分子污染：吹淨(purge)需求的急迫性
Sarah Fister Gate
迷你潔淨環境(minienvironments)、完整的微粒和化學過濾系統、緊密的環境監測、關鍵微影步驟的吹淨(purge)過程，上述的結合能讓晶圓廠操作人員控制污染並改善良率。
表面污染控制已成為半導體與其他高科技晶圓廠製造經理的聖杯，他們急欲提高良率並且避免更換昂貴的零件。當元件尺寸縮小至奈米等級，化學污染物較前世代製程技術更能對潔淨室與設備造成災害。氣體分子污染物(AMC)、表面分子污染物(SMC)與氣體中的污染物都會造成問題，諸如光罩和光學元件劣化(optics degradation)、金屬腐蝕、光阻缺陷與電路缺陷。
好幾種方法可用以控制上述問題：
l 使用氣體分子污染物過濾器(AMC filters)淨化空氣。IEST 35工作群正在訂定標準，以測試整個潔淨室或迷你潔淨環境的氣體分子污染物過濾器。
l 利用超高壓清潔乾空氣(UHP CDA)或惰性的吹淨氣體。
l 使用密封箱隔離晶圓與光罩，以減少空氣接觸。
l 使用叢集設備(cluster tools)，依序完成多項工序，使得最敏感的製程步驟不會暴露於氣體分子污染物，避免形成表面分子污染物。
l 在最敏感的製程步驟之間，使用最短的可能製程等待時間。例如目前幾乎所有的製程微影設備，其塗佈/顯影系統直接與微影步進機連結，儘量減少延誤或曝露於氣體分子污染物。
許多晶圓廠為了讓污染程度維持在容積比十億分之一的低量值(ppbv)或更低的等級，特別是對於精密與昂貴的微影和檢查設備，吹淨潔淨技術(purge technologies)已經成為一個深獲青睞的解決方案。不過這並非放諸四海皆準的解決方案，在對個別設備與整體設施實施污染控制系統時，晶圓廠操作人員必須在隔離、過濾、監測與成本之間找到正確的平衡點。
表面上的問題
於半導體製程，尺寸縮減甚鉅，以至於即使是分子等級的污染物，在無任何化學或電子反應下，仍有能力造成損害。位於美國喬治亞州Doraville的空氣過濾系統製造商Purafil，其技術總監Chris Muller聲稱，「有些化學沉積物(chemical deposits)大到足以視為微粒(particles)，隨著元件尺寸縮減至65奈米或更小，分子污染物的局部凝結或不同分子污染物之間形成的反應產物沉積，能成為橋樑通道，在電路中造成短路，即使不產生腐蝕，仍足以造成問題。」
Balazs Analytical Services公司高級技術顧問Mark Camenzind提及，欲確定空氣或氣體中存在何物，以及在表面何物會引起問題，全在於對分子污染物的了解。Balazs Analytical Services為Air Liquide Electronics U.S. LP的一個事業部門，管理獲得國際標準化組織17025認證的實驗室，此位於加州弗里蒙特的實驗室專精於辨認超痕量污染物(ultra-trace level contamination)。Camenzind敘述，由於某些理由，「最常出現問題的地方就是表面。」
l 表面會由於表面分子污染物(SMC)而劣化，如光學元件、晶圓、光罩與檢查設備的霧狀缺陷(hazing)，或是銅、鋁其他金屬的腐蝕。
l 摻雜物(dopants)在表面的沉積，在高溫製程步驟會擴散到基板(substrate)，影響如電阻率(resistivity)和閾值電壓(threshold voltages)等電性。
l 沉積物會影響下層結構物質，造成磊晶失效(epitaxial failure)或氮化矽、複晶矽、閘極氧化層、阻障層(barrier)與晶種層(seed layers)的缺陷。
l 每個製程步驟的頂面將為下層結構的界面。除了產生一些問題之外，這個界面的污染物尚會造成層間結合失效(adhesion failure)、、接觸電阻(contact resistance)、束縛電荷(trapped charges)與磁性缺陷(magnetic defects)。
Camenzind指出，「10年前，SIA(Semiconductor Industry Association)與SEMI將注意重點放在氣體污染，但是現在ITRS(國際半導體科技藍圖International Technology Roadmap for Semiconductors)更注意到表面與氣體雜質。」
污染物可能為有機、無機、離子或聚合物的組合(polymeric compounds)。Camenzind說，「重要的是，要知道是什麼物質留在晶圓上，必須著眼於污染物對製程的影響。有些污染物如果不影響製程，則不具傷害性。」
乍聽容易，但是要確定是哪種污染物、污染物結合(combination of contaminants)或化學分解物(chemical breakdowns)造成污染，實是難解的魔術方塊。例如，有些含矽化合物可能從每一個表面反彈，但是若與193奈米紫外光反應時，含矽化合物即能分解並產生永遠沉積於光透鏡表面的化合物。
