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???????半導(dǎo)體晶圓在晶圓廠的時間通常有80%以上花費在等待、運輸與儲存方面。在這些長時間的非處理時期，潔凈室空氣、結(jié)構(gòu)材料和/或先前處理工序可能會對晶圓表面造成分子級污染。隨著關(guān)鍵尺寸的持續(xù)縮小以及新技術(shù)/材料/處理方法的推出，設(shè)備對空氣分子污染物(AMC)已經(jīng)變得更加敏感。
惰性氣體相對安定?氮氣凈化成新寵?
?????? 惰性氣體凈化是一種提供化學(xué)潔凈與穩(wěn)定晶圓環(huán)境的技術(shù)。這種技術(shù)尤其有助于去除來自先前處理工序的逸散/殘留氣體，特別是腐蝕性氣體。氧化、接觸形式、酸蝕刻以及光刻都是首先需要這種技術(shù)能力的處理方法。銅互連與低-K電介質(zhì)的面世進(jìn)一步推動了這種需求。氧氣與濕氣的存在能夠影響自然氧化層的發(fā)展，減少硅化物的厚度，進(jìn)而提高表面電阻，生成微粒、引起腐蝕，并加速化學(xué)污染。?
?????? 由于其高反應(yīng)性以及和鄰近水分子和/或其它化學(xué)物類形成氫鍵的可能性，濕氣比氧氣和大部分其它化學(xué)物類更難從晶圓環(huán)境中清除。惰性氣體微環(huán)境也許是晶圓儲存與運輸?shù)睦硐胄徒鉀Q方案，能夠為對氧氣及濕氣敏感的產(chǎn)品或工序提供保護(hù)。C.?Weibe、S.?Abu-Zaid和H.?Zhang發(fā)現(xiàn)持續(xù)用氮氣進(jìn)行晶圓盒凈化能夠長期顯著減少硅表面的自然氧化層再生率。K.?Keyhani、S.?Abu-Zaid和H.?Zhang則提出一種惰性氣體幕墻法，以便有效凈化向前端微環(huán)境開放的晶圓盒。?
?????? 決定凈化效率的參量包括吹氣流率、形式、污染物的排放及其與系統(tǒng)表面的交互作用?？傮w而言，污染物的消耗率根據(jù)以下方程序計算：
??Vdc/dt = S + A - Uce (1)
?????? 其中V代表系統(tǒng)容量，U代表吹氣流率，c代表污染物的平均濃度，而ce?表示排放濃度。內(nèi)部來源的污染率S是材料屬性、污染物的局部濃度、幾何因素以及熱力環(huán)境(溫度與壓力等)的復(fù)雜函數(shù)。除了這些參量，周邊污染物濃度ca?也是周邊污染率A的決定因素，A代表排放中的滲漏以及反行擴(kuò)散的影響。這兩個量提供了給定吹氣流率下的污染物極限(最低)水平。?
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對癥下藥?直接切中導(dǎo)致濕氣濃度升高的原因?
?????? 經(jīng)過惰性氣體凈化之后，晶圓盒內(nèi)的濕氣與氧氣濃度因除氣作用、解吸附作用、滲透以及泄漏而隨時間提高。除氣作用/解吸附作用是造成濕氣濃度升高的主要原因，尤其是在短時期內(nèi)。包括吸收(溶入聚合體)、擴(kuò)散(透過聚合體擴(kuò)散)以及解吸附作用(從聚合體蒸發(fā))在內(nèi)的分子滲透是相對緩慢的作用機(jī)制，僅在長期過程中才顯得重要。這項研究以不同的晶圓/晶圓盒表面狀態(tài)對氧氣/水進(jìn)入曲線進(jìn)行了比較。在線性擴(kuò)散范圍內(nèi)，滲透及泄漏導(dǎo)致分子濃度的指數(shù)表現(xiàn)隨時間變化。?
??c = ca - c0EXP(-gt/V) (2)
?????? 其中c?表示物類a的平均濃度，c0?表示其起始值，ca?表示周邊環(huán)境的值，V是容器容積，而g代表泄漏率。為了使除氣作用/解吸附作用以及不均勻性的影響降至最低，泄漏率應(yīng)該取決于經(jīng)過相對深層次凈化后的充分?jǐn)U展時間量程的進(jìn)入曲線。?
