化學品

隨著邏輯裝置的線寬不斷縮小、3D NAND架構的堆疊層數不斷增加，連DRAM記憶體密度也屢創新高，整個製程對於污染也越來越敏感，而瑕疵對裝置效能影響也大大增加。為讓晶圓良率與可靠度達到最高，整個微電子產業須針對高效能技術越來越嚴格的材料使用與純度要求提出一套辦法，因應從化學製造到使用端的整個流程。 為了有效控制製程污染，就必須從每一片晶圓直接接觸的化學品著手。為了確保製程潔淨度並改善裝置良率，第一步就是提升化學純度。而這正是裝置製造商不斷要求化學供應商提供純度接近千兆分率(ppq)的化學品，以避免在化學品包裝、運輸與配送過程中出現污染物的理由(圖1)。 圖1　新一代半導體製造純度等級正朝著千兆分率(ppq)目標邁進。 另外，材料純度與液體輸送系統中的結構材料也一樣重要。若是沒有控制污染的化學品包裝、過濾、泵浦輸送及液體處理零組件，化學品就容易受到粉塵、金屬與雜質的二次污染。 而在瑕疵控制流程中，利用污染分布圖了解污染來源是至關重要的一環，然而，當製造業者分散採購產品，並將這些來自不同廠商、潔淨度不一的產品批次合併使用時，接著再追查污染源可能會困難重重(圖2)。 圖2　為維護從生產端到使用端的潔淨液體路徑，整個供應鏈必須攜手合作，共同管理污染以確保潔淨的化學輸送過程。 化學品製造商、OEM廠商與裝置製造商須與零組件供應商合作，共同管理污染物，並維護化學品、貯存槽與液體輸送系統的高純淨度。本文特別從粉塵剝離與可濾出的金屬污染兩大重點領域，探討業界在純度規範所面臨的種種挑戰，以及為全面符合尖端技術所要求的純度規格，添購更潔淨的液體輸送系統所能獲得的好處。 利用污染分布圖減少粉塵污染 有鑑於高純度化學品的用量不斷增加，而業界對純度的要求也越來越嚴苛，化學品製造商必須投入重資來防止粉塵污染，同時確保化學品在運送至晶圓廠過程中維持一定的純度。為了讓全新建構的化學品產線符合規範，業界投入大部分時間及費用來清洗管線、液體零組件與過濾器，以消除表面污染。半導體業界每年在清潔用化學品上的開銷就高達20億美元；預估其中有近10%的費用是在管線沖洗等非生產活動上，目的是透過清洗液體流動路徑，來確保製程潔淨無污染。 這些粉塵通常不會在第一次清洗就能完全沖刷乾淨，而隨著化學品長期停留在漫長的管線中或是不斷地循環使用，細微粉塵就容易從材料上剝離脫落，進而污染管線內的所有液體，最終造成晶圓的瑕疵。 為了減少沖洗管線所需耗費的龐大費用與時間，同時減少長期的粉塵剝離脫落現象，化學品製造商對於使用超潔淨與穩定聚合物的零組件技術紛紛感到興趣。這些零組件供應商正與化學品製造商攜手合作，共同開發一系列可減少表面粉塵的解決方案，同時了解這類解決方案對其系統的影響。 有鑑於現今的電路線寬不斷縮減，而製程節點也即將邁入低於10奈米的水準，製造過程中任何一個表面粉塵都將對邏輯裝置造成嚴重的損傷；因此，潔淨的化學品輸送方案便顯得比以往更加重要。同理，隨著3D NAND記憶體堆疊裡的電晶體數量不斷增加，任何一個瑕疵都可能堵塞多個晶胞，進而影響整個裝置的效能。一旦出現這種情況，產線就必須確認所有可能的污染區域，並採取適當的步驟來避免出現瑕疵。 一旦系統通過潔淨品質認證，而且化學品也符合所需的純度規範時，這時製程重點將轉為維持化學品運送至晶圓廠過程的純度。化學品在運輸過程或從大型化學品容器中分裝到較小的容器、運輸包裝，乃至於液體輸送系統裡存放時，過程中很可能受到粉塵的污染。為確保化學品的純度不變，所有的液體路徑都必須受到嚴格的污染控制，以保持環境的穩定。 另外，為維護化學品的純淨，我們必須慎選化學貯存容器。舉例來說，原先潔淨的光阻劑在抵達晶圓廠之後，便不符合粉塵規定，這時運輸容器便很可能是污染源。在選擇容器時，如果只是單純依據結構材料與容量的話，就會忽略了達成長期污染防制效果的關鍵層面。 這時如果製造商願意和持續測試並開發各項結構材料與產品製造方法的材料專家合作的話，就能生產出粉塵產生數量更低的容器。添購經污染控制的化學品運輸與輸送系統，能協助確保化學品潔淨無污染，同時提高產品良率並降低財務損失。當化學品運送到晶圓廠時，用來抽取容器內化學品，同時進行過濾，最終分配到晶圓廠各個生產線的設備，必須負責確保化學品的潔淨，而不能使其遭受污染。 