein Schema eines Prozeßgeräts 202 abgebildet, das eine Mini-Umgebung 204 und vier Prozeßfunktionen 206, 208, 210, 212 enthält. Die Bewegung eines Halbleiterwafers 214 durch das Prozeßgerät 202 schließt das Durchfahren von Zonen ein, die durch den von gestrichelten Linien begrenzten Bereich 220 bezeichnet sind, einschließlich der Flüssigkeitsumgebungen der Prozeßfunktionen 206, 208, 210. Die Bewegung durch das Prozeßgerät 202 schließt außerdem das Durchfahren einer gasförmigen Reinzone entlang dem durch die Pfeile 230 bezeichneten Weg ein. Ein Wafer von 30,48 cm (12 Zoll) Durchmesser weist einen Oberflächeninhalt von 743,2 cm² (0,8 Quadratfuß) auf. Wenn der exponierte Weg durch die gasförmige Mini-Umgebung des Prozeßgeräts 7,32 m (24 Fuß) beträgt, dann beträgt die effektive exponierte Fläche für den Wafer 1,77 m² (19 Quadratfuß). Ein Teilchenkontaminationsereignis ist im allgemeinen auf eine Fläche begrenzt, die höchsten 929 cm² (1 Quadratfuß) entspricht. Daher würde ein zugeordneter Sensor, der an einem einzigen Punkt entlang dem 7,32 m (24 Fuß) langen exponierten Weg 230 angeordnet ist, ein Kontaminationsereignis nur dann erfassen, wenn das Ereignis innerhalb einiger Zoll Entfernung vom Ort der Entnahmesonde aufträte. Es ist jedoch ökonomisch und manchmal physikalisch unzweckmäßig, eine große Zahl von zugeordneten Entnahmesonden und entsprechenden teuren Teilchenzählern bereitzustellen, um den gesamten Prozeßweg eines Prozeßgeräts kontinuierlich zu überwachen.
In einem verschachtelten bzw. Multiplexüberwachungssystem sind eine Anzahl von Entnahmesonden mit einem Multiplexschrittschaltkollektor verbunden. Eine Prinzipskizze des Multiplexüberwachungssystems 300 ist in 3 dargestellt. Typischerweise wird über den Multiplexschrittschaltkollektor 310 durch eine Pumpe 350 kontinuierlich Fluid von jedem Probenahmepunkt 302 angesaugt. Der Reihe nach wählt die Kollektorsteuerung 312 eine Einzelprobe 320 aus, die durch den Teilchendetektor 330 geprüft wird, während alle anderen Fluidströ me von den nicht ausgewählten Proben in dem Auslaßsystem 340 ausgetragen werden. Ein Multiplex-Schrittschaltkollektorsystem 300 ermöglicht die Überwachung vieler Orte mit einem einzigen Teilchendetektor. Ein Multiplexsystem hat jedoch den Nachteil, daß ein Kontaminationsereignis während einer relativ langen Zeit unbemerkt bleiben kann, bis die Probe von der Sondenposition in dem Multiplexablauf an die Reihe kommt. Tatsächlich kann ein kurzes oder intermittierendes Kontaminationsereignis völlig unbemerkt ablaufen, wenn sein Auftreten nicht mit der Zeitsteuerung des Multiplexablaufs zusammenfällt. In einer Abwandlung, die als Mischfluid-Kollektorverfahren bezeichnet wird, werden an jeden Schrittschaltkollektor zwei Teilchendetektoren angeschlossen. Eine Einzelprobe wird durch den Kollektor ausgewählt und ebenso wie in einem Grundsystem einem Teilchendetektor zugeführt, während die Proben von allen anderen Entnahmesonden kombiniert und als Gemisch dem zweiten Teilchendetektor zugeführt werden. Auf diese Weise wird jeder Probenahmeort der Reihe nach individuell überwacht, während ein kombinierter Mischfluidstrom aus allen übrigen Proben kontinuierlich überwacht wird. Dieses Verfahren ist jedoch kostspielig, da es zwei Teilchendetektoren und einen teuren Multiplexschrittschaltkollektor mit zusätzlichen Steuereinrichtungen erfordert.
Herkömmliche Überwachungssysteme mit Verwendung von Schrittschaltkollektoren zur Überwachung einer Mini-Umgebung an einer Anzahl von Probenahmepunkten entnehmen typischerweise von jedem Probenahmepunkt ein großes Luftvolumen, manchmal mehr als 28,3 l (1 Kubikfuß). Dies kann die gesamte Fluidumgebung schädlich beeinflussen. Die zu den Sonden führenden Röhren beanspruchen einen begrenzten Raum in dem Prozeßgerät. Wenn viele Probenahmepunkte zu überwachen sind, kann es unmöglich sein, für Röhren zu allen Entnahmesonden Zugang zu schaffen. Teilchen in den Röhren, besonders Aerosolteilchen, können sich in den Röhren absetzen, was zu fehlerhaften negativen oder zu niedrigen Meßwerten und zum Verstopfen der Röhren führt. Die bei herkömmlichen Verfahren verwendeten Schrittschaltkollektoren haben typischerweise ein Gewicht in der Grö ßenordnung von 9,06 kg (20 lb) und nehmen ein großes Raumvolumen mit einem Durchmesser von 30,48 cm (1 Fuß) oder mehr ein.
