Partikel und Verunreinigungen auf Wafern und Baugruppen: finden, zählen, Herkunft klären

Ein Partikel ist so lange kein Befund, wie niemand sagen kann, wo es sitzt, wie groß es ist und woher es stammt. Ein Korn auf einem Waferträger zerstört das Produkt in dem Moment, in dem Träger und Wafer zusammengefügt werden. Ein Belag auf einer verschweißten Platine ist entweder harmloser Flussmittelrückstand oder der Grund, warum ein Kontakt in zwei Jahren ausfällt. Der Unterschied zwischen beiden Fällen entsteht nicht beim Zählen, sondern bei der Herkunftsfrage. Dieser Beitrag beschreibt den Weg dorthin: sichtbar machen, messen und klassieren, die Quelle eingrenzen und die Sauberkeitsprüfung so aufsetzen, dass sie oft genug stattfinden kann.

Wichtige Punkte im Überblick

Ein Partikel ist so lange kein Befund, wie Ort, Größe und Herkunft fehlen, denn dasselbe Korn entscheidet an der falschen Stelle über die Funktion und wenige Millimeter daneben über nichts.
Gegen spiegelndes Silizium, Glas und poliertes Lot hilft nicht mehr Licht, sondern anderes Licht: Dunkelfeld lässt den Fund aufleuchten, polarisiertes Licht nimmt den Blendfleck, koaxiale Beleuchtung zeigt flache Strukturen gleichmäßig, und helle Partikel auf hellem Untergrund brauchen streifenden Lichteinfall.
Bei der automatischen Flächenmessung ist der Schwellwert die eigentliche Prüfvorschrift, und eine Referenzaufnahme an einer sauberen Probe zeigt als Nullwert, was diese Einstellung ohne jede Verunreinigung meldet.
Die Form grenzt die Herkunft weit ein, Fasern aus Kleidung und Verpackung, gekrümmte Späne aus einer spanenden Bearbeitung, kugelige Spritzer aus dem Schweißen oder Löten und flach verschmiertes Material dort, wo etwas reibt, und bleibt danach eine Frage offen, klärt eine optionale Elementanalyse am Digitalmikroskop die Zusammensetzung.
Sobald eine Sauberkeitsanforderung nach ISO 16232 oder VDA 19 im Raum steht, ist das Mikroskop der letzte Schritt einer Kette, denn die Extraktion des Bauteils und die Filtration des Spülmediums auf eine Membran liegen davor und sind eigene Geräte und eine eigene Investition.

Warum ein einzelnes Partikel im Halbleiterprozess so teuer ist

Teuer wird nicht das Partikel, sondern seine Vervielfältigung. In einem dokumentierten Fall liegt ein Partikel auf dem Träger, zerstört beim Fügen den Wafer und bleibt anschließend am Werkzeug haften, sodass die nächsten Teile denselben Weg gehen. Aus einem Einzelereignis wird eine Serienschädigung, und der Ausschuss ist bereits produziert, wenn die Analyse beginnt.

Ebenso wichtig ist die Lage. Auf Chipflächen von wenigen Quadratzentimetern, auf denen optische Bauelemente im Bereich von etwa zehn Mikrometern sitzen, entscheidet ein Partikel an der falschen Stelle über die Funktion, während dasselbe Partikel wenige Millimeter daneben bedeutungslos ist. In der Anwendungspraxis taucht dieselbe Frage bei Steckverbindern für Flachbandleitungen auf, wo ein Fremdkörper in der Kontaktzone vor dem Stecken gesucht wird. Eine reine Zahl beantwortet das nicht. Gebraucht werden Ort, Größe und Herkunft. Wer dagegen im Takt an der Station entscheidet, ob ein Träger weiterlaufen darf, führt eine Fertigungsprüfung durch, keine Analyse.

