| 晶圆/晶圆盒表面状态对氮气净化处理的影响 |
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| 作者：未知 来源：compotech 点击数：782 更新时间：2006-8-26 |
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半导体晶圆在晶圆厂的时间通常有80%以上花费在等待、运输与储存方面。在这些长时间的非处理时期，洁净室空气、结构材料和/或先前处理工序可能会对晶圆表面造成分子级污染。随着关键尺寸的持续缩小以及新技术/材料/处理方法的推出，设备对空气分子污染物(AMC)已经变得更加敏感。
惰性气体相对安定 氮气净化成新宠
惰性气体净化是一种提供化学洁净与稳定晶圆环境的技术。这种技术尤其有助于去除来自先前处理工序的逸散/残留气体，特别是腐蚀性气体。氧化、接触形式、酸蚀刻以及光刻都是首先需要这种技术能力的处理方法。铜互连与低-K电介质的面世进一步推动了这种需求。氧气与湿气的存在能够影响自然氧化层的发展，减少硅化物的厚度，进而提高表面电阻，生成微粒、引起腐蚀，并加速化学污染。
由于其高反应性以及和邻近水分子和/或其它化学物类形成氢键的可能性，湿气比氧气和大部分其它化学物类更难从晶圆环境中清除。惰性气体微环境也许是晶圆储存与运输的理想型解决方案，能够为对氧气及湿气敏感的产品或工序提供保护。C. Weibe、S. Abu-Zaid和H. Zhang发现持续用氮气进行晶圆盒净化能够长期显著减少硅表面的自然氧化层再生率。K. Keyhani、S. Abu-Zaid和H. Zhang则提出一种惰性气体幕墙法，以便有效净化向前端微环境开放的晶圆盒。
决定净化效率的参量包括吹气流率、形式、污染物的排放及其与系统表面的交互作用。总体而言，污染物的消耗率根据以下方程序计算：
Vdc/dt = S + A - Uce (1)
其中V代表系统容量，U代表吹气流率，c代表污染物的平均浓度，而ce 表示排放浓度。内部来源的污染率S是材料属性、污染物的局部浓度、几何因素以及热力环境(温度与压力等)的复杂函数。除了这些参量，周边污染物浓度ca 也是周边污染率A的决定因素，A代表排放中的渗漏以及反行扩散的影响。这两个量提供了给定吹气流率下的污染物极限(最低)水平。
对症下药 直接切中导致湿气浓度升高的原因
经过惰性气体净化之后，晶圆盒内的湿气与氧气浓度因除气作用、解吸附作用、渗透以及泄漏而随时间提高。除气作用/解吸附作用是造成湿气浓度升高的主要原因，尤其是在短时期内。包括吸收(溶入聚合体)、扩散(透过聚合体扩散)以及解吸附作用(从聚合体蒸发)在内的分子渗透是相对缓慢的作用机制，仅在长期过程中才显得重要。这项研究以不同的晶圆/晶圆盒表面状态对氧气/水进入曲线进行了比较。在线性扩散范围内，渗透及泄漏导致分子浓度的指数表现随时间变化。
c = ca - c0EXP(-gt/V) (2)
其中c 表示物类a的平均浓度，c0 表示其起始值，ca 表示周边环境的值，V是容器容积，而g代表泄漏率。为了使除气作用/解吸附作用以及不均匀性的影响降至最低，泄漏率应该取决于经过相对深层次净化后的充分扩展时间量程的进入曲线。
该氮气净化测试采用Asyst的300毫米SMIF-E-charger进行。这项测试采用了AMETEK氧气分析仪TM-1b进行氧气浓度测量，并采用一部PANAMETRICS系列35湿气监控仪测量局部水气浓度。晶圆盒内放置了24块晶圆，腾出顶部位置用于各项测试。在12号与13号晶圆之间抽取了空气样本用于测量氧气浓度，而湿气感应器就放置于晶圆区及晶圆盒入口之间。为评估晶圆与晶圆盒对净化及进入处理的表面影响，测试采用了干式与湿式晶圆与晶圆盒环境。
为模拟湿式晶圆与晶圆盒环境，测试前晶圆已由Eclipse 300系统进行清洁。标准的SC-1清洁处理耗时约40分钟。在测试前夜，晶圆盒被放置于晶圆厂环境中(40% RH)。为模拟干式晶圆与晶圆盒环境，测试前内置有24个晶圆的晶圆盒以15 LPM的吹气流率进行了连续3个小时的净化。表1列举了测试环境，每项净化测试使用了多达300升氮气。经过各项净化测试之后，晶圆盒被置于开孔工作台上方约1英吋处长达两个小时，而在进入测试期间(无氮气流)对氧气与湿气浓度也进行了测量。
实验结果讨论
表2列举了测试过程中的氧气与湿气浓度。测试表明晶圆盒内的氧气浓度在净化与进入处理期间几乎与晶圆和晶圆盒表面状态无关。关闭氮气流后，氧气浓度在两个小时内可从100 ppm 上升至3.2%(32,000 ppm)。氧气每分钟平均进入率约为0.027%。另一方面，晶圆/晶圆盒表面状态显著影响了湿气净化与进入处理。对于湿式晶圆/晶圆盒而言，快速净化后的湿气水平约为3%RH。在氮气流关闭两个小时后，湿气浓度上升至30%。对于干式晶圆/晶圆盒而言，快速净化后的湿气浓度约降至1.7%RH。在氮气流关闭两个小时后，湿气浓度回升至18%。
水分子与固体表面的相互作用很强。因而可预测，经由通气过滤器发生的泄漏与其它机制相比，尤其是与湿气除气作用/解吸附作用相比，显得无足轻重，却是水气回升的最重要因素。该预测被本文所列的实验结果所证实。
另一方面，氧气分子更易于透过进/出气阀上的过滤器而扩散。对氧气而言，泄漏率是进入处理的主要作用因素。因此，泄漏结果导致分子浓度的指数表现随时间变化。本文中，泄漏与进入曲线支持方程式2中的经验指数。对于一个确定的净化系统，其泄漏率也已确定。经过两个小时的进入测试，所有6个测试案中的氧气浓度均处在3.1%~3.4%之间。由此可推导以下结论：
●晶圆盒内的氧气浓度在净化与进入处理过程中几乎与晶圆/晶圆盒表面状态无关。
●晶圆/晶圆盒表面状态对湿气净化及进入处理的影响显著。
●晶圆/晶圆盒的表面状态越干燥，晶圆盒内就能够实现越低的湿气浓度并在净化与进入过程中得以保持。
●湿气除气作用/解吸附作用在水汽回升中起主要作用大。
●氧气进入显示分子浓度的指数表现随时间变化。
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