AMC污染源即時顯示概念總覽

前言

隨著半導體製程技術的演進，潔淨室環境微污染(Airborne Molecular Contamination, AMC)對產品良率的影響也愈趨顯著。因此AMC控制技術將會面臨更嚴峻的挑戰，進而成為高端製程中良率提升的必要手段之一。理論上，AMC控制策略最好由源頭著手，了解污染源並予以消除乃為最佳策略。無塵室AMC污染源可分為：①外氣污染 ：包括由廠區煙囪排放至大氣中後，再被MAU吸入之物質(含HCl、H₂SO₄、HF、VOCs等)，以及大氣中環境背景污染值(含NH₃、SO₂、H₂S等)；②內部污染：包括製程機台維修保養、溼式清洗台作業之化學品逸散，人員違反化學品使用規範所造成的洩漏污染等，甚至為無塵室內建材或各類器材的釋氣(Outgassing) ^[1]。

目前台積電廠區內針對AMC控制策略大致分為：儀器即時監測、定期採樣分析、人員巡檢稽核、化學濾網安裝等。然而，這些防禦機制並無法提供整合性的資訊，當現場發生污染狀況時，僅能個別查詢及澄清污染相關資訊，不僅耗費人力時間，也無法第一時間找到污染源並進行防堵，造成晶圓受污染時間增加，影響製程可靠度。因此，針對廠區AMC防禦提升，本文將提出AMC即時顯示污染源定位追踪平台概念，目標為藉由結合AMC監測、人員巡檢與濾網資訊，並搭配廠區機台平面圖和機台維修&使用有機化學清潔品等資訊，可於偵測到污染物時直接呈現該區即時污染之關聯性，縮短污染處理時間，有效降低AMC造成晶圓污染之風險。

文獻探討

2.1.微污染之分類

根據國際半導體暨材料協會(Semiconductor Equip-ment and Materials International, SEMI)發佈的SEMI F21-95及F21-1102文件，將AMC分為4大類，分別為：① 酸性物質(Acids, MA)：腐蝕性物質，具電子接收者的反應特性，如HF、H₂SO₄、HCl、HNO₃、H₃PO₄、HBO₃等 ；②鹼性物質(Bases, MB)：腐蝕性物質，具電子提供者的反應特性，如NH₃、TMAH、TMA、NMP等；③凝結物(Condensables, MC)：除水之外的物質，在大氣壓力下沸點大於室溫，有凝結於表面能力者，如IPA、Acetone、 Glycol、Ethanol、Silicone、Hydrocarbon等；④摻雜物(Dopants, MD)：可改變半導體材料電性的化學物質，如AsH₃、B₂H₆、BF₃等 ^[2] ，如 圖1所示。

圖1、AMC污染源分類表

2.2.微污染之影響

無塵室內製程繁複，其中以微影(lithography)、閘極(gate)及接觸層(contact layer)等製程對微污染具高敏感度 ，高濃度AMC可能造成產品良率。AMC所造成的影響包括 ：①MA類 : 酸性AMC會造成晶圓或器材設備腐蝕，導致蝕刻速度改變、金屬線性破壞或是光學鏡頭霧化；②MB類 : 環境中若有高濃度鹼性AMC時，其會與微影製程中光阻劑內的光酸發生中和反應，導致晶圓或光罩表面產生鹽類微粒，造成圖像轉移時的缺陷，一般稱為「T-Topping」現象；③MC類 : 污染會晶圓表面Si-N膜轉變為Si-O，而導致晶圓膜厚及純度降低，或是改變介電質的特性而影響潰電壓，造成接觸電阻的改變；④MD類 : 環境中摻雜物若吸附在晶圓表面後，透過熱製程擴散至底部，可能造成產品電性飄移，或是摻雜參數改變導致元件失效及良率下降 ^[3] 。

2.3.污染物之控制策略與措施

無塵室所遭遇AMC問題，以例常性檢測並掌握污染物種類之特性與其發生原因，才能規劃出後續具體之防治措施。而在AMC防治控制上，約略可分為三方向進行 : ①污染源監測控制(monitor)；②污染源隔離技術(SMIF、FOUP 、mini-environment)；③污染源去除(chemical filter、air washer) ^[4]。

污染源監測控制即是在污染源發生之前，先對無塵室內可能釋出污染源加以控制，由於不同之無塵室、其污染成因可能不同，因此藉由製程上使用之化學品調查、場內各材質之釋氣調查與廠外周界之污染監測調查，將可在污染發生時迅速掌握污染來源與其發生原因。