Sichtbar machen: Auflösung und Beleuchtung auf spiegelnden Wafern und Platinen

Die relevanten Größen liegen bei wenigen bis einigen zehn Mikrometern. In dokumentierten Anwendungen wird auf Trägern in einer Spanne von etwa 7 bis 15 µm gearbeitet, auf Chipflächen um 10 µm. Das ist für ein Digitalmikroskop erreichbar, verlangt aber Vergrößerungen weit oberhalb dessen, was ein Stereomikroskop liefert, und einen Hochvergrößerungskopf statt eines Objektivwechsels mitten in der Untersuchung.

Die eigentliche Schwierigkeit ist die Oberfläche. Silizium, Glas, poliertes Metall und Lot wirken als Spiegel, und Reflexionen sind in den Projekten die am häufigsten genannte Hürde. Dunkelfeldbeleuchtung dreht das Verhältnis um: Die glatte Fläche wirft das Licht weg, das Partikel streut es und leuchtet auf. Polarisiertes Licht nimmt spiegelnden Bereichen den Blendfleck, koaxiale Beleuchtung zeigt flache Strukturen gleichmäßig, und helle Partikel auf hellem Untergrund brauchen streifenden Lichteinfall statt mehr Licht. Ob ein Fund aufliegt oder in der Schicht eingebettet ist, klärt oft erst der schräge Blick. Damit zwei Prüfer dieselbe Aufnahme erzeugen, gehören Beleuchtung und Vergrößerung als gespeicherte Einstellung zur Prüfvorschrift.

Zählen und klassieren statt schätzen: automatische Flächenmessung

Von Hand gezählte Partikel unter einem alternden Stereomikroskop ergeben eine Hausnummer, die niemand nachrechnen kann. Die automatische Flächenmessung am Digitalmikroskop trennt Fund und Untergrund über einen definierten Schwellwert und liefert Anzahl, Einzelgrößen, Flächenanteil und Größenklassen als Tabelle. Damit wird aus dem Eindruck eine Zahl, die sich zwischen zwei Prüfern, zwischen zwei Chargen und über Monate hinweg vergleichen lässt, und erst diese Vergleichbarkeit macht einen schleichend schlechter werdenden Reinigungsschritt sichtbar.

Der Schwellwert ist dabei die eigentliche Prüfvorschrift und gehört zusammen mit dem Bild in die Dokumentation. Eine Automatik zählt, was Kontrast erzeugt, und das sind bei nachlässiger Einstellung auch Kratzer, Leiterbahnkanten und Verfärbungen. Eine Referenzaufnahme an einer sauberen Probe zeigt, was die Einstellung ohne jede Verunreinigung meldet, und dieser Nullwert entscheidet, wie belastbar alle folgenden Zahlen sind.

Ganze Baugruppe, kleines Partikel: Stitching und gespeicherte Prüfpositionen

Zwischen der Größe des Fundes und der Größe der Probe liegen mehrere Größenordnungen. Ein Partikel von zehn Mikrometern soll auf einem Wafer von 200 mm Durchmesser oder auf einer vollständig bestückten Leiterplatte gefunden werden, und beides passt nicht in ein Bildfeld, das den Fund auflöst.

Zwei Verfahren lösen das. Stitching setzt viele Einzelaufnahmen zu einem hochauflösenden Gesamtbild zusammen, in dem sich die Fundstelle eindeutig verorten und später wieder anfahren lässt. Gespeicherte Positionen auf einem motorisierten Stativ fahren dieselben Stellen bei jeder Probe automatisch an, sodass aus einer Suche eine definierte Prüfung mit gleichem Umfang wird. In dokumentierten Anwendungen liegen große Wafer und Chipflächen von zwei mal zwei Zentimetern im selben Labor auf demselben Tisch, und nur die gespeicherte Positionsliste hält beide Abläufe auseinander.

