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工艺过程的净化

2016-06-03
不管是工艺设备、过滤器、隔断、大气质量监视器的制造者还是晶片制造厂本身，整个行业每个成员都在保持生产环境清洁方面起着作用。如果一个人出差错，其他人都会受到影响。
任何可能的原因都可能引起污染事件：可能是过滤器故障；可能是超过了正常工作期；可能是采用一件新工具或设备将污染引进了工艺过程；也可能是开始时空气质量不好，或者是传感器传递信息不够快或不够详细不能实时响应。
最好是上述所有因素都结合在一起，将过滤器和监视器装进工艺设备中，以便能够监视污染事件。但是，在多数场合下，这只能是将来的设想。在今天的洁净室里，大多数工业公司仍然单独工作，分别对工艺设备、过滤器、设备和晶片进行安装，相互之间没有合作，只是在事后要面对污染问题才走到一起。
因此，如果发生污染事件，生产受到影响，是谁的问题呢？这个问题的答案经常取决于你问谁。

确定事故原因
随着半导体工业向193 纳米光刻技术的发展，已开始对分子污染进行监视和消除。最近国际半导体技术发展蓝图中增加了对酸的控制，更好的解决存在的问题。酸性物质用于洁净室、光刻工艺，裸露的铝和铜晶片和掩模中。
Texas Instruments公司工程师John Degenova博士说：“在工艺设备和室内有很多化学品，但是哪一个是‘坏’的，这取决于你的问题是什么。”来自外部空气的二氧化硫、臭氧和有机物，以及来自厂内的酸、碱、掺杂剂和有机物等都要在成功的AMC控制程序中进行考虑。
化学污染物可能来自厂内任何地方，它们在受控条件下可能正常无害，但是释放出来，即使微量也有毒性。来自洁净室结构材料、晶片工艺设备的释气、晶片包装以及晶片工艺中用的化学品的排放散逸是目前考虑到的主要AMC源。

本图所示的晶片盒可以帮
助改善掩模的安全，防止
有害的污染物。照片由
Entegris股份有限公司提供。

除AMC的酸性在暴露的产品晶片上引起的损害以外，高能激光器增加了与氨水（NH3）反应能力，在光学器件和掩模上形成硫酸铵晶体。时间一长，污染程度增加，模糊度就会更大，从而降低传输性。
一些先进的光刻技术中，即使有少量的碳氢化合物也可是有害的，因为这会增加暴露表面的粘附性，可能引起光化学降解将残余物留在透镜、掩模和镜子上。同样，其他潜在的杂质，例如硅氧烷或者有机磷酸酯，即使数量非常小，也可能有害。
Dave Ruede说：“含硅的有机物也可能成为问题，因为它们对光非常敏感，特别是193纳米的波长。”Dave Ruede是位于加利福尼亚圣迭戈市的Entegris公司气体微污染事业部产品推广主任。
目前，在洁净室里的与化学污染物之间的战争主要围绕在光刻设备和掩模上，因为它们最精密，对生产影响最大。“目前，在污染控制方面重点是掩模和光刻方面”，Ruede说。“随着薄膜越来越薄，对工艺设备的化学纯度要求越来越高”。
因为在工艺过程的各步骤中，晶片受到的风险性最大，许多厂家都在寻找方法利用在洁净室围绕工艺设备建立微环境或小室对这些步骤进行封闭，但是即使这样，仍有问题和风险。例如，如果洁净室内布局允许，可以在洁净室内建造一个小室完成全部光刻步骤。但是如果工艺设备遍及整个洁净室，这就行不通。
或者，在光刻工艺设备中围绕工艺区建造一个微环境，保护设备或产品免受周围空气的污染，但是在设备中用的硅氧烷和氨水如果不进行控制，就会对设备内的晶片或透镜有可怕的影响。
一旦晶片处于受控工艺步骤之外，可将它们放进容器以免受到有害化合物的影响，但是来自使用的塑料晶片盒的释气可能有不利影响。
工艺过程中的其它步骤也有可能产生问题，例如门口区，Degenova说。他预言这是下一个要解决的大的污染挑战。
Degenova说：“晶片工厂的某些问题你永远不可能解决。你只是将一个问题换成了另一个问题”。