晶圓設備投資續飆高　維持潔淨更不容忽視 最新出刊的SEMI全球晶圓廠預測報告指出，2018年全球花在晶圓廠設備的經費，預計將達到630億美元的歷史新高。這波大增的投資大部分來自於韓國三星半導體與SK海力士半導體，而部分則來自中國、歐洲與美國等地(圖3)。 圖3　半導體業者設備支出持續增加。 重金投資的設備當然不能讓人失望，而這樣的設備也必須立即有能力為晶圓廠提供純度極高的化學品，並維持穩定的品質。為了充分了解不同的化學品潔淨度相對等級，來指定送入晶圓廠化學品輸送系統所採用的零組件全程符合運送規範，所有的裝置製造商與OEM廠商無不戰戰兢兢地評估各種零組件。 這些OEM廠商與晶圓廠承包商在收到各種零組件規格之後，必須針對設備需要選出最適當的解決方案，確保送入晶圓廠的化學品在整個輸送系統中全程維持潔淨。 每當有新的晶圓廠建廠完成，就會開始建置大量的液體處理系統，而這些系統在開始輸送化學品之前，都必須經過預先沖洗、測試與吹淨流程。預先沖洗流程主要是對系統進行洩漏測試，同時去除系統內的表面污染物。一旦化學品開始流經系統，晶圓廠工程師便須持續監控化學品純度與晶圓瑕疵，接著沖掉化學品並進行整個流程，直到獲得理想的良率。整個過程不但曠日廢時，還會浪費化學品，造成鉅額的成本支出。 為此，我們需要盡可能減少製程產線認證所需耗費的時間與成本，及早找到更潔淨的零組件並使用計量技術以提高瑕疵偵測率與預防效果。如同化學品製造商，裝置製造商需要採購污染控制液體系統時，如果能夠仔細評估以確保此系統不會污染整個製程，甚至可以提升製程的潔淨度時，將可受益良多。 當結構日趨複雜的記憶體與邏輯裝置對於粉塵的敏感度日漸增加時，去除這些粉塵的需要將會變得更加迫切。為了有效控制製程流程中的污染物，透過複雜的液體過濾方式是業界認可的方式。 液體過濾有效控制流程汙染物 最先進的過濾薄膜技術已經能夠去除小於10奈米的粉塵，對於提升整體作業效率，乃至於推進尖端技術而言，是不可或缺的大功臣。現今的過濾器解決方案具備新穎的聚合物設計、多元的薄膜製造技術與先進的潔淨技術，能夠幫助裝置製造商依據使用的化學品特性及所需達到的狀態，量身打造合適的污染控制方案。透過製程監控、統計資料分析與客戶協作方式，這類液體零組件並可提供穩定且可重複實施的解決方案，有效控制污染物。 在無塵潔淨度與污染控制的條件上，沒有一樣零組件是相同的(圖4)。由於每一家HDPE鼓式容器供應商生產條件都不同，因此了解樹脂選擇與持續測試的重要性，乃至於如何運用製程控制方法來維持鼓式容器純度一致性，便顯得格外重要。這時，可以執行每日粉塵測試來達到這個目的。 圖4　在無塵潔淨度與污染控制的條件上，沒有一樣零組件是相同的。 此外，使用多家管線供應商可能會大幅增加污染變異的風險。這時，必須選擇對含氟聚合物處理有專業了解的供應商，並定期進行污染分布圖評估作業，以了解各種潛在的污染來源及其控制方式。 污染分布圖的概念，在於勘驗整個液體系統並將其細分為個別零組件一一檢視，然後從使用的材料以及/或是材料的製程中找出粉塵污染物的來源。一旦製程末端所使用的化學品出現粉塵數量激增現象，檢視各個零組件有助於釐清粉塵出自哪個零組件。 確定污染物出處之後，零組件供應商必須對其製程進行污染分布圖評估，包括設備、材料，乃至於生產零組件的製程，全都須要進行仔細分析。 一旦確定污染源來自材料本身，則整個製程將回到供應鏈的上一個環節，並由材料供應商進行製程的污染分布圖分析，以判斷污染物是出自其原物料饋送材料或是聚合物處理過程。此舉的目的是在整個供應鏈中採取主動檢視的策略，以去除污染物的來源。 為確保系統整體潔淨度，重要的步驟之一是促成使用者和零組件與設備供應商的合作，而這些供應商可在共同執行污染分布圖評估時溯源至整個供應鏈，進而了解並減少污染源。為確保能夠讓OEM廠商與晶圓廠持續收到潔淨的零組件，善用零組件供應商的污染分析能力也能小兵立大功。 除了評估較不容易出現粉塵剝離過濾現象的結構材料之外，還須要持續關注零組件組態、有效減少盲管與截流區，同時降低閥門、泵浦與過濾器的零件移動期間所產生的粉塵數量。計算流體力學分析是零組件製造商用來最佳化產品設計，同時提升零組件沖洗效果的另一項工具。 