污染源隔離技術是利用潔淨度高之區域環境(mini- environment)或是用內充氮氣之晶圓儲存閘系統，將晶圓與高污染環境進行隔離之動作，使晶圓在超潔淨環境中。 FOUP相關技術開發與精進目前仍在持續進行中(包含材質 、水氣控制、內充氮氣濃度與均勻度等)，目的為減少外界AMC污染影響。

污染物去除控制通常用在外氣空調系統、廠內FFU循環系統或是製程機台內部加裝化學濾網(chemical filter)來過濾去除各類AMC污染物。化學濾網的裝置必須考慮處理之AMC濃度範圍，否則污染物之去除效率或化學濾網之壽命難以掌握。學者亦發展污染氣體控制系統-溼式氣體洗滌系統(air washer)，利用氣-液相接觸傳輸作用來去除氣態分子污染物 ^[5]。

研究方法

各廠目前皆有AMC監測系統，當online/offline採值高時，雖可快速得知影響區域及位置，但卻無法立即得知是哪個機台發生異常，導致無法立即將污染源移除或抑制，造成污染源長時間曝露於環境中。因此本文將以污染源即時監測控制為主要研究方向，藉由現行無塵室機台監控/紀錄系統提出系統整合概念，找出高風險設備群以減少污染源查詢時間，如 圖2所示。

圖2、AMC污染源即時顯示概念說明

3.1.化學品供應狀態

設備機台化學品使用來源約略可分為兩類，其一為中央供應化學物料；其二為人為瓶酸替換。故在機台使用化學品查詢上，將以此二方向去查詢，近而可明確得知各機台使用的化學品清單，亦可明確得知污染源設備清單。

• 對於中央chemical供應系統，目前已有bluebook系統可查詢。系統操作步驟如下：①下拉式選單選定廠區 ②選擇utility to Tool點選欲查詢之種類 ③按下搜尋後即可查詢設備編號、設備單位、化學品種類等資訊，如 圖3所示。

  圖3、Bluebook設備化學品使用設備清單查詢步驟

  
• 瓶酸領料系統已有平台可查詢。系統操作步驟如下：① 選用單位用量日報 ②顯示瓶酸領用時間/種類/領用人/用量等資訊，如 圖4所示。

  圖4、小瓶酸系統使用設備清單查詢步驟

  

3.2.設備機況狀態查詢

設備機況掌握是AMC防治相當重要的因子，許多AMC異常案例常與設備T/S(trouble shooting)或PM(Preventive maintenance)後未恢復原始狀態有關，故在機況查詢上亦須考量。系統操作步驟如下 : ①進入系統選擇report ②選擇search report進入系統查詢 ③搜尋欲查詢機台區域及名稱，選擇欲查詢時間，點選Status History ④得知選擇時間內之機台機況，如 圖5所示。

圖5、SiView設備機台機況查詢步驟

結果與分析

在尚未將資訊平台整合時，可用區域自檢方式圈選出高污染設備。以F3E FAB，MD類採樣點為例，使用化學品供應狀態平台系統，確認各區域內污染源設備，其主要污染源設備使用化學品為PH₃/BF₃/BCl₃，如 圖6所示；針對小瓶酸系統及設備機況狀態系統，做設備狀態點警報機制 ；當設備狀態轉為PM狀態時，或是設備小瓶酸領用時，可自動發送簡訊至值班手機，值班人員收到警報後可立即至現場確認設備使用狀態，避免異常使用造成大範圍污染情況，如 圖7所示。

圖6、F3E FAB MD類污染源設備分佈。(a)Diff區；(b)IMP區；(c)MEMS區；(d)Etch區

圖7、資訊平台整合概念

設備資訊系統平台整合可分三步驟執行。首先需將各平台權限開啟，使資訊平台內datasheet資料能做傳輸動作 ；data由資訊平台傳送中央電腦後，接著中央電腦將得到的資訊過濾(篩選所需資訊，如PM狀態、領料紀錄等)，接著將資訊顯示於查詢平台介面，使用者能依時間/區域等選項找出交集度高的設備群，並可針對此高風險設備群立即做檢視查漏，如 圖7所示。如設備資訊平台整合數越多，將越能找到變異性設備清單，對於AMC防治而言會是一大利器，如 圖8所示。

圖8、整合多套設備資訊系統平台，交集得到高風險設備清單

結論

現行設備資訊查詢平台已各自發展齊全，但尚缺平台整合概念，導致AMC異常事件發生時，需至各系統查詢機台資訊，費時費力且需靠人為逐一確認；如能將設備資訊整合，以區域作分類，直接顯示區域內設備變異機台，將高污染源、異常機況等資訊交集出高風險設備清單，將有效降低AMC Trouble shooting時間，對於AMC防治會是快速、通用、準確性的平台整合概念，如 圖6所示。