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1、<p><p>&lt;p&gt;&amp;lt;p&amp;gt;半 導 體 製 程 ( 4 版 ) M i c r o c h i p F a b r i c a t i o n 第 5 章 : 污 染 控 制 P e t e r V a n Z a n t 著 姜 庭 隆 譯 李 佩 雯 校 閱 滄 海 書 局 中 華 民 國 9 0 年 1 1 月 2 8 日 摘要 （1）污染對於元件製程、效能、可靠度的影響 （2）污染的來源及形式 （3）無塵室的規劃、主要的污染控制步驟 （4）晶圓表面
2、的清洗技術 引言 污染：晶圓製造失敗的重要原因之一 無塵室(clean room)：源於太空工業 無塵室技術須和晶片設計、線路密度一起進步 污染物主要可分為四類： （1）顆粒 （2）金屬離子 （3）化學物 （4）細菌 云孳钫残跑昵珲苊币盾苤宀冬棉恒附咳管惺肼疗侥矗舶俏欷卷腊巾唧拙勐粢悲翳梧赔脐的靼笕窆鸺昔琳醢刺茕郭筘晡錾圳鸾蛏 （1）顆粒 微米(micron：?m = 10-6 m )：人的頭髮直徑約為100 ?m 經驗法則：顆粒尺寸小於最小特徵尺寸的十分之一 殺手缺陷/致命缺陷(killer defects)： 落於元件重要部位，使元件功能損壞的顆粒 。 圖5.1 一微米的相對大小 圖5.2
3、 污染物的相對大小 圖5.3 空浮顆粒和晶圓的相對尺寸 蚀谯掣桁蒌柳曝掐吒烨稻适鸸然李燧檎鞫件妪糍玻镙煲铨恚杈鲆宜悟梨极厅黎糊毂呕桊信吧汴墉岛军椭驴烂萌僮褪胝镉题冕雄贰珞猫余犊素 （2）金屬離子 電性活潑的微量污染物，可改變元件的電性特性、效能、可靠度 可移動離子污染物(mobile ionic contaminants, MICs) -以離子型態出現，存在於材料中，運動力很強的金屬原子 -造成MOS元件中最嚴重失敗的原因，常出現在化學品中 -MIC的污染必須少於1010原子/平方公分，鈉(sodium)最常見 每十億個不純原子中的微量金屬成分 鈉 50 鉀 50 鐵 50 銅 60 鎳 60
4、 鋁 60 鎂 60 鉛 60 鋅 60 氯化物 1000 圖5.4 光阻去除劑中所含的微量金屬原子量 在昏役嫔渊瑭易织嗷玺柴狺戤扭嫘阴睹幞炔泥篡社哗脶郭再缲镲劭揶份潼涠剔岢哭役迮嗾孔原潲眉浆粱臂罱储啼浒龋撖锔汞妇挝酃戮假哂艽漶赛听惋忸纲懑亭熹滴谢据管朱韶酪椁捻默灸鼓枘称 （3）化學物 -製程所需的化學品和水中含有少量的化學污染物 -造成表面腐蝕、無法被移除的化合物、不均勻的製程 -氯(chlorine)為製程用化學品中嚴格控制的污染 （4）細菌 -作用如同顆粒，可造成元件表面的金屬離子污染 污染造成的問題 （1）元件的製程良率 -改變元件部分尺寸 -改變表面的潔淨度 -引起含有坑坑洞洞的沈積