減少可濾出金屬污染　液體路徑更潔淨 半導體製程中如微影成像、濕蝕刻與清潔在先進的製程節點上對於金屬的敏感度越來越高。在全含氟聚合物輸送系統上，從PFA管線、閥門與純化器等零組件材料中濾出來的金屬物質會降低裝置良率。 無論投入多少資金或時間，想盡辦法沖洗系統以去除其中的粉塵污染，仍舊存在一個無法藉由沖洗方式解決的結構性問題。當化學品停留在貯存容器與漫長的管線裡的時間越久，材料裡的金屬離子就會開始剝離脫落或是濾出，進而污染管線內的所有液體。如此一來，化學品製造商與裝置製造商除了須要找出粉塵污染的原因之外，還必須額外花上許多時間巡察整個化學品輸送系統，藉此判斷金屬離子的來源(圖5)。 圖5　材料等級與製程計畫會因製造商而異，為了準確偵測出可導致金屬污染的製程與金屬變異，執行金屬溶出測試絕對有其必要。 這些金屬污染物通常得花上數個月時間，才會慢慢地從材料中濾出來。密封容器製造商不斷地尋求各種方式，希望藉由金屬含量較低的創新聚合物來降低金屬污染。零組件製造商也努力研發超潔淨的PFA材料，希望藉此降少管線與其他零組件所帶來的污染。 化學品製造商與晶圓廠不但對潔淨的管線深感興趣，還一同參與零組件供應商的研究，目的在於評估並確定管線材料對系統的影響。不過，並非每家供應商都對自家產品進行金屬溶出測試，也不是所有供應商都會想辦法最佳化製程以減少污染。若要準確偵測可導致金屬污染的製程與材料變異，定期分析零組件是重要的法門。 不同的PFA等級以及這些材料的處理方式，都會導致不同的純度等級。出現在原物料饋送過程的污染物，最終會出現在含氟聚合物裡，後者經過擠出加工變成管線或閥門管壁，或是變成過濾器薄膜，而後在整個液體輸送系統中移動穿梭，最終接觸到晶圓並造成晶圓瑕疵。實施污染分布圖分析，有助於找到污染源。 樹脂製造過程始於單體，由於單體本身可能已經存在污染，在經過聚合反應作用室(Polymerization Chamber)時，如果此作用室本身以金屬材質製成，便可能對產出的聚合物粉末造成污染。聚合物在乾燥與擠出為顆粒的過程中，也有機會將一些污染物帶進聚合物顆粒。當零組件供應商將這些聚合物顆粒加工成型為管線時，整個擠出過程也會對最終產品構成另一層潛在的污染源。因此，對材料供應鏈實施污染分布圖分析，攸關是否能夠順利確認金屬污染源，以立即採取修正措施。 光阻劑噴量泵浦之類的製程清潔工具與零組件，也可減少金屬污染的影響。光阻劑與其他微影溶劑無法強力地去除金屬污染物，但是這些污染物一段時間以後還是會濾出，而光阻劑與金屬離子之間的化學反應就會造成凝膠瑕疵與微橋接電路，進而導致晶圓出現電路短路現象。 在先進的邏輯節點上，這些污染物都會對減損裝置良率。在面對光阻劑應用中所使用的各種超純淨、極性，乃至於非極性溶劑時，溶劑純化器能夠極為有效地去除溶劑中已溶解及膠狀金屬污染物。現今市面上的溶劑純化器可去除小於ppt單位的污染物，並成功減少原物料製造乃至於晶圓供應過程中，源自金屬的瑕疵。 另外，在粉塵與金屬含量上，沒有一樣負責材料處理的零組件是相同的。評估機械零組件與結構材料可提高純度等級，協助確保安全及經污染控制的化學品輸送環境。為達到這個目的，全球各地的化學品製造商首先必須確保符合，甚至是超越嚴格的純度規定，同時控制密封容器與配送系統中的粉塵與金屬污染量。 化學/設備/材料三方須緊密合作確保化學品潔淨　 在確保液體系統的整體潔淨度上，另一個重要的步驟是促成使用者和零組件及設備供應商的合作，而這些供應商可在共同執行污染分布圖評估時溯源至整個供應鏈，進而了解並減少污染源。在污染減量策略上，評估零組件潔淨度並採購最潔淨的化學品輸送、過濾、計量與液體處理系統是不可或缺的一環。 整個半導體產業得益於化學品製造商、設備與材料供應商的三方合作，獲得其經污染控制的潔淨產品，以確保從化學品生產到使用端的每個製程步驟的潔淨。如此一來，裝置效能與良率都同步提升，連帶使得成本下降不少。 總而言之，材料商了解潔淨的化學品輸送過程所面對的種種獨特挑戰，因此與客戶共同開發及最佳化各項作業方式，希望藉由找出潛在的污染源，搭配適當的解決方案以去除製程中所產生的粉塵與金屬雜質。從安全有效率的化學貯存及輸送系統，到全系列液體處理產品，乃至於過濾與純化技術的專業知識，協助客戶確保整個製程的潔淨，進而提升良率。 (本文由英特格提供)