Das bewegliche System hat den Vorteil der niedrigsten Anschaffungskosten. Es hat aber den Nachteil erhöhter Arbeitskosten und eines sehr niedrigen Ausnutzungsgrades.
Auf die oben beschriebenen Probleme bezüglich der Überwachung von gasförmigen Reinraumumgebungen stößt man auch in Bezug auf die Instandhaltung von reinen Flüssigkeitsumgebungen.
Die Fertigungsindustrie für integrierte Schaltkreise, ebenso wie andere Industrien, die Reinraumbedingungen erfordern, benötigt ein Teilchenüberwachungssystem, das einen guten räumlichen Erfassungsbereich ohne wesentliche Zeitlücken auf wirtschaftliche und physikalisch durchführbare Weise bereitstellt.
LÖSUNG
Die in der vorliegenden Patentschrift beschriebene Erfindung stellt einen Ensemblekollektor, ein System und ein Verfahren bereit, welche die oben beschriebenen Probleme mildern.
Ein erfindungsgemäßer Ensemblekollektor vereinigt alle Fluidproben, die in einer Reinraumumgebung entnommen werden, und führt diese Ensembleströmung einem Teilchendetektor zu. Ein Ensemblekollektor weist auf: mehrere Probenahmeöffnungen; eine Abgabeöffnung, die für eine Fluidverbindung zu einem Teilchendetektor eingerichtet ist; und ein zwischen den Probenahmeöffnungen und der Abgabeöffnung angeordnetes Zusammenfluß- bzw. Strömungsvereinigungselement, in dem durch die Probenahmeöffnungen fließende Fluide vereinigt werden.
Nach einem anderen Aspekt weist ein Ensemblekollektor auf: mehrere Probenahmeöffnungen; eine Durchflußzelle eines Teilchendetektors, in der durch die Probenahmeöffnungen fließende Fluide vereinigt werden; und eine Auslaßöffnung.
Ein erfindungsgemäßes System zum Nachweis von Teilchen in einer Reinraumumgebung weist auf: einen Ensemblekollektor mit mehreren Probenahmeöffnungen und einer Abgabeöffnung; mehrere in der Reinraumumgebung angeordnete Fluidquellen, wobei jede der Fluidquellen in Fluidverbindung mit einer der Probenahmeöffnungen steht; einen Teilchendetektor, wobei der Teilchendetektor in Fluidverbindung mit der Abgabeöffnung des Ensemblekollektors steht. Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems weist mehrere Entnahmesonden im Fluidkontakt mit den Fluidquellen auf, wobei jede Entnahmesonde in Fluidverbindung mit einer der Probenahmeöffnungen steht. Vorzugsweise sind die Entnahmesonden isokinetische bzw. geschwindigkeitsgleiche Entnahmesonden. Typischerweise ist die Reinraumumgebung eine Mini-Umgebung eines Halbleiterwafer-Prozeßgeräts. Fluidproben können unter Verwendung einer Hausvakuumleitung oder einer Vakuumpumpe oder einer anderen geeigneten Einrichtung aus der Reinraumumgebung in einen Ensemblekollektor angesaugt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist ein System mehrere Probenröhren auf, wobei ein Ende jeder Probenröhre an einer der Entnahmesonden und das andere Ende der Probenröhre an einer der Probenahmeöffnungen angebracht ist. Vorzugsweise weist ein Ensemblekollektor einen speziellen Kollektoradapter auf, der für eine direkte Montage des Ensemblekollektors an einem ausgewählten Teilchendetektor konstruiert ist. In einer anderen Ausführungsform kann ein System ein Abgaberohr für den Anschluß des Auslasses (der Abgabeöffnung) oder des Ensemblekollektors an den Teilchendetektor aufweisen. Das Abgaberohr hat zwei Enden, wobei ein Ende des Abgaberohrs an der Abgabeöffnung des Ensemblekollektors und das andere Ende des Abgaberohrs am Teilchendetektor angebracht ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Nachweis von Teilchen in einer Reinraumumgebung weist die folgenden Schritte auf: kontinuierliche gleichzeitige Entnahme mehrerer Fluidproben an mehreren Probenahmepunkten in der Reinraumumgebung; kontinuierliches Vereinigen der mehreren Fluidproben zu einem kombinierten Fluidstrom (Ensemblestrom); kontinuierliches Einleiten des kombinierten Fluidstroms in einen Teilchendetektor; und dann Überwachen des kombinierten Fluidstroms mit einem Teilchendetektor. Typischerweise wird jede der Fluidproben durch eine von mehreren Entnahmesonden entnommen, die an den mehreren Probenahmepunkten angeordnet sind, wobei jede der Entnahmesonden in Fluidverbindung mit einer der Probenahmeöff nungen steht. Vorzugsweise wird die Entnahme von Fluidproben isokinetisch ausgeführt. Aus diesem Grunde sind die Entnahmesonden vorzugsweise isokinetische Entnahmesonden. Vorzugsweise ist die Reinraumumgebung eine Mini-Umgebung eines Halbleiterwafer-Prozeßgeräts. