行业案例
半导体洁净室AMC控制方案
发布时间：
2023-09-23 17:18
来源：
行业背景
半导体制程复杂，对气态分子污染物(AMC)敏感的区域比较多，在腐蚀控制方面，未来几年半导体制造将面临多重挑战。据新版半导体路线图白皮书介绍，传统半导体的尺寸将在2024年达到极限。但是，将有更多种类的新器件、芯片堆叠和系统创新方法来持续计算机性能、功耗和成本的优化。国际器件与系统线路图(IRDS)表示目前芯片成本降低方法主要是通过缩小多晶硅间距、金属互连间距和电路单元的高度，这种现象将持续到2024年。
化学过滤器的生命周期对AMC去除效率影响很大，根据国际半导体技术路线图(ITRS)，对光刻扫描仪晶圆环境AMC管控要求比较严格，无机酸总量目标值0.05ppbv、总碱目标值0.2ppbv、挥发性有机物目标值0.26ppbv。本文介绍化学过滤系统要素，包括AMC污染源、AMC控制目标值、新风化学过滤器与FFU化学过滤器配置方案。
半导体生产制程包含有精密的微机电和积体电路，对生产环境洁净度的要求特别严格，因此其整个制造过程都是在严格控制的洁净室环境下完成的。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、热和电磁，所以需要小心控制与生产者有关的环境，这可能会对产品生产过程和制造质量产生负面的影响。
半导体工艺中，HEPA/ULPA过滤器是控制微粒污染的传统技术。大多数洁净室可以通过HEPA/ULPA过滤器控制大粒径的悬浮污染微粒物，但随着半导体产品工艺尺寸逐渐由0.25um向0.13um，甚至向纳米级的趋势发展，小颗粒污染物对产品的影响越来越大。众多研究表明，洁净室空气中存在的悬浮分子污染物（AMC）会对生产工艺中的产品产生不同成度的影响，严重时会造成致命的产品缺陷和不良。而这些悬浮分子污染物又很难通过HEPA/ULPA过滤器进行处理，所以研究测量并控制AMC含量成为了众多生产商关心的重要问题。
下面我们将简单讲述有关AMC方面的一些知识：
AMC是Airborne Molecular Contamination的缩写，定义为悬浮分子污染物（不是悬浮微粒），大多出现在洁净室和受控环境的大气中。
悬浮微粒以Microns（微米）大小来定义，缩写为：um，微米是过滤行业中描述粉尘粒度和纤维直径最常用的尺寸单位，1um=10-6m。
悬浮分子常以埃为单位，符号为 Å 埃格斯特朗(简称埃，符号Å)是一个长度单位。它不是国际制单位，但是可与国际制单位进行换算，即1 Å = 10^(-10) 米 = 0.1纳米。
气体分子污染物（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、薄膜沉积、多晶硅和硅化物形成、接触成型、光刻等多个关键工艺上对晶片表面、设备表面产生侵蚀，还会产生非控制性硼化物或磷化物掺杂、晶圆表面或光学镜面产生阴霾、微粒产尘等危害，从而大大影响了产品的质量。
根据化学品的特性，在国际半导体设备及材料协会（Semiconductor Equipmentand Materials Tnternational,SEMI）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；第四种是掺杂性污染物，可改变半导体物质之电性能化学元素，如硼、磷、砷和金属离子等。
洁净室中的AMC来源分为外部污染和内部污染，外部污染大致包括烟囱排放、汽车机车尾气排放等，它们通常经由新风空调箱再吸回洁净室内。它的去除方式主要是在新风空调箱内设置对于酸性污染物和碱性污染物可高效净化、针对有机化合物的有限空气洗涤器和作用与酸碱性污染物、有机化合物的化学过滤器。内部污染大致包括化学品、机台设备、洁净室内作业人员、洁净室内建材等。特别是新建的厂房，建筑结构材质、涂料、机台内部材质、接缝密封剂、晶圆储存盒、PVC手套等塑胶材质等都会对环境造成一定的影响。它的去除方式主要是通过高效过滤风机组单元（FFU），主要在微循环风口设置化学过滤器。
化学过滤器的定义为空气分子污染隔离用的过滤器，其原理是通过物理和化学结构来实现。通常实际选用是要根据污染物种类、浓度和处理风量等条件来选择合适的化学过滤器。目前的化学过滤器是选择性的吸附气体，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附现场，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（又成吸附剂）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分为三种，如下：
1）MAU进气口；设置长效性，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。
当前半导体制程技术发展迅猛，芯片线宽已进入纳米级，因此半导体洁净室内AMC的控制更显得重要。在AMC的控制中，首要步骤是通过监测分析识别污染物来源，再通过调整生产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。对于洁净室内部分区域AMC含量的异常波动，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，找到引起波动的真是原因，进而找到有效的处理措施。
AMC污染源
半导体制造的洁净厂房内AMC污染源有可能源于外气、操作人员、制程产生、洁净室用材释气和设备泄漏。源于外气的AMC主要成分包括硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、硫化氢(H2S)、氨气(NH3)、挥发性有机物(VOCs)、臭氧(Os)等；源于操作人员的主要是氨气(NH3)；下表显示按照AMC分类源于半导体工艺制程、洁净室用材释气、外气的AMC主要成分和来源（参见表1）。
气态分子污染物（AMC）对电子半导体制程的影响主要表现为表面分子污染，这是由气态分子和特定表面作用而形成非常薄的化学膜，化学膜通常改变产品表面的物理、电子、化学和光学特性，主要表现在以下几个方面：
· 导致光阻层表面硬化T型缺陷
· 硼磷掺杂不受控
· 导致不能控制蚀刻速度，邻苯二甲酸二丁酯（DOP）易附着于晶片表面形成碳化硅SiC
· 引起阈值电压改变，硼元素、三氟化硼等气态污染物，会引起晶片表面污染
· 污染物气体如氟化氢、氯化氢、硫酸、磷酸、氯气、氮氧化合物等，引起晶片表面污染，导致金属化制程中的金属附着力下降
· 污染气体导致芯片内连接导线因腐蚀而报废
· 造成掩模及步进设备上光学镜面模糊
· 导致设施和设备腐蚀而停机
晶圆表面污染的种类及其对元器件的影响
新风化学过滤器与
FFU化学过滤器配置万案
针对半导体的不同制程工艺，新风化学过滤器与FFU化学过滤器配置方案会因很多因素而改变，比如：室外AMC浓度、洁净室内部产生的AMC浓度、新风比、化滤的使用寿命和效率、化滤覆盖率等。
MAU与洁净室化学过滤系统示意图
配置方案范例
表2是一个新风化学过滤器与FFU化学过滤器配置方案范例，目标AMC是无机酸，假设室外浓度是30ug/m³、化滤要盖率50%、内部产生源10pg/m³，需要满足ITRS对光刻扫描仪洁净室空气和晶圆环境的浓度要求，分别5ppb和0.05ppb，制定的配置方案。根据以下的范例，30%化滤覆盖率是不能满足环境浓度要求；40%化滤要盖率需要提高化滤的终止效率到90%以满足环境浓度要求；50%-75%化滤要盖率是比较合理的配置；化滤覆盖率提高到100%配置过高，反而会提高每年化滤的用量。
针对客户对空气洁净度的不同需求，佰伦净化将通过采样、现场勘测、技术诊断，评估洁净室内、外部空气质量，确认气态分子污染物（AMC）主要成分及浓度，针对性提出最匹配实际环境需求的解决方案，确保降低能耗的同时，达到最佳空气净化效果。
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