微污染控制之成功案例
发布时间 2016-07-08 23:29 | 阅读：次| 编辑：admin
随着半导体晶圆关键尺寸微小化、平面显示器面积具大化，先进制程产品正面临微量污染物之严重威胁，为大幅提升产品良率，无尘室管理必须有完整的微污染控制策略。本文汇整过去20几年国内外微污染控制之成功案例，希望藉此经验之传递协助国内业者顺利迈入先进制程。
半导体与光电精密制程之快速演进，趋使无尘室生产环境洁净度要求日趋严苛；国际半导体技术蓝图委员会(International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS)预估至2010年芯片关键尺寸(critical dimension，CD)将缩小至45奈米(nm)，而微污染控制为关键技术之一[1]。
理论上，(微)污染控制最好方式乃由源头着手，了解污染源并予以消除乃为最佳策略。宏观整座无尘室，其污染源概括分为两类：经由外气引进或内部作业所产生；外气污染物主要源自于本身或邻近厂烟囱排放、汽机车或发电机启动、废水处理过程之气体逸散等，而内部作业所产生之污染包括：机台及厂务系统之维修保养(preventive maintenance，PM)、湿式清洗台(wet bench)逸散、无尘室设备(如滤材、塑料手套)材料释气(outgassing)及制程尾气或制程气体管路泄漏等。
微污染定义与分类
广义而言，微污染物包含气态分子(airborne molecular contamination，AMC)及固态微粒(particle)，近来文献将气态污染物归纳为五类，分别为酸(acids，简称MA)、碱(bases，简称MB)、可凝结物(condensables，简称MC)、掺杂物(dopants，简称MD)及其它未分类物(no classes) [2]；根据SEMI F21-1102定义，酸为化学反应中之电子接受者，碱则为电子提供者；可凝结物为水除外在常压下沸点高于室温之物质，且具有在洁净物表面凝结之能力；掺杂物则是指具改变半导体材料电性之元素[3]，五大类气态微污染分类如图一所示。
Forsland等认为无尘室内主要微污染来源有四类，一是制程化学品的泄漏与逸散；其次是人为活动，据研究显示，人活动会产生NH3以及每秒近600颗微粒；再者是无尘室内设备材料本体释气，如自HEPA滤材释出硼及由芯片盒释出DBP(dibutyl-phthalate)和BHT(2,6-di-t-butyl-4-methyl-phenol) [4]；最后是外气，包括O3、SOx、NOx、MA、MB、MC及来自海水之MD[5]。
微污染之影响
无尘室内制程繁复，其中又以微影(lithography)、闸极(gate)及接触层(contact layer)等制程对微污染具高敏感度，然微污染不仅影响制程，对人体健康亦有危害，文献研究指出意外事故或PM所造成之短暂间歇性的高浓度暴露显著危及健康，如肺功能异常、肺癌及自发性流产等症状[6]；对于产品良率之伤害层面更广，如归类于MA的HCl浓度大于28 ppb便可造成肉眼可见之芯片腐蚀[7]、MB中的NH3会造成『T-topping』现象[8]、MC中含6到10个的碳化合物会影响微影制程中光的传递[9]，属MD的硼吸附于芯片后使掺杂物浓度失去控制[10]、一颗粒径为50nm的微粒便会导致一片芯片(die)毁损[11]，因此，微污染监测与控制是缔造高良率产品之重要技术，了解污染源为其首要步骤，以下将对各类微污染来源及其影响举例说明：
MA可能源于外气及内部循环气体，外气主要为烟道排放之制程尾气藉MAU(make-up air unit)吸入厂内，循环气体内之污染物则由wet bench、机台PM及原料或尾气管路泄漏等所贡献。另一特殊情况发生在机台反应腔(chamber)PM后之复机，复机过程chamber压力下降至450 torr以下时，水汽凝结为细水滴，而残留在机台内的微量SO2便与细水滴反应成硫酸(H2SO4)液滴，当压力再回复常压时，液滴中水分蒸发形成浓缩之硫酸液滴，残存于chamber内导致芯片腐蚀[12]。
MB是微影制程特别敏感之污染物，『T-topping』为典型副作用之瑕疵品，Ruede曾发表MB对不同光阻剂的影响，图二即为其实验结果[8]。此外，其它研究发现当晶圆经过使用Cl2的干蚀刻制程后再暴露到无尘室中的微量NH3，晶圆表面将因酸碱反应而产生次微米级之盐类微粒[13]。MB另一影响是线宽改变，实验结果显示晶圆暴露于5 ppb的MB十分钟便造成10-20 nm的误差，比利时的IMEC研发中心进一步研究结果发现，使用ESCAP 248 nm的光阻、暴露于MB浓度为15 ppb之无尘室，导致6 nm/min的关键尺寸误差。MB来源除了未处理干净之进气外，厂内生产作业是主要贡献源，如wet bench光阻逸散造成无尘室持续几小时MB浓度值高达200 ppb；倘若CMP(chemical mechanical polish)制程隔间门被延长开启，将导致微影区的胺类浓度值大幅升高[14]。