Woher kommt es? Abrieb, Späne, Flussmittel und Fremdeintrag unterscheiden

Vor der Zusammensetzung steht die Form, und die grenzt bereits stark ein. Fasern stammen aus Kleidung, Verpackung oder Reinigungstüchern. Gekrümmte metallische Späne kommen aus einer spanenden Bearbeitung im Vorprozess. Kugelige Spritzer entstehen beim Schweißen oder Löten. Flussmittelrückstand fließt um Strukturen herum und bildet Ränder statt Kanten. Abrieb erscheint als flach verschmiertes Material an genau der Stelle, an der etwas reibt. Zusammen mit dem Ort auf dem Bauteil und der Frage, ob der Fund aufliegt oder anhaftet, bleibt selten mehr als eine Handvoll Kandidaten übrig.

Wo die Form nicht weiterhilft, beginnt die Materialfrage, und eine optionale Elementanalyse am Digitalmikroskop beantwortet sie am selben Arbeitsplatz. Ihre Grenzen sind in dokumentierten Anwendungen ebenso belegt wie ihr Nutzen. Halbleiterlabore mit eingespielter elektronenmikroskopischer Analyse beurteilen die Genauigkeit für ihre Fragestellungen als nicht ausreichend. Eine sehr dünne Schicht kann unterhalb dessen liegen, was sich sauber zuordnen lässt. Und in einem Projekt schied das Verfahren aus, weil die Probe unberührt bleiben musste. Diese drei Fälle vorher zu prüfen, spart einen Durchlauf, denn sie hängen an der Probe und nicht an der Sorgfalt.

Technische Sauberkeit nach ISO 16232 und VDA 19: was zum Mikroskop dazugehört

Sobald eine Sauberkeitsanforderung nach ISO 16232 oder VDA 19 im Raum steht, ist das Mikroskop der letzte Schritt einer Kette und nicht die Prüfung selbst. Davor liegen die Extraktion, bei der das Bauteil unter definierten Bedingungen abgespült oder abgespritzt wird, und die Filtration des Spülmediums auf eine Membran. Erst dieser Filter kommt unter das Objektiv.

Dort übernimmt die Funktion zur Restschmutzanalyse: Sie fährt die Filterfläche ab, zählt und vermisst die Partikel, sortiert sie in die genormten Größenklassen und gibt Anzahl und Reinheitsniveau je Klasse als Datei aus. Dabei geht ein Punkt regelmäßig unter: Extraktion und Filtration sind eigene Geräte und eine eigene Investition. Wer nur das Mikroskop plant, hat die halbe Prüfkette geplant.

Im Reinraum arbeiten: Aufstellung, Handhabung und Probenweg

Kommt die Probe aus dem Reinraum, ist ihr Weg Teil des Ergebnisses. Verlässt sie ihn für die Untersuchung, wird der Transport selbst zur möglichen Quelle, und jede gefundene Verunreinigung ist angreifbar. Deshalb steht das Gerät in dokumentierten Projekten im Reinraum, und in einem Labor war bestehendes Equipment dort nicht zugelassen, sodass dieser Bereich ein eigenes Gerät braucht.

Praktisch entscheiden Stellfläche, Materialien und Handhabung. Eine definierte Probenaufnahme, partikelarme Handschuhe und der Verzicht darauf, vor der Dokumentation mit Druckluft zu reinigen, gehören zur Methode. Leiterplatten, die unter einer Flowbox von Partikeln befreit werden, sind in dokumentierten Projekten ein eigener Prozessschritt, und die Prüfung danach ist der Nachweis, dass dieser Schritt funktioniert hat. Zerstörungsfrei bleibt die Reihenfolge in jedem Fall, weil die Probe häufig ein Einzelstück ist.

Externe Analyse oder eigener Arbeitsplatz: die Häufigkeit entscheidet

Akkreditierte Dienstleister liefern belastbare Zahlen, und für strittige Fälle bleiben sie richtig. Ihre Kosten je Probe und die Durchlaufzeit von mehreren Tagen bestimmen aber, wie oft überhaupt gefragt werden darf. In dokumentierten Anwendungen zeigt sich das offen: Die Sauberkeitsprüfung wird wenige Male im Jahr extern beauftragt, und dieselben Anwender halten eine häufigere Prüfung für nötig. Die Entscheidung lautet damit nicht Genauigkeit gegen Genauigkeit, sondern Prüfhäufigkeit gegen Prüfhäufigkeit.