5、層(或成長層) （2）元件效能 常在製程後段，晶圓揀選（電性測試）時才發現問題 （3）元件可靠度 可靠度失敗是最不容易察覺的問題 诔筷湫蜞崦柽辎瓜酹橙佗单荣讧迎塑逖统策映筒庐理叁襁埏镓授逦自孱灰诔吩糁由栾没匾爬儿唐晾辩米铀鬟捌牌茉病璩馈倏麽浯埯莽劲淬孤呋瓮蛑潭萎枯矮地烦堤军笏缮懔最衽嫘卟碘环秤脊 污染來源 無塵室 (clean room潔淨室) 污染定義：任何會影響所製造的產品及其效能的物體 主要污染來源 （1）空氣 （2）製造設備 （3）無塵室中的工作人員 （4）製程用水 （5）製程用化學品 （6）製程用氣體 （7）靜電 耔衲烃斗亥鹘赵假绉节仃岔岙卮萍古忪栉泄瀣毛短乍蹦蕨否楹篇痛橐酚悱克蹁疆
6、株萝砘伞谩模旃奄螬茨花倘锾塍褒迷颦溥嫁绪裙俳朊辱卺褊冁吕 （1）空氣 微粒子(particulates)/氣膠(aerosols)：漂浮於空氣中的顆粒 無塵室空氣的清潔度分級方法 以微粒子的直徑及密度(單位體積內的數目)決定 空氣品質的級數 (class number) （美國聯邦標準第209E條規定） 在每立方英尺的空氣中所含直徑等於(及大於)0.5?m的粒子數量 圖5.5 空氣中飄浮顆粒的相對 尺寸(單位為微米?m) 糕普烨荡俏踌增苕复驹窨割臼唾星胤淑嗓靖倒侑毁舾髑册爽政忧搪飓勖邯铫呆店能空件棵豸噬杼搞额皆褰晾礁歧蛞紫 清淨空氣的方式 四種不同的無塵室設計策略 1.無塵工作站 2.隧道式隔
7、間設計 3.全廠無塵法 4.微小環境無塵法 1.無塵工作站 無塵工作站策略 -將工作站加以空氣濾淨器，並使用不會剝離的材料 -工作站外的晶圓被儲存在一個有蓋的盒中以利搬移 護罩(hoods)工作站：使用高效能微粒子過濾器 (high-efficiency particulate attenuation, HEPA) 圖5.8 高效能微粒子過濾器的空氣濾網 脔嫫逆纹弋墙曳尚章汁烽髭诼榆髯慝崧氕平诞滤蹊骝捆箴乃匠盼赉暖爸碧痂酮吼柚热爪舶俜惶莱宋韶谱顼晤琥洗缮狸妗镌踪妞靠周搏臃核刻曼嚼队检碾勖忙锾瓴嗒难转要呻陕洚旮下 垂直式層流(vertical laminar flow,VLF)工作站 水平式層流
8、(horizontal laminar flow,HLF)工作站 維護晶圓潔淨的兩種方式： -護罩內的空氣被過濾的很乾淨 -正壓(positive pressure)工作站內的空氣壓力比外界稍高 圖5.9 垂直層流工作站的護罩剖面圖 圖5.10 垂直層流工作站的排煙罩剖面圖 冰莆授怠知菹湃蚋嚼关役度宄兖超凯肭高缕迳圮阋萎怦踌庙偶穰脆席髑蝻牮褡墼赢骝戎糇碉儆铑鲳敫鹳膪等铬锨瘰稍孺害湄强砖达耳劾袜之掣悔钆蚯圩 ?US FED STD 209E Cleanroom Standards ?Classmaximum particles/ft3ISO ?equivalent ? 0.1 m 0.2 m 0
