投影光刻机中气相分子污染物（AMC）的控制及检测

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2021-09-30   环球过滤分离技术网   nanopure9

0  引言

在光刻工艺过程中，污染物的含量、浓度等直接影响了光刻工艺的良率。人们很早就认识了颗粒污染的危害性，并根据国际标准ISO 16441-1，利用（超）高效空气过滤器，过滤掉空气中的悬浮颗粒。如今，颗粒过滤技术已相当成熟。HEPA过滤器对粒径≥0.3μm的颗粒的过滤效率高达99.97%，ULPA过滤器对粒径≥120nm的颗粒过滤效率高达99.999%。

随着特征尺寸（CD）的不断缩小，人们越来越多地认识到，空气中还存在着大量分子级污染物，如分子酸、分子碱、凝缩物、分子掺杂物等。这些污染物以气相或蒸汽分子的形式存在，简称AMC，其粒径通常只有0.2～5nm，可畅通无阻地穿过超高效过滤器。而且，空气中AMC的浓度远高于颗粒的含量，测得结果表明在ISO 14644-1标准5级净化厂房中，AMC的浓度约为100μg/m3。在洁净度最高的光刻间，AMC的浓度比其他工艺间更高。AMC会影响圆片加工质量和成品率，严重时可能对产品造成致命的缺陷。

1  AMC的分类

按照国际分类标准SEMI F21-95，AMC可分为如下四类：（1）酸性分子污染物MA（Molecular Acids）：常见的污染物有HF、H2SO4、HCL、HNO3、H3PO4、HBr等，其来源包含光刻、腐蚀工艺过程中逸出的以及外部空气穿过高效过滤器进入净化间。（2）碱性分子污染物MB（Molecular Bases）：常见的污染物有NH3、胺类（如甲胺、三甲胺、环己胺等）、氨化物、HMDS（光刻胶助粘剂）、脲等。（3）凝缩物MC（Molecular Condensable Organic Compounds）：通常指在常压下沸点大于150℃、容易凝结到物体表面的有机化合物。常见的污染物有碳氢化合物、硅树脂等。（4）分子掺杂物MD（Molecular Dopants）：是指可改变半导体材料导电特性的化学元素，包括各种重金属及硼、有机磷酸盐、砷酸盐等（含P、B等元素）。

2  AMC的危害

AMC产生的危害是多方面的，光刻工艺过程中常见的有：（1）碱性气体NH3与酸性气体SO2、NO2反应生成硫酸铵和硝酸铵颗粒，附着在硅片、掩模版、投影物镜及干涉仪等，形成白雾，降低了掩模版、投影物镜的使用寿命，降低了干涉仪的分辨率，导致曝光线条出现缺陷。（2）Refractory污染：硅氧烷、有机磷酸酯等含硅、磷、硼等的挥发性有机化合物（VOC），会被吸附并牢牢黏附到硅片、光刻机透镜或光刻版表面，很难去除或无法去除。（3）硅酮（由密封剂释出）、HMDS的副产物、SOX等会吸附到圆片、掩模版或光学镜头表面，形成白雾。（4）碳氢化合物、甲酚等黏附到硅片表面，会使硅片表面变成疏水性。

3  AMC的控制

AMC的控制，既要严格控制净化厂房内空气的质量，又要对关键区域进行重点控制；此外，还可采用微环境控制，控制设备内部的洁净空间，同时兼顾温湿度以及压力的控制。

如图1所示，Subfab区6为光刻机动力设备存放区域，其洁净度等级控制在1000级，光刻机放置在100级净化间5内，并通过控制光刻机内部3的微过压，保持光刻机内部3的洁净度，其内工件台区域2的洁净度等级优于1级。图1中：（1）化学过滤器;（2）工件台；（3）光刻级；（4）软风管；（5）净化间；（6）Subfab区。

光刻机内的颗粒控制，一般采用风机过滤单元，Subfab区的环境气流被风机吸入风机过滤单元，经过高效过滤器、化学过滤器的过滤、纯化后，由软风管输送至光刻机内部的风道中，分别输送至各个关键区域，再通过末端的超高效过滤器，吹出至各关键区域，有效去除了粒径0.12μm以上的颗粒，并有效控制了该区域的AMC浓度。

曝光过程中光刻胶释放的可挥发性化合物，吸附在投影物镜的底部镜片后，在底部镜片形成“薄雾”，可通过“气帘”保护投影物镜的底部镜片。通过向底部镜片与硅片间的区域吹入超洁净的压缩空气，形成“气帘”，有效阻止了可挥发性化合物向底部镜片的扩散，并将其带入低压区域，如图2所示。