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist anwendbar, wenn die Fluidproben gasförmiges Fluid aufweisen und die Teilchen Aerosolteilchen sind. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist gleichfalls anwendbar, wenn die Fluidproben ein flüssiges Fluid aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Prinzipskizze eines dem Fachmann bekannten zugeordneten Sensorsystems;
2 zeigt ein Schema eines Prozeßgeräts nach dem Stand der Technik, das eine Mini-Umgebung, Prozeßfunktionen und einen langen Prozeßweg enthält, auf dem kurze intermittierende Kontaminationsereignisse unbemerkt bleiben;
3 zeigt eine Prinzipskizze eines Multiplexüberwachungssystems nach dem Stand der Technik mit Verwendung eines Schrittschaltkollektors;
4 zeigt ein erfindungsgemäßes System zum Nachweis von Teilchen in einer Reinraumumgebung;
5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Ensemblekollektors und eines erfindungsgemäßen Systems;
Die 6, 7 und 8 zeigen maßstäbliche Ansichten eines als Beispiel dargestellten erfindungsgemäßen Ensemblekollektors;
9 zeigt ein Diagramm, in dem die normierten Teilchenzählwerte von einem herkömmlichen zugeordneten System und von einem erfindungsgemäßen System als Funktion von der Zeit in Minuten aufgetragen sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1. Überblick
Die Erfindung wird nachstehend anhand der 4–9 beschrieben. Dabei versteht es sich, daß die 4 und 5 nicht irgendeinen bestimmten Ensemblekollektor oder ein be stimmtes Teilchendetektionssystem darstellen. Ein Ensemblekollektor, ein Teilchendetektionssystem und ein erfindungsgemäßes Verfahren können in vielen Varianten realisiert werden, die nicht wesentlich von den hierin beschriebenen Ausführungsformen abweichen. Ferner versteht es sich, daß die 6–8 nur Beispiele eines erfindungsgemäßen Ensemblekollektors sind und daß diese Figuren, wie die 4 und 5, den Umfang der Erfindung nicht einschränken, der weiter unten in den Ansprüchen definiert ist.
Der Begriff "Ensemblekollektor" wird gebraucht, um eine erfindungsgemäße Sammler- bzw. Kollektorvorrichtung von anderen, dem Fachmann bekannten Kollektoren zu unterscheiden. Ein erfindungsgemäßer Ensemblekollektor weist auf: mehrere Probeneinlaßöffnungen, ein Zusammenfluß- bzw. Vereinigungselement, in dem die Probenfluide von allen Probenquellen vereinigt werden, und eine Auslaß- oder Abgabeöffnung, durch die der vereinigte Probenstrom zu einem Teilchendetektor fließt. Für alle praktischen Zwecke weist ein erfindungsgemäßer Ensemblekollektor keine beweglichen Teile auf. Im Gegensatz zu Kollektoren, die in Teilchendetektionssystemen nach dem Stand der Technik verwendet werden, enthält ein Ensemblekollektor typischerweise keine Schaltventile, Durchflußwählervorrichtungen und Schaltmechanismen. Außerdem erfordert ein Ensemblekollektor keine Steuervorrichtung zur Zeitsteuerung und zum Umschalten von Ventilen. Als Ergebnis weist ein erfindungsgemäßer Ensemblekollektor körperlich nur einen kleinen Bruchteil der Größe eines herkömmlichen Schrittschaltkollektors auf. Außerdem betragen die Anschaffungskosten eines Ensemblekollektors nur einen kleinen Bruchteil der Kosten eines Schrittschaltkollektors. Ein Schrittschaltkollektor ist praktisch wartungsfrei.
Der Begriff "Ensemblestrom" bezieht sich auf den vereinigten Strom der Fluidproben von einem Ensemblekollektor zu einem Teilchendetektor. Der Begriff "Ensemblestrom" wird zur Unterscheidung von dem Strom benutzt, der in herkömmlichen Systemen gemessen wird, die nicht alle in den Kollektor fließenden Fluidproben gleichzeitig messen.