來自週遭空氣的污染物、氣體、從吹淨盒體(purge boxes)和其他材料產生的釋氣(outgass)、異丙醇蒸氣(isopropyl alcohol vapors)、置入零件(incoming parts)與材料、由於維修造成的背面污染，都可能產生表面污染物，以至於造成問題和缺陷。其它分子污染問題可能由於電漿侵蝕密封圈、閘閥以及O型環而造成。如氨(ammonia)、氫氧化四甲銨(tetramethyl ammonium hydroxide，TMAH)和N-methylpyrrolidinone(NMP)等的污染物，現在為製造業環境中同樣重要的關注對象。氨、NMP和氫氧化四甲銨，都被列入SEMI F21-1102標準語言以及SEMATECH 0.25微米製程控制氣體分子污染物指導原則內的鹼性物質類別。
許多的化學污染來源存在於潔淨室環境；但面臨的挑戰在於確定哪些化學品或化學品組合會造成問題，以及哪些是必須加以過濾。Purafil公司的Muller聲稱，「你不能盲目的解決此問題，因為經常出現於環境的許多污染物，其彼此之間可能有互動關係，所以找不到特定解決某一單種化學品的辦法。」
他認為以隔離方法來測試個別化學物的影響是短視的，因為當污染物同時存在於環境中，此法無法分辨結果。「如果將過濾系統專注於單一化學品，無法解決全部的問題。」，例如離子交換過濾器具備極佳的去氨性能，可是無法去除胺。Muller說，「以此法，你可以解決一個問題，不過卻產生了其他問題，最後導致額外的性能損失。」
若試圖要過濾掉環境中的所有化學品，實不具任何良好的財務理由。Muller認為，「不必一直要降低空氣中所有物質的含量，得確認從過濾器可獲得所需要的結果，而毋須花大筆銀子，必須在潔淨室環境以及迷你潔淨環境中，找出正確的污染物含量和正確的控制程度。」
Muller目前經常遇到希望將環境中特定化學物質降低到ppt等級的客戶，而這些客戶不具有支持這種激烈做法的知識。Muller說，「有些業界覺得只因為要進入下一個元件世代，所以必須要較目前擁有更好的空氣品質，不過得考慮成本效益。系統可以設計成以ppt等級控制分子污染物的程度，但必須考量成本效應。正如同為了解決微粒子(particulates)問題，相對於10級潔淨室環境而設計一個1級的潔淨室環境；為了控制分子污染物，相對ppb控制等級而改以ppt等級，也須有顯著的成本考量。」
Muller警告，不應將分子污染控制系統視為可降低成本之處。「由於污染意外會報廢一天的晶圓生產量，與報廢損失相比，分子污染控制系統是筆小數目。僅一天的生產損失就可以造成廠商在元件上數以百萬計的成本損失。」
為進行最佳的財務選擇，晶圓廠應投入時間確認污染意外原因，並探討污染物與大氣中其他化學品的協同效應。Muller認為，「解決方案可能需要三種過濾器以控制三種特定化學品，或者選用一個較不特定的預濾器(pre-filter)，在製程開始階段即應付多種污染物。在一個1級潔淨室，經過4到5段的微粒過濾(particulate filtration)，可能只須一個化學過濾器。但不可能僅靠一個過濾器就能獲得所有的功能。”
在判斷化學過濾器的性能與壽命時，無需僅依靠廠商的數據，因為廠商的廠內自家測試數據(in-house vendor testing data)未必能反映實際的潔淨室狀況或測試規程。Muller鼓勵公司採取以環境條件進行的第三方測試方法，並獲得包括量測以及一些量測結果與代表意義的報告。Muller說，「數年來，我們鼓吹顧客不要單單依靠供應商的效能數據，而要將這些數據作為評估供應商的參考基準，同時還要求進行第三方測試(third-party testing)。」Muller指出這一招將把那些不以客戶最佳利益為導向的廠商給排除出去。
來自麻州Natick的Exponent為一家工程和科學諮詢公司，其管理科學家Allyson Hartzell說，「一旦加了化學過濾器，再定期監測過濾器的效果，可以避免損失。你不能預測過濾器的壽命，因為環境中不同濃度的污染物或意外事件，都會縮短過濾器的壽命，你必須要監視過濾器的上、下游步驟，以決定過濾器的壽命效能」。
吹淨技術趨勢
加入更嚴格的化學過濾系統，為控制空氣與氣體分子污染物的重要步驟，這些解決方案與其他污染控制設備合併使用，亦能發揮作用。在迷你潔淨環境加上額外的過濾器以及吹淨氣體(purge gases)，對極精緻的製程步驟形同加入更進一層的控制。
將製程步驟封閉，以減少來自周遭空氣的污染物，為多年來業界穩定接受的一個潔淨技術趨勢；因為晶圓廠能對廠區小範圍內的重要製程步驟，個別執行特定的污染管制措施，而廠區其他較大的空間，則可降低管制。在晶圓廠奮力於降低表面分子污染物的過程中，也採用了氮氣吹淨潔淨(nitrogen purging)技術。吹淨作業(purging)係將隔離腔體(isolation chamber)內的製程步驟，以超純惰性氣體─氮氣完全的包圍與沖洗，隔離光學路徑(optical path)以及曝露表面(exposed surfaces)的週遭空氣，大幅度的降低表面污染物造成問題的機會。
Camenzind 說，「大部分的300毫米和200毫米晶圓廠，都已經將晶圓放在前開式晶圓傳輸盒(FOUPs)和晶圓盒(pods)內，避免晶圓廠內的晶圓於其壽命過程(lifetime)和空氣接觸」。為了特別支援快速成長的製程技術─以較短波長的深紫外光(DUV)光學生產高密度記憶體與處理器晶片─增加了超高壓吹淨氣體(UHP purge gases)作為額外的污染控制。「較短波長製程，尤其是193奈米製程，未來將在半導體晶圓廠承擔重責。」
為了成功的進行DUV光阻微影製程，必須降低、控制和監測氨氣、胺與NMP等化學品