小空间占支配地位
为了不用过大的花费解决空气污染问题，洁净室工业正在采用多微环境的概念或者围绕敏感的工艺步骤建造控制过滤空气的气流分区（bubbles）。明尼苏达Minneapolis市的architectural engineering firm公司科学技术部副总裁Mark Johnson 说：“在理论上，如果解决了微环境中的AMC问题，就可放松室内其它地方的空气质量标准要求”。
与对整个室内进行控制相比，这也是一种成本更低的有效方法。
Purafil股份有限公司是位于乔治亚Doraville市的一家空气分子污染物过滤器制造厂。该公司的技术负责人chris Muller也证实了这种趋势。他指出，随着晶片环境缩小，降低成本的力度加大，污染控制的焦点将集中到仅仅围绕晶片和工艺设备的环境。他说：“100％的控制整个车间的清洁水平需要一小时数百次换气量。那是巨大的能量。”
当然，化学过滤器可以保护整个洁净室及其设备，一些工厂确实采用了不同水平的大型化学过滤器，包括空气洗涤器、新风空调机组中的化学过滤器、空气循环系统中的化学过滤器，以及微环境和储料器使用的化学过滤器，但这是费用很高的方法。
同时，大多数工厂的经营者将他们的精力集中在晶片和工艺设备具有最大危险的地方。例如，Muller通常对使用酸的蚀刻区设置过滤器，并在光刻设备周围设置过滤器以清除氨，因为氨可能影响抗蚀剂图形的质量和设备的特性。
然而，这种方法也有它的缺点。最初关心的是如果在高危险区周围建立高度控制的空间，于是工厂管理者就对洁净室本身的环境空气放宽控制，使室内所有的东西暴露着。Muller说：“微环境标准可达到1级 [ISO 3级]，但是放宽了整个洁净室的标准到100 [ISO 5级]。”与通常的车间环境相比，这种方法就使传送过程中的晶片、掩模也即光掩膜和洁净室内其它结构处在空气控制程度较低的地方。
Muller说：“它引起污染问题的连锁反应，导致各单独空间例如晶片和掩模储料器需要过滤器。”
Muller指出，虽然近年来化学过滤器的使用越来越多，在某些地方已经与HEPA或ULPA并驾齐驱，但是也不能仅根需要就直接把化学过滤器装在室内。“每个工厂都在寻找方法进行改造，事后安装化学过滤器，但对于大量工厂来说是不行的。因为需要将它们设计在设备中。”
Purafil正与一些设计者合作，以便把过滤器结合进设备或者至少为过滤器留出空间，以便过后，设备不需要重新改动。
但是，因为工厂里什么都已经就位，Muller说我们只能按照用户的要求去做。TI公司的Degenova 说：“同样，工艺设备制造厂也不愿意将化学过滤器安装在工艺设备中，因为这样会提高工艺设备的价格10％以上，除非有现成的客户。这些设备本来就够昂贵了，我们不打算要求工艺设备制造厂添加过滤器提高价格。即使将来也不想。”
直到制造厂搜集的数据表明，在室内或工艺设备中缺少化学过滤器成为实际问题越来越影响生产，成为不断阻挠污染控制管理者的一个问题。化学过滤器的安装设计问题就会解决了。

问题就在身边
Degenova 发现洁净室的所有污染问题当中，环境空气是最大的挑战。，他说：“在工厂里晶片遇到的空气比其它工艺流体都多。我们过去从未认为空气是一种工艺流体，但是实际上，当晶片处在环境空气中时或者通过工厂传送时，就是工艺过程的一个步骤，不管你是否规定了。”
具有讽刺意味的是，在洁净室里的环境空气是与晶片接触的、受到控制最少的化学品。他说：“对于其他所有化学品来说，不管是液体还是气体，都有严格的规范要求。工艺流体中没有规范要求的就是环境空气。”
Degenova指出，虽然在所有的晶片工厂中，空气都经过清洗并通过空气处理装置进行过滤，其压力和流动都有严格控制，但是不像其它化学品那样在使用前进行严格的化学分析。“从化学角度来说，还没有规定对空气的规范。”
国际半导体技术发展蓝图（ITRS）已经认识到这个问题，并在2005年版中更新了对环境空气的思路。现在该文件规定晶片环境污染控制应包括晶片周围的空间，不管晶片是暴露在洁净室空气中还是储存在容器中或前开口晶片盒（FOUP）中。
但是，Degenova指出，即使晶片完全与环境空气隔离，大多数工艺设备仍然是暴露的，这就有引起污染和担保问题。
工艺设备制造厂扭转局面
多年来，工艺设备制造厂一直是用户保持设备干净和运行的唯一责任者。对于保障活性污染的控制和消除来说，工艺设备的设计是关键问题，HGA公司的Johnson说。加工表面、密封剂、封条、垫片和工艺设备的其它元件，凡是有可能产生或隐藏污染物的，在设计上比以前进行了更加严格的控制，以便满足晶片制造厂的严格的规范要求，而且许多厂家要求作为规范的一部分，设备和设备零件应在洁净的空间中进行组装。
Degenova说，在出现一个问题时，工艺设备制造厂家就会感到压力而尽快解决问题。他说：“我们总是对工艺设备制造厂给予很大的期望，希望工艺设备非常干净符合规范，否则我们就不付款。”他又说，负担完全落在工艺设备制造厂的肩上。“如果在八个月之后透镜起雾需要更换，他们应负责。我们是用户，因此责任在他们身上。”