Die Begriffe "direkte Verbindung" und "direkte Fluidverbindung" und ähnliche Begriffe werden hierin in Bezug auf den Anschluß eines Ensemblekollektors an einen Teilchendetektor benutzt. Die Begriffe bringen zum Ausdruck, daß eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ensemblekollektors ohne zwischengeschaltete Röhren in Fluidverbindung mit einem Teilchendetektor gebracht werden kann. Der Begriff "direkt" oder "direkt montiert an" oder ähnliche Begriffe werden hierin in Bezug auf eine Ausführungsform der Erfindung benutzt, bei der ein Ensemblekollektor direkt mit einem Teilchendetektor verbunden und von diesem getragen wird. Dies steht im Gegensatz zu den Systemen nach dem Stand der Technik, bei denen sowohl der Teilchendetektor als auch andere Komponenten einer Mini-Umgebung einzeln und getrennt durch einen Trägerrahmen oder ein Gehäuse unterstützt wurden. Es versteht sich jedoch, daß ein erfindungsgemäßer Ensemblekollektor bei bestimmten Anwendungen benutzt werden kann, bei denen eine separate Adaptereinrichtung verwendet wird, um die Abgabeöffnung eines Ensemblekollektors mit dem Einlaß eines Teilchendetektore zu verbinden.
Es gibt praktisch keine theoretische Grenze für die Anzahl von Probenahmeöffnungen, mit denen ein erfindungsgemäßer Ensemblekollektor konstruiert und betrieben werden kann. Entsprechend können ein System und ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nur zwei Fluidquellen zur Überwachung aufweisen, oder sie können einige -zig Fluidprobenquellen aufweisen, die durch einen Ensemblekollektor in einen Teilchendetektor fließen sollen.
2. Ausführliche Beschreibung
4 zeigt ein System 400 für den Nachweis von Teilchen in einer Reinraumumgebung 410. Eine Reinraumumgebung 410, typischerweise eine Mini-Umgebung in einem Prozeßgerät, schließt Fluidprobenquellen 420 ein. Fluidproben fließen durch Probenröhren 430 und durch mehrere Probenahmeöffnungen 442 in einen Ensemblekollektor 440. Die durch die Probenahmeöffnungen 442 fließenden Fluide fließen weiter durch Einlaßkanäle 444 und vereinigen sich in dem Strömungsvereinigungselement 446. Die resultierende vereinigte Fluidströmung fließt durch die Abgabeöffnung 448 und das Abgaberohr 452 zum Teilchendetektor 450. Nach der Messung im Teilchendetektor 450 tritt die Fluidströmung durch das Auslaßsystem 460 aus.
5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ensemblekollektors und Systems. Eine Reinraumumgebung 510, typischerweise eine Mini-Umgebung, schließt mehrere Probenahmepunkte 512 ein. Mehrere Entnahmesonden 520, vorzugsweise isokinetische Entnahmesonden ("ISPs"), entsprechen Probenahmepunkten 512. Fluidproben werden durch Entnahmesonden 520 im wesentlichen kontinuierlich von Probenahmepunkten 512 entnommen. Die Fluidproben können mittels Entnahmesonden 520 nach verschiedenen Verfahren entnommen werden, zu denen eine Hausvakuumleitung, eine Vakuumpumpe oder andere Mittel gehören können, in Abhängigkeit davon, ob die Fluidproben flüssig oder gasförmig sind, und von zahlreichen Prozeßvariablen. Die mehreren Fluidproben fließen von den Entnahmesonden 520 durch Probenröhren 530 und durch eine entsprechende Anzahl von Probenahmeöffnungen 542 in den Ensemblekollektor 540. In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Probenröhren 530 aus flexiblem Kunststoff. Die Größe der Röhren kann in Abhängigkeit von der Volumendurchflußgeschwindigkeit der von jeder Entnahmesonde 520 angesaugten Fluidprobe variieren. Die Flexibilität der Röhren und ihr kleiner Durchmesser (typischerweise nicht größer als 6,35 mm (1/4 Zoll) Innendurchmesser) ermöglicht den Zugriff auf eine große Anzahl von Probenröhren in dem Prozeßgerät und darum herum. Daher können Proben von einer großen Zahl von Probenahmepunkten durch eine große Zahl von Entnahmesonden 520 gesammelt und durch Probenröhren 530 zum Ensemblekollektor 540 geleitet werden. Außerdem wird durch den kleinen Durchmesser der Probenröhren die Fluidgeschwindigkeit in den Probenröhren aufrechterhalten, wodurch das Absetzen von Teilchen in den Probenröhren minimiert wird. Die Verbindung der Enden der Probenröhren 530 mit Entnahmesonden 520 und Probenahmeöffnungen 542 kann