Ein Arbeitsplatz im Haus verschiebt das Zählen und die erste Herkunftsbewertung nach innen und lässt draußen, was einen akkreditierten Nachweis braucht. Der eigentliche Gewinn ist zeitlicher Natur: Liegt das Ergebnis am selben Tag vor, lässt sich eine Verunreinigung noch der Schicht, der Charge oder dem Reinigungszyklus zuordnen, die sie verursacht haben. Eine Woche später ist diese Spur kalt. Zeigt sich, dass nicht das Partikel, sondern die Verbindung darunter versagt hat, führt der Weg in den Querschliff, den der Beitrag „Lötstelle, Bond und Durchkontaktierung: Rissbilder, Poren und Delamination im Querschliff beurteilen" behandelt. Muss die Probe ohnehin in die Elektronenmikroskopie, beschreibt der Beitrag „Wafer- und Chipanalyse im Labor: Digitalmikroskopie vor REM, FIB und Elementanalyse" die Reihenfolge.

Häufige Fragen

F Ab welcher Partikelgröße ist eine optische Analyse sinnvoll?

In dokumentierten Anwendungen liegt der Arbeitsbereich auf Trägern bei etwa 7 bis 15 µm und auf Chipflächen um 10 µm, also bei wenigen bis einigen zehn Mikrometern. Dabei zählt weniger die reine Vergrößerung als die Beleuchtung, weil Wafer, Glas und Lot spiegeln. Deutlich kleinere Funde und Fragen nach ihrer inneren Struktur gehören in ein elektronenmikroskopisches Verfahren.

F Wie kommt man von der Partikelzahl zur Herkunft?

Über zwei Schritte. Zuerst grenzt die Morphologie ein: Fasern, gekrümmte Späne, kugelige Spritzer, verlaufener Flussmittelrückstand und flach verschmierter Abrieb sehen unterschiedlich aus und sitzen an unterschiedlichen Stellen. Bleibt danach eine offene Frage, klärt eine optionale Elementanalyse am Digitalmikroskop die Zusammensetzung, allerdings mit dokumentierten Grenzen bei sehr dünnen Schichten und bei Proben, die unberührt bleiben müssen.

F Was braucht eine Restschmutzanalyse nach ISO 16232 oder VDA 19 zusätzlich zum Mikroskop?

Eine definierte Extraktion des Bauteils und die Filtration des Spülmediums auf eine Membran. Beides sind eigene Geräte und eine eigene Investition. Das Mikroskop übernimmt danach mit der Funktion zur Restschmutzanalyse das Abfahren des Filters, das Zählen und Vermessen, die Einordnung in Größenklassen und die Ausgabe im geforderten Berichtsformat.

F Warum sind Partikel auf Wafern und Leiterplatten so schwer abzubilden?

Weil die Untergründe spiegeln. Silizium, Glas, poliertes Metall und Lot werfen das Licht direkt zurück, sodass der Fund im Blendfleck verschwindet. Dunkelfeld, polarisiertes Licht, koaxiale Beleuchtung und streifender Lichteinfall lösen das je nach Oberfläche unterschiedlich, und die gefundene Kombination gehört als gespeicherte Einstellung in die Prüfvorschrift.

F Wie werden Partikelzahlen zwischen zwei Prüfern vergleichbar?

Durch einen dokumentierten Schwellwert, gespeicherte Beleuchtungs- und Vergrößerungseinstellungen und einen festen Satz von Prüfpositionen, die ein motorisiertes Stativ automatisch anfährt. Eine Referenzaufnahme an einer sauberen Probe zeigt zusätzlich, was die Einstellung ohne jede Verunreinigung meldet. Ohne diesen Nullwert bleibt jede Zahl eine Meinung.

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