?????? 該氮氣凈化測試采用Asyst的300毫米SMIF-E-charger進(jìn)行。這項測試采用了AMETEK氧氣分析儀TM-1b進(jìn)行氧氣濃度測量，并采用一部PANAMETRICS系列35濕氣監(jiān)控儀測量局部水氣濃度。晶圓盒內(nèi)放置了24塊晶圓，騰出頂部位置用于各項測試。在12號與13號晶圓之間抽取了空氣樣本用于測量氧氣濃度，而濕氣感應(yīng)器就放置于晶圓區(qū)及晶圓盒入口之間。為評估晶圓與晶圓盒對凈化及進(jìn)入處理的表面影響，測試采用了干式與濕式晶圓與晶圓盒環(huán)境。?
?????? 為模擬濕式晶圓與晶圓盒環(huán)境，測試前晶圓已由Eclipse?300系統(tǒng)進(jìn)行清潔。標(biāo)準(zhǔn)的SC-1清潔處理耗時約40分鐘。在測試前夜，晶圓盒被放置于晶圓廠環(huán)境中(40%?RH)。為模擬干式晶圓與晶圓盒環(huán)境，測試前內(nèi)置有24個晶圓的晶圓盒以15?LPM的吹氣流率進(jìn)行了連續(xù)3個小時的凈化。表1列舉了測試環(huán)境，每項凈化測試使用了多達(dá)300升氮氣。經(jīng)過各項凈化測試之后，晶圓盒被置于開孔工作臺上方約1英吋處長達(dá)兩個小時，而在進(jìn)入測試期間(無氮氣流)對氧氣與濕氣濃度也進(jìn)行了測量。?
實驗結(jié)果討論?
?????? 表2列舉了測試過程中的氧氣與濕氣濃度。測試表明晶圓盒內(nèi)的氧氣濃度在凈化與進(jìn)入處理期間幾乎與晶圓和晶圓盒表面狀態(tài)無關(guān)。關(guān)閉氮氣流后，氧氣濃度在兩個小時內(nèi)可從100?ppm?上升至3.2%(32,000?ppm)。氧氣每分鐘平均進(jìn)入率約為0.027%。另一方面，晶圓/晶圓盒表面狀態(tài)顯著影響了濕氣凈化與進(jìn)入處理。對于濕式晶圓/晶圓盒而言，快速凈化后的濕氣水平約為3%RH。在氮氣流關(guān)閉兩個小時后，濕氣濃度上升至30%。對于干式晶圓/晶圓盒而言，快速凈化后的濕氣濃度約降至1.7%RH。在氮氣流關(guān)閉兩個小時后，濕氣濃度回升至18%。?
?????? 水分子與固體表面的相互作用很強(qiáng)。因而可預(yù)測，經(jīng)由通氣過濾器發(fā)生的泄漏與其它機(jī)制相比，尤其是與濕氣除氣作用/解吸附作用相比，顯得無足輕重，卻是水氣回升的最重要因素。該預(yù)測被本文所列的實驗結(jié)果所證實。?
?????? 另一方面，氧氣分子更易于透過進(jìn)/出氣閥上的過濾器而擴(kuò)散。對氧氣而言，泄漏率是進(jìn)入處理的主要作用因素。因此，泄漏結(jié)果導(dǎo)致分子濃度的指數(shù)表現(xiàn)隨時間變化。本文中，泄漏與進(jìn)入曲線支持方程式2中的經(jīng)驗指數(shù)。對于一個確定的凈化系統(tǒng)，其泄漏率也已確定。經(jīng)過兩個小時的進(jìn)入測試，所有6個測試案中的氧氣濃度均處在3.1%~3.4%之間。由此可推導(dǎo)以下結(jié)論：?
????? ?●晶圓盒內(nèi)的氧氣濃度在凈化與進(jìn)入處理過程中幾乎與晶圓/晶圓盒表面狀態(tài)無關(guān)。?
????? ?●晶圓/晶圓盒表面狀態(tài)對濕氣凈化及進(jìn)入處理的影響顯著。?
?????? ●晶圓/晶圓盒的表面狀態(tài)越干燥，晶圓盒內(nèi)就能夠?qū)崿F(xiàn)越低的濕氣濃度并在凈化與進(jìn)入過程中得以保持。?
????? ?●濕氣除氣作用/解吸附作用在水汽回升中起主要作用大。?
????? ?●氧氣進(jìn)入顯示分子濃度的指數(shù)表現(xiàn)隨時間變化。
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