durch verschiedene Verbindungselemente und andere, dem Fachmann bekannte Mittel erfolgen. Wie weiter unten beschrieben, ist ein bevorzugtes Verbindungsmittel eine Druckdichtung, die durch dichten Kontakt zwischen den Innenwänden der Röhren und den abgeschrägten Enden der Entnahmesonden 520 und Probenahmeöffnungen 542 ge bildet wird. Der Ensemblekollektor 540 ist selbst relativ klein im Vergleich zu Schrittschaltkollektoren, die nach dem Stand der Technik verwendet werden. Wie weiter unten in einem Beispiel beschrieben, kann ein Ensemblekollektor mit sieben Probenahmeöffnungen 542 einen Außendurchmesser von 3,81 cm (1,5 Zoll) und eine Höhe von etwa 2,54 cm (1 Zoll) aufweisen. Da der Kollektor 540 relativ klein und leicht ist, ermöglicht ein Kollektoradapter 560 eine direkte Montage des Kollektors 540 an dem Teilchendetektor 570. In den meisten Anwendungen hat ein erfindungsgemäßer Ensemblekollektor einen Durchmesser von nicht mehr als 7,62 cm (3 Zoll) und eine ähnliche Höhenabmessung. Vorzugsweise wiegt ein Ensemblekollektor weniger als 907 g (2 lb). Typischerweise ist das Gewicht eines Ensemblekollektors nicht größer als 226 g (1/2 lb); und typischerweise nimmt er ein Gesamtvolumen von weniger als 229 cm³ (14 Kubikzoll) ein. Der Kollektor 540 ist typischerweise an der Deckplatte des Teilchendetektors 570 montiert, was ihm ein "stecknadelkopfähnliches" Aussehen gibt, wie in 5 abgebildet. Die Fluidverbindung zwischen Ensemblekollektor 540 und Teilchendetektor 570 wird durch einen Abgabeverbinder 560 hergestellt, der eine Detektoreinlaßöffnung 562 mit Außenanschluß und einen Innenanschluß 564 aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie in 5, ist der Innenanschluß 564 in die Abgabeöffnung 548 integriert. Es versteht sich jedoch, daß die Fluidverbindung zwischen dem Ensemblekollektor 540 und dem Teilchendetektor 570 erfindungsgemäß mit einem von zahlreichen verschiedenen Typen von Verbindungsverfahren und -vorrichtungen hergestellt werden kann. Vorzugsweise erfolgt die Verbindung mit einem einrastenden Schnellverbinder 560. Wie in der Verbindertechnik bekannt, werden bei solchen Verbindern elastische Elemente verwendet, die einrasten, wenn der Ensemblekollektor an den Teilchendetektor angedrückt wird.
Das System 500 bietet dadurch verschiedene Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Die flexiblen Röhren mit kleinem Durchmesser ermöglichen einen bequemen Zugang zu einer großen Zahl von Probenahmepunkten 512 in der Reinraumumgebung 510. Eine Röhre von kleinem Durchmesser erhält die Strömungsgeschwindigkeit aufrecht und minimiert dadurch die Teilchenab scheidung. Der Ensemblekollektor 540 ist klein und leicht und preisgünstig im Vergleich zu Schrittschaltkollektoren nach dem Stand der Technik. Mittels verschiedenen anwendungsspezifischen Adaptern des Kollektors kann der Ensemblekollektor 540 schnell, direkt und bequem an einer Vielzahl verschiedener Teilchendetektortypen angebracht werden. Ein Ensemblekollektor 540 kann schnell und preisgünstig mit einer beliebigen Anzahl von Probenahmeöffnungen 542 konstruiert und hergestellt werden. Ein erfindungsgemäßer Ensemblekollektor enthält vorzugsweise keine Schaltventile, Durchflußwähler oder Schaltmechanismen, die während des normalen Betriebs benutzt werden (obwohl zum Abschalten des Teilchendetektionssystems typischerweise bestimmte Abschalt- oder Nebenschlußvorrichtungen benutzt werden). Die Ausführungsformen des Ensemblekollektors 440 (4) weisen zwar typischerweise Probenahmeöffnungen 442 und Einlaßkanäle 444 mit gleichen Durchmessern und Längen auf, aber diese brauchen nicht einheitlich zu sein. Zum Beispiel kann der Innendurchmesser eines bestimmten Einlaßkanals wesentlich größer ausgelegt sein als bei anderen Einlaßkanälen, um den Strömungswiderstand durch diesen Kanal zu verringern und dadurch die relative Größe der Fluidprobe, die durch den Kanal fließt, zu vergrößern. Auf diese Weise kann die von einem ausgewählten Probenahmepunkt in einer Reinraumumgebung entnommene Fluidprobe gegenüber anderen vergrößert werden, um die Gesamtempfindlichkeit des Teilchendetektionssystems in Bezug auf den gewählten Punkt zu erhöhen.