MC污染会造成晶圆表面之Si-N膜变为氧化硅(Si-O)，进而导致氮化硅(Si-N)膜之膜厚与纯度同时降低[15]；MC另一影响为改变介电质特性而影响溃电压[16]，或形成Si-C之不纯结构[17]。MC来源除制程原物料的逸散外，设备材质释气是主要来源，如使用塑料材质之芯片盒(wafer cassette)会释出DBP及BHT，由于此二种MC之化学极性偏高，因此于晶圆表面之附着量较多，此问题可用稀释之HF清洗来解决[4]。在多种塑料材质释气实验中发现，PTFE (polytetrafluoroethlene)与PFA(perfluoroalkoxy)的释气(outgassing)量最少[18]；另有文献数据发现作业人员穿戴之手套也是无尘室内MC的污染源，包含橡胶、抗氧化剂、油脂、接口活性剂及无机物等，研究结果也发现橡胶手套(nitrile glove)的污染物逸散量远小于乳胶手套(latex glove)[19][20][21]。
MD来源除外气贡献及无尘室内机台或管路内气体 (如BF3、PH3…)泄漏，还有HEPA滤材的密封胶(sealant)所释放出之有机磷酸盐类(organophosphate)[22]，或是由滤材纤维释出之硼[10]，这些额外的掺杂物会影响电流而导致组件失效或产品良率下降。
其它未分类的污染物来源主要为厂内作业及厂外进气，如PM作业使用IPA、acetone等，而wet bench、TEOS/O3制程及使用DUV之机台等皆可能为O3来源，另台湾夏季高温时大气中O3浓度可高达100 ppb，防范外气污染成为控制重点，研究发现「坏的」O3会影响芯片电容[23]；而另一方面，位于微影区镜片(lens)周围「好的」O3，可以防止有机物沈积、降低镜片雾化发生机率[24]。
Shoko等将各类污染物对不同制程可能产生之影响整理如表一[25]，国际半导体设备及材料协会(SEMI)针对不同等级之无尘室亦订定其污染物容许标准，例如MA-10范围内其总酸性气体最大容许浓度为10 pptM (part per trillion molar)，见表二[3]，而ITRS对不同线宽之制程也提供其建议参考值[1]，如表三所示，这些标准乃是提供无尘室内微污染控制成果之重要参考依据。
污染物之采样分析方法
一般空气以冲击式吸收瓶(impinger)或固气分离采样器取样(denuder)， MA及MB搭配离子层析仪(IC)分析，MD则搭配ICP-MS分析[1][26]，MC或有机MD类则是选用吸附管取样后，搭配热脱附气体层析质谱仪(TD-GC-MS)分析[4][27]。若污染物具极性键结(如C=O、S=O)容易吸附于晶圆表面，可将晶圆暴露于环境中再溶出污染物后搭配气象层析质谱仪(GC-MS)分析[28]，各类污染物采样分析方法整理如表四[29]；在实时监测部分亦有商业化之产品，例如利用污染物与不同金属片(如铜、银及其它金属)反应后之膜厚改变而侦测MA浓度值，其产品如图三[30]；其它如总碱分子实时监测(total molecular base-real time monitor，TMB-RTM)、离子迁移率光谱仪(IMS)，或是将IMS结合MS等，而无选择性的AMC监测仪则有利用压电石英矩阵测量芯片上沈积总质量的设备，但压电石英天平容易受湿度影响，另ppB-RAE则是利用UV光将化学键结打断后以电场分离阴、阳离子，见图四，至于微粒则可使用雷射微粒计数器(laser particle counter)作为实时监测之仪器[18][31][32]，见图五。
Muller认为AMC控制策略有三个步骤，首先评估内外空气质量辨识潜在污染物，其次为运用AMC控制技术改善环境质量，最后持续监测并控制环境[33]，推演其概念可将AMC控制策略汇整如图六；而空气质量评估应注意下列几项原则：
1. 新fab应建立原始背景值，并持续搜集厂内趋势资料。
2. 金属类空气总采样体积必须≧3m3，有机物则需≧0.05m3。
3. 藉由门缝之气流、管路传送等因素，邻近区域会交互污染[34]。
至于化学滤材(chemical filter)测试规范应包含：
1. 过滤效率须大于90％，或使用后污染物浓度应低于1 ppb。
2. 可使用时间须大于1年。
3. 测试浓度须低于100倍之使用条件下浓度。
4. 微影制程区NH3浓度应低于1 ppb。
5. 金属制程区(metallization)环境中HF或Cl2浓度应低于1 ppb[35]。
