Temperaturmessung Halbleiter Sachsen: 3 Kalibrierverfahren

Das Wichtigste auf einen Blick

Warum die Halbleiterfertigung hohe Temperaturgenauigkeit verlangt

In Dresden und Sachsen konzentriert sich eine der größten Halbleiter- und Mikrosensorik-Regionen Europas. Infineon und Globalfoundries betreiben hier Fabs mit eng tolerierter Temperaturführung. Schon Abweichungen von einem Kelvin können die Ausbeute senken.

Temperaturkritische Schritte sind das Ausheizen von Photolack bei typisch 90 bis 130 °C, die CVD-Abscheidung bei 400 bis 800 °C sowie Oxidation und Diffusion bei rund 900 bis 1.100 °C. Beim Rapid Thermal Processing erreichen Wafer in Sekunden über 1.000 °C. Diese Temperaturen müssen gemessen und dokumentiert werden.

Der Normenausschuss NMP beim DIN Deutsches Institut für Normung erarbeitet Normen zu Kalibrierung und Prüfmitteln. Welche davon für einen konkreten Messfall relevant sind, hängt von der Messaufgabe und den Anforderungen des Qualitätsmanagements ab.

Die VDI/VDE-GMA Richtlinien zur Temperaturmessung bilden den Stand der Technik ab. Beide Gremien haben Arbeitskreise, die sich mit Halbleiter- und Sensortechnik befassen.

Rechtlich relevant ist das Mess- und Eichgesetz (MessEG). Es regelt unter anderem, wann Messgeräte geeicht sein müssen. In der Halbleiterfertigung geht es meist nicht um eichpflichtigen Verkehr, sondern um industrielle Qualitätssicherung. Dennoch gelten die Grundsätze der Rückführbarkeit.

Ob ein Messgerät eichpflichtig ist, hängt von seiner Verwendung im geschäftlichen Verkehr ab. In der Halbleiterfertigung geht es meist nicht um eichpflichtigen Verkehr; im Zweifel sind die konkreten Einsatzbedingungen zu prüfen.

Für Prozessingenieure in Dresden bedeutet das: Sie müssen ihr Temperaturmesssystem regelmäßig kalibrieren lassen. Die drei folgenden Verfahren decken unterschiedliche Anforderungen ab.

Verfahren 1: Kalibrierung im Festkörper-Fixpunktbad

Die Fixpunktkalibrierung nutzt definierte Phasenübergänge reiner Stoffe. Dazu gehören der Schmelzpunkt von Gallium (29,7646 °C), der Erstarrungspunkt von Zinn (231,928 °C) oder der von Aluminium (660,323 °C). Diese Temperaturen sind international festgelegt und ändern sich nicht.

Ein Sensor wird in eine Fixpunktzelle eingeführt, die den reinen Stoff enthält. Während des Phasenübergangs bleibt die Temperatur konstant. Das Messsignal wird mit dem bekannten Fixpunkt verglichen. So lässt sich die Abweichung des Sensors direkt bestimmen.

Vorteile: sehr hohe Genauigkeit, direkte Rückführung zur PTB, keine Referenzthermometer nötig. Nachteile: nur diskrete Temperaturpunkte, aufwändige Apparatur, meist nur im Labor möglich. Für Halbleiterprozesse mit engen Toleranzen ist das oft die erste Wahl.

In Sachsen bieten spezialisierte Kalibrierlaboratorien Fixpunktkalibrierungen an. Die Zellen werden regelmäßig von der PTB zertifiziert. Die Normen des DIN legen Anforderungen an Bau und Betrieb solcher Zellen fest.

Verfahren 2: Vergleichskalibrierung gegen ein Referenzthermometer

Bei der Vergleichskalibrierung wird der zu kalibrierende Sensor zusammen mit einem Referenzthermometer in ein Temperierbad oder einen Blockkalibrator gebracht. Beide werden auf dieselbe Temperatur erwärmt oder gekühlt. Die Anzeige des Prüflings wird mit der des Referenzthermometers verglichen.

Das Referenzthermometer ist selbst rückführbar kalibriert, oft durch die PTB oder eine DAkkS-Stelle. So entsteht eine Kalibrierkette. Die Unsicherheit des Referenzthermometers geht in die Unsicherheit des Prüflings ein.