BEISPIEL 1 Die 6, 7 und 8 zeigen maßstäbliche Ansichten eines als Beispiel dargestellten erfindungsgemäßen Ensemblekollektors. 6 zeigt eine Draufsicht des Ensemblekollektors 600 mit sieben Probenahmeöffnungen und einer Abgabeöffnung. 7 zeigt eine Schnittansicht eines Ensemblekollektors 600. 8 zeigt eine Ansicht von unten. Der Ensemblekollektor 600 eignet sich zum Vereinigen von sieben Fluidproben, die kontinuierlich mit einer Durchflußgeschwindigkeit von etwa 4,045 l/min (1/7 Kubikfuß/min) entnommen und zu einer kombinierten Strömung von etwa 28,317 l/min (1 Kubikfuß/min) vereinigt werden. Das Maß 602, das den Außendurchmesser des Ensemblekollektors 600 darstellt, beträgt 3,81 cm (1,5 Zoll). Die Probenahmeöffnungen 602 weisen Probenahmeöffnungsbohrungen 604 und mit Widerhaken versehene Anschlußstutzen 605 auf. Die Probenahmeöffnungsbohrungen 604 werden mit einem 0,25–28er Innengewinde mit einer Tiefe von 0,825 cm (0,325 Zoll) hergestellt. Die Einlaßkanäle 606 haben einen Durchmesser von 0,239 cm (0,094 Zoll) und eine Tiefe von 2,03 cm (0,80 Zoll), gemessen von der Außendurchmesserfläche 608. Das Widerhakenende 609 des mit Widerhaken versehenen Anschlußstutzens 605 wird in das Ende einer Kunststoff-Probenröhre eingesetzt, um eine Fluidverbindung herzustellen. Wie in den 6 und 7 dargestellt, konvergieren die Einlaßkanäle 606 an dem Strömungsvereinigungselement 610, in dem sich im Betrieb die Fluidproben vereinigen und einen kombinierten Fluidstrom (Ensemblestrom) bilden. Vorzugsweise besteht der Ensemblekollektor 600 aus vernickeltem Aluminium, obwohl auch andere geeignete, dem Fachmann bekannte Materialien eingesetzt werden können.
- Der Ensemblekollektor 600 gemäß 6 und 7 kann mittels einer anwendungsspezifisch hergestellten Abgabeöffnung 620, die speziell an praktisch jeden Teilchendetektor angepaßt werden kann, direkt an einem Teilchendetektor montiert werden. Der als Beispiel dargestellte Ensemblekollektor 600 wurde speziell für die Fluidverbindung und Montage an einem Aerosolteilchendetektor, Modell Airnet 1,0 CFM (Kubikfuß pro Minute) angepaßt, der im Handel von Particle Measuring Systems, Inc. ("PMS"), Boulder, Colorado, beziehbar ist. In dem als Beispiel dargestellten Ensemblekollektor 600 gemäß 6 und 7 funktioniert die Abgabeöffnung 620 als Aufnehmer für die Einlaßöffnung des Airnet Teilchendetektors, die in die Abgabeöffnung 620 eingesetzt wird, um eine Fluidverbindung zwischen dem Ensemblekollektor 600 und dem Airnet-Detektor herzustellen. Das Innendurchmessermaß der Bohrung 624 am Boden des Ensemblekollektors 600 (siehe 8), die durch die Zylinderfläche 621 in 7 begrenzt wird, beträgt 0,869 cm (0,342 Zoll).
BEISPIEL 2
Ein Ensemblekollektor, ein System und ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wurden zur Überwachung von Aerosolteilchen eingesetzt, die in der Wafersortiermaschine einer 300 mm-Fertigung vorhanden waren. Sieben ISP-Entnahmesonden wurden unter Anwendung herkömmlicher Verfahren in dem Prozeßgerät montiert. Eine der sieben Sonden war zentral in der Mini-Umgebung des Geräts angeordnet, die anderen Sonden waren an jeder der Ladeöffnungen und Wafertransportvorrichtungen angeordnet. Die Entnahmesonden waren durch sieben flexible Kunststoff-Probenröhren mit einem Innendurchmesser von 3,175 mm (1/8 Zoll) mit sieben entsprechenden Probenahmeöffnungen eines ähnlichen Ensemblekollektors wie dem in Beispiel 1 beschriebenen verbunden. Durch die sieben Probenahmeöffnungen wurden gleichzeitig und kontinuierlich Fluidproben mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 4,045 l/min (1/7 Kubikfuß/min) entnommen und in dem Ensemblekollektor zu einer kombinierten Strömung von 28,3 l/min (1 Kubikfuß/min) vereinigt. Die kombinierte Strömung vom Ensemblekollektor wurde durch einen Teilchendetektor, ein PMS-Modell Airnet-Aerosolteilchendetektor mit 1,0 Kubikfuß/min, analysiert und gemessen.
Mit einem zugeordneten System, das eine einzige Entnahmesonde und einen zugeordneten Teilchendetektor aufwies, wurde eine Einzelfluidprobe gemessen, die mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 28,3 l/min (1 Kubikfuß/min) kontinuierlich entnommen wurde. Die einzige Sonde war an der gleichen zentralen Stelle, wie oben erwähnt, im Gerät installiert.