如何判断纯化器出口气体的纯度以及光刻机内部AMC的实际浓度，是近年来工程中遇到的难题，目前主要依靠检测的方法分析这些问题。

4  AMC的检测

AMC的检测通常分为离线采样分析及在线检测，各自有其优缺点。

  4.1 离线采样分析

离线采样分析是将收集的样品，送至检测单位，通过其实验室的仪器分析而得。检测单位包括上海市测试技术研究院、住化分析技術（上海）有限公司、赛默飞世尔科技等。采样方法有溶液吸收法（酸、碱、金属离子等）、活性炭吸附法（有机物）等。需求不同，检测频率不同（图3）。一般NH3,VOC等检测频度较高，通常为一月一次，其他物质可半年检测一次。

  4.2 在线检测

在线检测是通过购买商业化的在线检测设备，对AMC进行实时监测，可以反映AMC的浓度变化，近来受到更多的青睐。

（1）H2O的检测。气体中痕量的H2O的在线检测可使用露点仪。采用氧化铝(Al2O3)传感技术，其基本工作原理为传感器的铝芯和沉积在氧化层上的金膜之间的电容值随着含水量的变化而变化，如图4所示。典型的如美国Teledyne公司的8800系列产品，检测范围为露点温度-100～20℃。

（2）SO2的检测。气体中痕量的SO2的在线检测可使用脉冲紫外荧光法二氧化硫气体分析仪，其基本工作原理为SO2受脉冲紫外光的激发后，在极短时间内（10-8s）会发射出波长大于脉冲紫外光的波长的光，这种光称为荧光，荧光的强度反映了气体中SO2的浓度，如图5所示。典型的如美国赛默飞世尔科技公司的43i系列产品，检测范围可根据客户的需求定制，检测下限可达到0.05ppb。

（3）NH3、NO、NOX的检测。气体中痕量的NH3、氮氧化物的在线检测可使用氮氧化物分析仪，其基本工作原理是基于一氧化氮(NO)与臭氧(O3)的化学发光反应产生激发态的NO2分子，当激发态的NO2分子返回基态时发出一定能量的光,所发出光的强度与NO的浓度呈线性关系，通过检测光强来进行NO的检测，如图6所示。其化学反应式如式（1）。

NO＋O3→NO2＋O2＋h                        （1）

分析仪检测NH3、(NOX)时，先通过转换器将其转换成NO，然后再通过化学发光反应进行检测。典型的如美国赛默飞世尔科技公司的17i系列产品，检测范围可根据客户的需求定制，检测下限可达到1.0ppb。

（4）可挥发性有机化合物（VOC）的检测。气体中痕量的可挥发性有机化合物的在线检测可使用气相色谱仪（GC）或气相色谱-质谱联用仪（GC-MS，简称气质联用分析仪），其工作原理是气相色谱法，汽化的样品被载气（流动相）带入色谱柱中，柱中的固定相与样品中各组的分子作用力不同，各组取样从色谱柱中流出时间不同，组间彼此分离。通过鉴别、记录系统，制作标出各组样品流出色谱柱的时间和浓度的色谱图。根据图中表明的出峰时间和顺序，可对化合物进行定性分析；根据峰的高低和面积大小，可对化合物进行定量分析，如图7所示。典型的如美国PerkinElmer公司的Clarus®600气相色谱仪，其检测范围、检测下限可根据客户的需求定制。

5  结语

近年来，我国集成电路产业的发展是快速的，是有目共睹的，许多企业投入大量的人力、物力研发集成电路产业高端制造设备，而这些设备的生产，均对生产环境提出了苛刻的要求。而光刻作为集成电路制造中最核心的工序，其对生产环境方面的要求更高于其他工序，不仅要求控制颗粒、静电、噪声等，还要控制酸、碱、有机分子污染物等，满足需求的生产环境是良品率、经济效益的重要保障。

光刻机内部的颗粒的控制及检测技术已相当成熟，而AMC的浓度比颗粒高很多，其扩散路径难于控制。通入光刻机内的气体，均需经过化学过滤器、纯化器，使其纯度达到6N或以上，这些高纯气体可以稀释光刻机内部AMC的浓度。化学过滤器、纯化器的使用寿命、曝光工艺过程等使AMC的浓度不断变化，因此需通过检测了解AMC的浓度，并采取措施及时控制，从而降低AMC对工艺和产品质量的危害。

参考文献

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