半导体生产制程包含精密的微机电和积体电路,对于生产环境之洁净度的要求特别严格,因此整个制造过程都在严格控制的环境条件下,也就是一般熟悉的洁净室。
在洁净室技术中,污染不仅包括严格意义上的灰尘的微粒,还包括任何有干扰作用的固体、液体、气体、热、电磁。所以需要小心控制污染控制的生产有关的环境,这可能会有负面影响的过程和产品的质量。
大多数洁净室会避免的悬浮微粒污染,因为微粒为大颗粒,通过HEPA/ULPA过滤器足以控制,但是悬浮分子污染,为小颗粒,传统上,HEPA和ULPA是半导体工艺中赖以控制微粒污染的技术,但随着尺寸由0.25μm快速演进到0.13μm快甚至纳米(<0.1μm)工艺时,越来越多的研究发现,洁净室空气中存在的悬浮分子污染物(AMC),将会对不同用以产生不良的影响,严重时可能对产品造成致命的缺陷而影响良率。
一、AMC定义和分类
AMC是Airborne Molecular Contamination的缩写,定义为悬浮分子污染物(不是悬浮微粒),出现在洁净室和受控制环境的大气中。
悬浮微粒以microns微米来定义(缩写μm),μm是过滤行业中描述粉尘粒度和纤维直径时最常用的尺寸单位。1μm=10-6m
悬浮分子是光波长度和分子直径的常用计量单位。
气态分子级污染物(AMC)是危害生产工艺并导致成品率降低的分子态化学物质,AMC会在半导体制造的栅底氧化、薄膜、多晶硅和硅化物形成、接触成型、光刻等多个关键工艺上造成晶片表面的侵蚀,洁净室设备的腐蚀,非控制性之硼化物或磷化物掺杂,晶圆表面或光学镜面上之阴霾和微粒发生等各种危害,影响产品质量,是半导体制造面临的越来越严峻的问题,也是生产环境控制中急待解决的问题。
根据化学品的特性,在国际半导体设备及材料协会在SEMIF21-1102的标准中将洁净室中的空气污染物分为四种,一是酸性污染物,包括盐酸、硝酸、硫酸、氢氟酸等;第二种是碱性污染物,主要是氨气;第三种是可凝性污染物,指常压下沸点大于室温且会在表面凝结的化学物质但不包含水;第四种是:
1)酸性污染物(Acids,ClassMA) :腐蚀性物质,在化学反应中为电子接受者,例如蚀刻区常用的氢氟酸、盐酸、硝酸与硫酸,外气所进入的二氧化硫等。
2)碱性污染物(Bases,ClassMB),在化学反应中为电子提供者,主要来源为氨。
3)可凝结性有机污染物(Condensables,ClassMC) :通常是指沸点大于150℃ 的有机污染物,容易凝结在物体表面的有机物。
4)掺杂性污染物(Dopans,ClassMD),可改变半导体物质之电性的化学元素,如硼、磷、砷和金属离子等。
二、 AMC的来源和去除方法
洁净室内的AMC来源分为外部污染和内部污染。外部污染大致大致包括烟囱排放,汽机车排放的废气,经由新风空调箱再吸回洁净室内。去除方式主要是新风空调箱内设置对于酸性污染物和碱性污染物高效净化和有机化合物的有限净化空气洗涤器和作用于酸性污染物,碱性污染和有机化合物化学过滤器内部污染大致包括制程化学品、机台设备、洁净室内工作人员和洁净室建材等。特别是新建盖好的厂房(建筑结构材质与涂料、机台内部材质、接缝密封剂、晶圆储存盒、PVC手套等塑胶材质等。去除方式主要是高效过滤风机组单元(FFU),微环境,循环风和设备设置化学过滤器。
化学过滤器定义为空气分子污染的隔离的过滤器,其原理是通过物理和化学结构来实现。通常实际选用时,要根据污染物种类、浓度和处理风量等条件来选择合适的化学过滤器。目前的化学过滤器选择性地吸附气体,而不是机械地“过滤”杂质。吸附是固体物质表面对气体(或液体分子)的吸着现象:其中固体物质是吸附剂,被吸附的物质称为吸附质。吸附可分为物理吸附和化学吸附。
过滤材料是过滤器的核心部分:化学过滤器的吸附材料(又称吸附剂)有多种,如活性炭、氧化铝、沸石、硅胶、离子交换树脂等:其中,活性炭具有巨大的比表面积、广谱吸附性、来源丰富和经济等优点,在化学过滤器中被广泛应用,习惯上称之为活性炭过滤器。化学滤网安装位置大致共有三种,如下:
1)MAU进气口;设置长效型,高风速型(V>2.5m/s)化学滤网。
2)设备进气口之高效过滤风机组单元(FFU)上游处,设置低风速型, (V<1.0m/s)。
3)循环风回风处,设置高效型,高风速型(2.5m/s>V>1.2m/s) 。
三、结语
当前半导体制程技术发展迅猛,芯片线宽已经进入纳米级,因此半导体洁净室内AMC的控制更显重要。在AMC的控制中的首要步骤是通过监测分析,识别污染的来源和通过调整材料和工艺流程以去除污染物。同时在新风、循环风以及机台侧考虑安装合适的化学过滤器,来保护生产环境。第三,对于洁净室内某区域温湿度异常波动,需要巧妙运用在线检测的数据,去系统分析任何一次超出控制的异常情况,找到引起温湿度异常波动的真实原因,从而找到有效的对策以避免问题的再次发生。
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