Die Ergebnisse der Teilchenzählungsmessungen von dem zugeordneten System und von dem erfindungsgemäßen System sind in dem Diagramm von 9 aufgezeichnet. In dem Diagramm von 9 sind normierte Teilchenzählwerte als Funktion von der Zeit in Minuten aufgetragen. Der zugeordnete Sensor erfaßte nur zwei kurze Kontaminationsereignisse, die in 9 durch den Peak 910 und den Peak 920 dargestellt sind. Der Peak 910 trat bei etwa 11 Minuten auf, und der Peak 920 bei etwa 62 Minuten. Dagegen erfaßte das als Beispiel dargestellte, erfindungsgemäße System und Verfahren Kontaminationsereignisse, die bei 7, 18, 22, 29, 44, 46 bzw. 61 Minuten begannen. Die Teil chenzählwerte, die erfindungsgemäß während der bei 7 und 61 Minuten beginnenden Ereignisse erfaßt wurden, waren sehr groß im Vergleich zu den durch den zugeordneten Sensor erfaßten Ereignissen. Die in 9 als Beispiele dargestellten Ergebnisse demonstrieren den Nutzen eines erfindungsgemäßen Verfahrens und Systems.
Ein Merkmal der Erfindung ist, daß erkannt wird, daß bei vorhandener Kontamination in einem Teil einer Mikro-Umgebung oder einer anderen Reinraumumgebung ein Betrieb der Systeme in der Umgebung nicht wünschenswert ist. Das heißt, in Systemen nach dem Stand der Technik wurden komplexe Schalter usw. verwendet, um zu versuchen, genau festzustellen, wo eine Kontamination auftrat. In der eigentlichen Praxis wird jedoch beim Auftreten irgendeiner Kontamination das System abgekoppelt, bis die Kontamination behoben ist. Im allgemeinen wird während der Stillstandszeit das System unter Anwendung herkömmlicher Verfahren überprüft. Wenn daher das erfindungsgemäße System in Kombination mit den allgemeinen Verfahren nach dem Stand der Technik eingesetzt wird, ist es sowohl praktisch und effizient als auch wirtschaftlich.
In einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ensemblekollektors weist der Ensemblekollektor eine Durchflußzelle eines Teilchendetektors auf. Wie zum Beispiel in 4 erkennbar, kann eine Teilchendetektions-Durchflußzelle 460 zwischen dem Strömungsvereinigungselement 446 und der Abgabeöffnung 448 angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform erfolgt der Teilchennachweis der kombinierten Strömung innerhalb des Ensemblekollektors selbst, wodurch es unnötig wird, die vereinigten Durchflußproben vom Auslaß des Kollektors zu einer separaten Teilchendetektoreinheit fließen zu lassen.
Es ist beschrieben worden, welche Ausführungsformen der Erfindung gegenwärtig als bevorzugt angesehen werden. Es versteht sich, daß die Erfindung auch in anderen konkreten Formen ausgeführt werden kann, ohne von ihrem Grundgedanken oder wesentlichen Eigenschaften abzuweichen. Zum Beispiel ist die Erfindung zwar im Sinne eines Luftteilchendetektionssystems beschrieben worden, kann aber auch in Wasser-, Chemikalien- und andere Nachweissysteme integriert werden. In Kombination mit dem Ensemblekollektor können viele andere Verbindungselemente und Öffnungen verwendet werden. Nachdem jetzt die Möglichkeit und die Vorteile eines Ensemblekollektors offenbart worden sind, können ferner viele Modifikationen und Abwandlungen der offenbarten Grundgedanken entworfen werden. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher als erläuternd und nicht als einschränkend anzusehen. Der Umfang der Erfindung wird in den beigefügten Patentansprüchen angegeben.
Zusammenfassung
Ensemblekollektor, System und Verfahren zur Teilchenüberwachung in Reinraumumgebungen
Ein System zum Nachweis von Teilchen in einer Reinraumumgebung weist auf: einen Ensemblekollektor (440) mit mehreren Probenahmeöffnungen (442), einer Abgabeöffnung (448) und einem Strömungsvereinigungselement (446) ohne Schaltventile oder andere Durchflußwähler, das alle Probenahmeöffnungen mit der Abgabeöffnung verbindet. In einer Ausführungsform ist der Ensemblekollektor (540) mit einem Schnappverbinder direkt an einem Teilchendetektor (570) montiert. Mehrere Fluidquellen (420) sind in einer Reinraumumgebung (410) angeordnet, wobei jede der Fluidquellen in Fluidverbindung mit einer der Probenahmeöffnungen (442) steht.

Claims

Ensemblekollektorsystem (400, 500) zur Bereitstellung einer Ensembleströmung zu einem Teilchendetektor (450, 570), wobei das System aufweist: mehrere Probenahmeöffnungen (442, 542); eine Durchflußzelle eines Teilchendetektors, in der durch die Probenahmeöffnungen fließende Fluide ohne Verwendung von Schaltventilen oder anderen Durchflußwählern vereinigt werden; und eine mit der Durchflußzelle verbundene Auslaßöffnung.