FOUP通过提供对晶片进行防护，
防止微粒、空气分子污染、
振动和冲击，实现高质量的
生产。照片由Entegris 股份
有限公司提供。

但是这种情况在开始改变，特别是在光刻技术方面，其中包括一些极其昂贵的工艺设备和零件，这里晶片和工艺有极大的污染危险。他说：“现在工艺设备制造厂开始对我们提出规范要求。”他们希望洁净室管理者要遵照执行的空气质量标准规范极其严格，甚至达到不合理的程度。Degenova说，现在细则规定“如果空气不能满足它们要求的清洁水平，担保就不适用。这对工业界问题是非常大的。”目前，他的科技小组正在与工艺设备制造厂讨论如何处理这一新的要求。
他说，不仅要符合和保持工艺设备制造厂的规范，还要对它们进行监测，这几乎是做不到的，因而担保就很难得到保证或信赖。
即使对整个洁净室室配备了化学过滤器，由于有非常多的变量，严格的控制空气质量或测量它们对生产的影响几乎是不可能的。Degenova说：“你可以花上百万美元安装化学过滤器来净化洁净室内所有的空气，但是如何进行监视它们是否起作用呢？现在还没有大量的有效数据能够说明多长时间更换一次过滤器，不更换有什么影响”。即使你知到在标准状态下过滤器的寿命，如果出现异常事件，会发生什么呢？过滤器到达寿命的终点了吗？由于变量太多很难对未来的情况进行预料。

霾可引起空气分子污染。
这里示出的是在透镜元件
上霾的光点。本图由particle
Measuring Systems 公司提供。

总之，Degenova认为化学过滤器是一个好主意，他相信最终可实现高的费用效果比，越来越多的厂家会采用这种方法。“当不使用化学过滤产生足够大的财务 影响时，它们就会开始对空气进行过滤。”

实时监控有复杂的目标
除过滤之外，工业正在寻求对整个空间和微环境的化学成分进行更好的实时监控。对经济可靠的可反复使用的实时传感器的需求日益增长。
Purafil公司的Muller说：“随着要控制的环境污染物的内容扩大，对晶片环境污染控制工作小组的主要挑战之一是在规定的控制水平上实时测量AMC。”
加利福尼亚Milpitas市的Lighthouse Worldwide Solutions公司工程主管Bill shade认为“对来自多个传感器的数据进行综合，使它们与工艺步骤对应起来，是一项巨大的挑战。”
为了跟踪晶片在生产过程中的情况，Lighthouse公司在传感器设计上投入了大量力量，使传感器可以放在工艺设备小室的真空端口或电路上，然后再与工艺软件联系起来。传感器监视器洁净清水平，交叉污染和各工艺步骤产生的副产品，提醒工厂操作者注意问题，并且积累定期检修用的数据。
Shade说：“微环境的传感器向制造厂提供基于批量生产的控制到基于晶片的控制能力，从而改善生产。”污染监视与工艺步骤之间的联系可使操作者能够更迅速地将污染事故与工厂有关区域联系起来。
Lighthouse公司应用技术副总裁Morgan Polen说：“这样就实现了连续实时监控。把数据放到网上，并且一天二十四小时都可以使用，就实时地向管理者提供了范围更宽的信息，这样，在问题发生之前或正在发生时就可采取措施，从而取消了线下再进行解决的事后处理。”
Polen补充说：“Lighthouse公司正在与更多的工艺设备制造厂进行合作，以便将传感器结合进工艺设备中或在工艺设备中留出传感器位置。它具有好的经济意义。”
Degenova期待着有一天能够传输更多的信息，不仅包括空气质量的变化，还包括空气中的化学成分，他说：“今天的传感器还不够灵敏。” 他指出单个传感器不可能监视所有内容。特别是现在还没有好的磷和硼监视器。
Degenova 说：“在你遇到一个污染问题时，需要做的第一件事就是获得一个基准，以便对要检查的参数进行比较，确定是什么外部因素引起的问题。我需要知道是什么化学成分，我好实时处理。要达到这一点还有很长的路要走。”

将来
尽管有很多挑战，Degenova对他的工厂的污染控制前景非常乐观。他说：“过去，我们有的是问题并且没有解决它们的线索。今天我们知道了这么多。我们已经知到了环境空气是一种化学品，它并不友善，就这一点使我们想出了许多办法。今天，我们排除故障时将环境空气包括进去，这使我们解决了许多大的问题。”
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