Dieses Verfahren eignet sich für einen breiten Temperaturbereich, typischerweise von -80 °C bis 300 °C mit Bädern, mit Blockkalibratoren bis 700 °C. Es ist schneller und flexibler als die Fixpunktkalibrierung. Die Genauigkeit hängt von der Stabilität des Bades und der Qualität des Referenzthermometers ab.

Für die Halbleiterfertigung in Dresden ist die Vergleichskalibrierung oft der Standard. Sie deckt viele Prozesstemperaturen ab und lässt sich in den Wartungsplan integrieren. Wichtig ist die Auswahl eines akkreditierten Labors, das nach ISO/IEC 17025 arbeitet.

Verfahren 3: In-situ-Kalibrierung mit Werksnormal und Rückführung

Die In-situ-Kalibrierung findet direkt am Einsatzort statt, also in der Anlage. Der Sensor wird nicht ausgebaut. Stattdessen wird ein Werksnormal oder ein mobiles Referenzthermometer an den Messpunkt gebracht. Die Anlage wird auf definierte Temperaturen gefahren, und die Sensoren werden verglichen.

Das spart Stillstandszeit und vermeidet Einbaufehler. Allerdings ist die Unsicherheit meist größer als im Labor, weil Umgebungsbedingungen wie Strömung, Strahlung oder Wärmeleitung stören. Zudem muss das Werksnormal selbst rückführbar sein.

In der Halbleiterfertigung Dresden wird die In-situ-Kalibrierung oft für Temperatursensoren in Reaktoren, Öfen und Kühlkreisläufen genutzt. Sie ergänzt die Laborverfahren, ersetzt sie aber nicht. Ein Wechsel zwischen den Verfahren ist üblich, um Kosten und Genauigkeit zu optimieren.

Die VDI/VDE-GMA-Richtlinien geben Hinweise zur Durchführung und zur Bewertung der Unsicherheit. Sie sind ein anerkannter Stand der Technik.

Rückführung zur PTB und DAkkS-Akkreditierung

Die Rückführung zur PTB ist das Fundament jeder Kalibrierung. Die PTB realisiert die gesetzlichen Einheiten, also auch das Kelvin. Sie gibt Normale an akkreditierte Labore weiter. Diese Labore kalibrieren dann industrielle Referenzthermometer. So entsteht eine ununterbrochene Kette bis zum Sensor im Werk.

Die Deutsche Akkreditierungsstelle (DAkkS) akkreditiert Kalibrierlaboratorien nach ISO/IEC 17025. Die Akkreditierung gilt für einen festgelegten Umfang und belegt nicht automatisch, dass ein Labor jeden Sensor und Messbereich kalibrieren kann.

Welche Anbieter aktuell eine gültige Akkreditierung für Temperatur haben, zeigt die öffentliche Datenbank der DAkkS. Sie lässt sich nach Postleitzahl und Messgröße filtern, etwa für Dresden, Leipzig oder Chemnitz. Prüfen Sie den Akkreditierungsumfang für Temperatur, den Messbereich und die kleinste angegebene Messunsicherheit.

Eine DAkkS-Akkreditierung bescheinigt Kompetenz und Rückführbarkeit. Kunden können sich auf die ausgestellten Kalibrierscheine verlassen. Die Scheine enthalten Messunsicherheiten und die Angabe der Rückführung. Für Audits und Kundenanforderungen ist das entscheidend.

Die Teilliste I bei Gesetze im Internet bietet Zugang zu Gesetzestexten, benennt aber nicht automatisch die für den jeweiligen Kalibrierfall einschlägigen Normen. Welche Anforderungen gelten, ist anhand des konkreten Messzwecks, Qualitätsmanagements und Akkreditierungsumfangs zu prüfen.

Auswahl des Verfahrens nach Messbereich, Toleranz und Stillstandszeit

Die Wahl des Verfahrens hängt von drei Hauptkriterien ab: Messbereich, Toleranz und Stillstandszeit. Ein Fixpunktbad eignet sich für enge Toleranzen und diskrete Temperaturen. Die Vergleichskalibrierung deckt breite Bereiche ab und ist flexibel. Die In-situ-Kalibrierung minimiert Stillstand, hat aber größere Unsicherheiten.