Ensemblekollektor (400, 500) zur Bereitstellung einer Ensembleströmung zu einem Teilchendetektor (450, 570), wobei der Kollektor aufweist: mehrere Probenahmeöffnungen (442, 542); eine Abgabeöffnung (448, 548), die an eine Fluidverbindung zu einem Teilchendetektor angepaßt ist; und ein Strömungsvereinigungselement (446, 546), das keine Schaltventile oder anderen Durchflußwähler aufweist, wobei das Strömungsvereinigungselement alle Probenahmeöffnungen mit der Abgabeöffnung verbindet.
Ensemblekollektor (400, 500, 600) zur Bereitstellung einer Ensembleströmung zu einem Teilchendetektor (450, 570), wobei der Kollektor aufweist: mehrere Probenahmeöffnungen (442, 542, 604); eine Abgabeöffnung (448, 548, 620), die an eine direkte Fluidverbindung zu einem Teilchendetektor angepaßt ist.
Ensemblekollektor nach Anspruch 3, wobei der Ensemblekollektor direkt an einem Teilchendetektor angeordnet ist.
Ensemblekollektor nach Anspruch 3, wobei der Ensemblekollektor weniger als 226 g (1/2 lb) wiegt.
Ensemblekollektor nach Anspruch 3, wobei der Ensemblekollektor ein Gesamtvolumen von weniger als 197 cm³ (12 Kubikzoll) aufweist.
System zum Nachweis von Teilchen in einer Reinraumumgebung (410, 510), das aufweist: einen Ensemblekollektor (440, 540, 600) mit mehreren Probenahmeöffnungen (442, 542, 604) und einer Abgabeöffnung (448, 548, 620) und ohne Schaltventile oder andere Durchflußwähler; mehrere Fluidquellen (420, 520), die in der Reinraumumgebung (410, 510) angeordnet sind, wobei jede der Fluidquellen in Fluidverbindung zu einer der Probenahmeöffnungen steht; einen Teilchendetektor (450, 570), wobei die Abgabeöffnung des Ensemblekollektors in Fluidverbindung mit dem Teilchendetektor steht.
System nach Anspruch 7, das ferner mehrere Entnahmesonden (512) aufweist, die im Fluidkontakt mit den Fluidquel- len stehen, wobei jede der Entnahmesonden in Fluidverbindung mit einer der Probenahmeöffnungen steht.
System nach Anspruch 7, wobei die Entnahmesonden isokinetische Entnahmesonden sind.
System nach Anspruch 7, wobei die Reinraumumgebung eine Mini-Umgebung eines Halbleiterwafer-Prozeßgeräts ist.
System nach Anspruch 7, das ferner mehrere Probenröhren (530) aufweist, wobei ein Ende jeder Probenröhre an einer der Entnahmesonden und das andere Ende der Probenröhre an einer der Probenahmeöffnungen befestigt ist.
System nach Anspruch 7, wobei der Ensemblekollektor (540, 600) in direkter Fluidverbindung zu dem Teilchendetektor steht.
System nach Anspruch 7, wobei der Ensemblekollektor (540, 600) direkt an dem Teilchendetektor angeordnet ist.
System nach Anspruch 7, das ferner eine Abgaberöhre (452) mit zwei Enden aufweist, wobei ein Ende der Abgaberöhre an der Abgabeöffnung des Ensemblekollektors und das andere Ende der Abgaberöhre an dem Teilchendetektor befestigt ist.
Verfahren zum Nachweis von Teilchen in einer Reinraumumgebung (410, 510), mit den folgenden Schritten: kontinuierliche gleichzeitige Entnahme mehrerer Fluidproben an mehreren Probenahmepunkten (420, 520) in der Reinraumumgebung; kontinuierliche Vereinigung aller von den mehreren Fluidproben zu einem kombinierten Fluidstrom; kontinuierliches Einleiten des kombinierten Fluidstroms in einen Teilchendetektor (450, 570); und Überwachen des kombinierten Fluidstroms mit dem Teilchendetektor.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei jede der Fluidproben durch eine von mehreren Entnahmesonden (512) entnommen wird, die an den mehreren Probenahmepunkten angeordnet sind, wobei jede der Entnahmesonden in Fluidverbindung mit einer der Probenahmeöffnungen steht.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Entnahme von Fluidproben isokinetisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Reinraumumgebung eine Mini-Umgebung eines Halbleiterwafer-Prozeßgeräts ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Fluidproben ein Fluid aufweisen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus gasförmigem Fluid, Aerosolteilchen und flüssigem Fluid besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Teilchendetektors (570), mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Teilchendetektors (570) und eines Ensemblekollektors (540); Montieren des Ensemblekollektors direkt an dem Teilchendetektor.