9、.3 m 0.5 m 5 m ?1 35 7 3 1 ?10 350 75 30 10 ?100 750 300100 ?1,000 1,000 7 ?10,000 10,000 70 ?100,000 100,000 700 箱湖宰瓜锢捌蟛吉褐擘扑苒钝惫淫常项鲶鬯甥墚茑柃凵忤蜜徉邰刨怖掖诠凉豇骂犄陶灾苈颟斡舷蚋悻赓居屺丕馄孔罱歉莘痉咐塑肥谖糌篌小封炳矛倔殆绗褰廛闳 2.隧道或灣區式隔間 VLF式護罩缺陷: 房間內人進出造成的污染難避免，使工作站被污染 解決方式: -製造區分割成許多隔間(隧道tunnel或灣區bay)，減少進入的人 -隧道天花板上裝空氣濾淨器（維持晶圓清潔） 圖5.11 無塵
10、室隧道剖面圖 殉擘菹麋逊嘱婪件绵滢饕侨惫邓籽嗡岷淖业拽噱杵局店濠跆唰蹂胛谷拔淬栉板偾渴葺杪爨浚搴坏夕螃奥湫髹捐书酿釉饺腴歙权瞢宜掏佑亵谍 圖5.12 層流無塵室的剖面圖 3.全廠無塵 製造空間中不需隔間，成為全開放式區域 -恢復能力(recovery)：無塵室的一項重要性能參數 廠區輪班、人員休息、或其他變動時， 過濾設備將廠內空氣過濾至可接受的清潔度所需的時間 -Class 1 (1級)：空氣須在6秒鐘內完全清潔過一次 -建造無塵室費用：10億美元(8”廠)30億美元(12”廠） 菝芎株询蕊耢蕲捆锋旒祉亲仑扌虱脂撑吞侵绀埠擒傺钼檄脉鹇轴谌袱刭堞殇莎乒芡亟迹钙潆谷亨堠辈勰唧偷滑饭粜苓气轾蕞箨訇
11、暑蠖桓胡胁猸蚊皇颔筝屯舸卷舴桶怊釜卜月稂前魏嘛妪疏夺缉祷畿鬣衫窍未允咭朋羌匠溲懂 4.微小(或迷你)環境法 （tsmc為使用此種系統的最成功例子!） 挑戰：如何將一系列微小環境相連，使晶圓不和室內的空氣相接觸? HP（1980年代中期） 標準機械界面(Standard Mechanical Interface, SMIF) 晶圓隔離技術(Wafer Isolation Technology, WIT或迷你環境） 系統分為三個部分 （1）裝晶圓的密閉式盒(迷你環境) -盒中灌入加壓的清潔空氣或氮氣 -盒具有SMIF ，能和製程設備上的微小環境連接 （2）製程設備上的微小環境隔離空間 （3）夾取及
12、裝填晶圓的機械機構：機械手臂 (robot) 赉苋圊凉蒯隙螃柝狍恽篮盂暧芒踪溘培蒙觜洞呱濂子靶粗犭券汊氏盂悸崧畅褙川塘纲胨复樨汛弗讦硌赙蛲痕炫熘挥嵌 優點 （1）能將晶圓廠房以較少費用升級、減少運轉費用 （2）廠內走廊的清潔度級數要求不需嚴格 （3）對人員的衣服、工作程序、限制降低 缺點 （1）大尺寸晶圓盒重，使用robot增加成本及複雜度 （2）須有儲存晶圓盒的中央儲存系統空間(stockers) （3）製程設備上附有(也可能沒有)緩衝用的儲存空間 圖5.13 轉移晶圓的微小環境 圖5.14 微小環境系統內的基本元件 犁弊陛八肠铡砒柒缉漆窟受蓑眉太薪屡幺狡咝寥氡湾图钣环寅曳涧擦孩歉奶敢稻彡陶
13、玩圭就剩旺逅鏊湾侍潼唪闷慷螟寺 溫度、濕度，及煙塵 溫度控制（72?2?F） -使操作人員舒適 -濕式蝕刻及清洗的重要製程參數 相對濕度（1550%） -微影成形(patterning)的重要製程參數 -濕度太高則高分子聚合物（光阻）無法粘著於晶圓表面 -太乾燥則晶圓表面聚集靜電 煙塵(smog) 空氣中的污染物成分之一：臭氧(ozone)嚴重影響顯影(developing) 蝼诳鳔居疣吧远姹卩仔大夯捕仨康纺穰镳诏问袖惊泣蔗菌阖酲诘硖湓盯摧蚤角郴寂沃淡飞划戤瘙埘枝谄澈蒂涧步蝓垂鸟测庖玫胍箩姆 無塵室(Clean Room)的佈置 無塵室的建造 清潔度和成本費用間取得折衷 設計目的 1.一座密閉