此外，研究显示用以减少晶圆与外界环境接触之芯片传送盒(front opening unified pod，简称FOUP)，其材质与使用设计亦与微污染相关，不良设计会导致污染物局部累积，因此FOUP之性能评估亦相当重要[36][37][38]。
台湾成功案例
了解污染物主要来源、途径及其影响为控制微污染之首要步骤，以O3为例，来源分布fab内多处，如wet bench、TEOS/O3制程及O3水混合系统等，2003年发表的成功案例发现，臭氧水排放后会释出O3气体，高达102 ppm的O3气体累积于未密封的O3/H2O混合系统内，而由混合系统再逐渐逸散至无尘室。解决方案为于溢流排放管增设U型水封及O3/H2O混合系统加设抽气装置。另一案例为干蚀刻制程后之晶圆释气(wafer outgassing)，近3ppm的SiF4由下货腔(wafer-out chamber)释出，污染周围环境并造成作业员异味抱怨，解决方案为取货前以150 l/min的PN2进行连续150秒之迫净与抽气，经此工程改善后，下货过程之异味与污染源被成功清除，且芯片上之微粒数目也显著减少[39]。过去经验亦显示，产品(wafers & glass substrates)储存区(stocker)曾发生硼的交互污染情形，暂存区内之流场设计与PM周期应仔细考虑。
此外，机台例行PM亦为厂内MA与MB之主要来源，包含机台与管路端拆清过程皆会释出腐蚀性气体，其中etching机台PM时发现高浓度的HCl和HCN、NO3、SiF4及HBr等危害性气体滞留于机台内，而CVD机台PM时亦发现有SiF4、HNO2、HCOOH及NH3等逸散，值得注意的是多数业者管路与dry pump乃委外清理，此为最难管理且容易忽略的部分，研究数据显示管路内的HCl浓度可高达339ppm，拆清过程若未能及时密封处理，高浓度的MA及微粒将随厂内循环气流污染至无尘室各处。此外，使用去光阻剂(如乙醇胺)之机台PM过程会有NH3逸散。
针对PM过程气态污染的控制方式为加设局部抽气装置，并实际评估该装置之捕集效率，以确保能有效改善污染物逸散之问题，而PM过程拆卸下之零组件(parts)应及时以塑料袋密封，尤其是可能产生砷微粒的机台，专家更建议以双层塑料套密封后携出至fab外清理；另要特别关注的是PECVD制程管路拆清需注意安全及微粒污染之危害，研究结果显示此特殊制程管路内微粒之特性会与SiH4结合，并将其包覆于管壁上的粉尘内，拆清过程因粉尘结构受破坏而将SiH4释出，恐造成爆冲并触动厂内VESDA系统(及早型侦烟器之缩写，全名为Very Early Smoke Detector Action)，控制方式为管路缠加热带减少气体与微粒之蓄积，并选用适当的local scrubber处理其尾气[40]。
除污染源之控制外，若能了解气流动向及污染物流布路线更有助于微污染之控制与影响评估，因此要建立无尘室内流场与浓度场模式，并搭配释放追踪气体(SF6)进行实场量测，将所得数据用于修正模式使之更切合实际，如图七所示，结果除能应用于污染源之追踪与影响调查外，亦能套用于气体监测器之布点[41]与厂外污染源贡献量推估，见图八[42]。
完整且积极的微污染控制策略必须要能随时监控无尘室内的环境，最佳方案之一为无尘室回风区以open-path FTIR进行连续性实时监测，如图九所示，同时建立厂内制程原料、机台、管路等电子化系统，并结合化学品流通数据库，见图十[43]，整合此两种系统应用于异常状况(如管路泄漏)发生时，能实时侦测并搜寻数据库找出泄漏源以供厂内应变，使厂内微污染管理更臻完备。
结论
拟定有效的微污染控制策略，须对污染源、途径与产品影响全面了解，对已熟知的污染源(如PM作业逸散、烟囱回流、芯片及芯片盒之释气)应尽速予以消减；对未知污染源，则藉由流场与浓度场模拟分析、实时监测器(如OP-FTIR)或定点采样分析(如TD-GC/MS)予以了解、控制，尔后选用化学滤材搭配微环境(mini-environment)担任最后一道防线之保护；而任何控制措施之有效性与限制性更需经由实测数据获得完全之确认与验证。SST-AP/Taiwan
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作者
施惠雅/工业技术研究院能源与环境研究所副研究员，联络地址：新竹县竹东镇中兴路4段195号51馆11楼1130室；电话：03-5913610；
李寿南/工业技术研究院能源与环境研究所研究员兼室主任。
颜绍仪/工业技术研究院能源与环境研究所研究员。
吕建豪/工业技术研究院能源与环境研究所研究员。
图一：典型五大类气态微污染之分类及代表物。
图二：MB对不同光阻之影响：a)为无停留，b)曝光机台内停留45分钟，c)无尘室内停留45分钟之结果(图片转载自参考文献8)