Für Halbleiterprozesse mit kritischen Temperaturen, etwa bei der Epitaxie oder Diffusion, ist die Fixpunktkalibrierung oft unverzichtbar. Für weniger kritische Messstellen reicht die Vergleichskalibrierung. In-situ kommt dann zum Einsatz, wenn ein Ausbau zu teuer oder zu riskant wäre.

Ein weiteres Kriterium ist die geforderte Messunsicherheit. Je kleiner sie sein muss, desto aufwändiger das Verfahren. Auch die Anzahl der Sensoren spielt eine Rolle: Viele Sensoren sprechen für rationelle Verfahren wie die Vergleichskalibrierung.

Kosten und Aufwand unterscheiden sich deutlich. Die folgenden Werte sind typische Größenordnungen für DAkkS-kalibrierte Temperatursensoren.

Punktzahl, Messbereich und geforderte Unsicherheit verschieben diese Werte. Verbindliche Angebote geben die Labore auf Anfrage ab.

Dokumentation und Nachweis in der Halbleiterfertigung Dresden

Die Dokumentation ist Pflicht. Jede Kalibrierung muss nachvollziehbar sein. Dazu gehören Kalibrierschein, Messunsicherheit, Rückführung und Datum. In der Halbleiterfertigung Dresden werden diese Nachweise oft digital archiviert und in das Qualitätsmanagementsystem eingebunden.

Ein typischer Ablauf für die Kalibrierung eines Temperatursensors in der Halbleiterfertigung:

Die Dokumentation sollte auch die verwendeten Normen und Richtlinien nennen. Das DIN und die VDI/VDE-GMA bieten die Grundlagen. Bei Audits sind diese Angaben oft entscheidend.

Häufige Fragen

Wie oft müssen Temperatursensoren in der Halbleiterfertigung kalibriert werden?

Das hängt von der Kritikalität und den Kundenanforderungen ab. Üblich sind jährliche Kalibrierungen, bei kritischen Prozessen auch halbjährlich. Die VDI/VDE/DGQ 2618 zur Prüfmittelüberwachung fordert, das Intervall zu begründen und an Belastung und Auffälligkeiten anzupassen. Bleibt eine Messstelle über mehrere Kalibrierungen unauffällig, kann das Intervall länger werden; am Toleranzrand wird es kürzer.

Was kostet eine DAkkS-Kalibrierung in Sachsen?

Eine Vergleichskalibrierung an drei bis fünf Punkten kostet typisch rund 150 bis 400 Euro pro Sensor. Eine Fixpunktkalibrierung liegt pro Fixpunkt bei mehreren Hundert Euro, für drei Punkte mit Kalibrierschein häufig bei rund 1.000 bis 2.000 Euro. In-situ-Einsätze werden nach Tagessatz plus Reisekosten abgerechnet. Verbindliche Angebote hängen von Punktzahl, Messbereich und Unsicherheit ab.

Kann ich meine Sensoren selbst kalibrieren?

Ja, wenn Sie über rückführbare Normale und ein geeignetes Qualitätsmanagementsystem verfügen. Für Akkreditierungen ist jedoch eine DAkkS-Kalibrierung oft erforderlich.

Was bedeutet Rückführung zur PTB?

Die PTB realisiert die Einheiten. Rückführung bedeutet, dass Ihr Messergebnis über eine ununterbrochene Kette mit den nationalen Normalen verbunden ist.

Welche Normen gelten für die Kalibrierung von Temperatursensoren?

Für Kalibrierlaboratorien ist ISO/IEC 17025 relevant; für die Prüfmittelüberwachung wird VDI/VDE/DGQ 2618 herangezogen. Welche DIN-Norm zusätzlich passt, richtet sich nach Sensortyp und Messaufgabe; eine einzelne DIN-Norm gilt nicht pauschal für alle Temperatursensoren.

Bietet die PTB selbst Kalibrierungen für die Industrie an?

Die PTB kalibriert vor allem Normale für akkreditierte Labore. Industrielle Sensoren werden in der Regel bei DAkkS-Stellen kalibriert.