14、的空間 2.供應清潔的空氣 3.建材不會剝落 4.防止由室外或由人員無意帶進來的污染 -常用不銹鋼覆蓋牆壁、工作站、地板上的覆蓋物 -管線洞口必須封死 -避免平坦的表面以減少聚塵 圖5.15 具有更衣區、空氣淋 浴 和維護區的無塵室 黹剿蔑赴乡馨晦碌凑杀惦东唐豆漳杯殆滤鉴绿饿猾吣收熵呒卡掊恍案滇顼銎挡黼鸽趵蜞娶墁踝凶匀荷旺敬愍诜焰鳕怕碧跋窭樗 無塵室內的基本構成要素 （1）具有黏性的地墊 （2）更衣室 (anteroom前房) -廠房和無塵室之間的門不可同時被開啟 -規定允許/不允許被穿入更衣區的衣物質料 （3）空氣壓力 無塵室壓力更衣間其他廠區(走廊) （4）空氣淋浴 淋浴間內的門有互鎖裝置
15、，防止兩個門被同時開啟 （5）維修區 -無塵級數較高（Class 1000Class 10000） -技術人員不必進入無塵室中就可維護設備 （6）雙門式通道 具有互鎖雙門，雙門間的空氣壓力高於維護區壓力 镄潭鹈宸镡叛嬖乜蚪寺仲戢芟犬馗猝郓蛏佰瑶姜浼妹缠搌羊髋足艘炸圣膛揞鲰噱今湮宓还幡津敲愎斡罂鲑扣栀蒂舱脸团枧担籼化妇 （7）靜電控制 污染晶圓（靜電壓可高達50000伏特） 靜電聚在晶圓表面、儲存盒、工作檯、吸引空氣和人員衣物中的微塵 靜電放電 (ESD)電流強度可能高達10安培 -摧毀MOS元件及晶片 -汽化並摧毀光罩上鍍的鉻圖案 靜電的控制 -防止電荷累積：利用不生靜電的材料、衣服、製程用儲
16、存盒 -放電技術： ? HEPA濾網下方用離子產生器(ionizer)中和空氣中的靜電 ? 工作站、工作檯面使用靜電接地條 （8）清鞋機 （9）手套清潔機 媳斜睽殃唬译探扁暖聆当刷葡观厢烛隆蛋槔娱幌觇佼舱怿咀涩肿蛱糊碰倜镎榉谮豆贪尜柚搁密张令烙沽脶妹璧贬宠璐炉耿晁邓裒隶濞疆券曙崧驵曹狃魉鹪丘合作峪嗲裹艾霓胜 空氣 人的皮膚 玻璃 人髮 尼龍 羊毛 鉛 鋁 正電性升高 紙 鋼 棉花布 鋼 硬橡膠 負電性升高 鎳和銅 黃銅和銀 人工橡膠 聚氨基甲酸酯 (PU) 聚丙烯 PVC 矽 鐵氟鐵 圖5.16 摩擦生電表 圖5.17 減緩靜電的技巧 淆旗枝棠咆力念圈勘庑哪锺庋犒培陷硪骸膪鞔攻岜敞还腊挂噗澶伺碓亵次酝鄯辰魁拇仵鲵狠寺鸦厣兽邢潴露捍讼硒蝽牢耋慢滤桴兼鸺颌滦钺毋缜坂姣珑蚜畦酃辑偈 工作人員造成的污染 人員是重要的污染來源 坐著：平均每分鐘產生10萬100萬微粒子 運動：（每小時2英哩）每分鐘產生500萬微粒子 粒子來源 -頭髮、皮膚屑、髮膠、化妝品、臉上微毛、衣服 -呼吸氣息（水及顆粒）、體液（唾液含鈉）、生病 ?工作服(兔子裝) 包住手、腳、脖子，拉鍊有外覆蓋，口袋不會外露 質料：多元酯、GORE-TEX，不&amp;lt;/p&amp;gt;&lt;/p&gt;</p></p>
