空气传播分子污染物(AMC)、源头及控、监系统的研究.doc

空气传播分子污染物（AMC）、源头及控、监系统的研究 作者：吴维明 郝美功 上海申和热磁电子有限公司 摘要 AMC控制涵盖三大步骤: 1）评估相应设施内部与外部的空气质量；2）设计、筛选与建立AMC控制系统；3）对受控环境与AMC控制系统的控制效果进行过程监测1。此次将通过研究某半导体制造工厂应用AMC控制程序的案例，与大家一起探讨关于以上三个步骤的具体内容。通过研究大家可以了解AMC并掌握如何制定正确的AMC评估战略、描述与建立AMC控制原则和规范、理解AMC控制系统的设计理念。 关键词 空气传播分子污染物 污染源头 根除控制 实时监控 一、引 言 集成电路工业，自1958年世界上第一块硅（Si）集成电路诞生以来经过48年的发展，现今已进入巨大规模集成电路（ULSI）发展时期。半导体工业制作的集成电路组件尺寸（CD）越来越小，2005年还是大批量的生产90nm，但到2006年至2007年65nm以及45nm的也开始投产（表1），随着12英寸硅片技术的成熟，在一块小小的芯片上，就可以整合更多的器件，而且随着技术越来越快的发展，不仅对设备的要求就要越来越精密、可靠，而且对工艺制造环境的要求也是越来越严格。而洁净室就是一个为环境敏感物质与产品打造的工艺制造环境，主要用于提高成品率与产量。而经过几十年的发展，洁净室中最早被认识并加以控制的空气颗粒过滤技术已是一门“成熟”的科学技术，并能够灵活的被应用在每个微小环境中。而一些微小的化学挥发性气体往往会被忽略，但实际它们对很多加工处理过程有害，特别是在集成电路工业，同时它们亦可能造成一定的人体健康危害。因此为了能够提供一个“更洁净”的生产环境，近年来空气传播分子污染物AMC（Airborne Molecular Contaminant）也逐渐被认识并加以重视。二、认识AMC (一) 什么是AMC? 术语“空气传播分子污染”（AMC），也简称“分子污染”，它包括了洁净室空气中出现的一系列污染物，其一般都具有以下特征：1. 以气体、蒸汽及空气浮尘状态出现；2. 其化学特性可以为有机的或者无机的；3. 包括酸、碱、聚合物添加剂、有机金属化合物、凝缩剂与添加剂。 如按照其大小来区分，可以分为三种形态： 1. 固态（微粒状的），即直径在0.003到100微米，如灰尘、烟雾等； 2. 液态（和蒸汽），大概在1到9微米，如蒸汽、烟雾浮尘等； 3. 气态，约在0.0003到0.007微米， 如二氧化硫（SO2 ）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、甲醛（HCHO）、硫化氢（H2S）、二氧化碳（CO2 ）等。 (二) AMC的SEMI F21-01定义 酸：一种腐蚀性物质，其在化学反应中吸收一个电子。 碱：一种腐蚀性物质，其在化学反应中释放一个电子。 凝缩器：一种能在清洁表面（水除外）产生凝结的化学物质。 添加剂： 一种改变半导体材料电性质的化学元素。 (三) AMC对半导体工业的影响 1. AMC描述了广泛的化学品类型，这些化学品往往导致大量潜在的工艺流程问题。 2. AMC几乎对亚微米器件生产的任何方面都产生影响，基本贯穿整个生产流程和器件的最终性能。3.半导体制造工艺所实现的300mm晶片、铜互连以及器材集合尺寸低于0.01微米的变化，正在加快相应制造环境向无分子污染（AMC）的方向转变。 4. AMC控制正成为所有新型半导体制造设备设计要求中所必须的要点之一。 (四) 晶圆加工实例 在洁净室内一般AMC浓度在几十ppb就可以使在此工艺制造环境中加工的硅晶圆表面生成彩色状颗粒，特征如下： 1. 聚光下呈彩色颗粒状（图1），且随放置时间加长而恶化，发生的代表品种为重掺砷的品种。 2. 电子束照射约20秒后颗粒消失（图2），且通过SEM分析没有发现有金属成份。（五）实施AMC控制的流程 AMC控制已经发展为三级进程的流程，以实现最佳的控制效果： 1. 评估设施内部和外部环境空气质量，从而确定潜在的污染源； 2. 筛选和认证AMC控制系统； 3. 同时进行受控环境和AMC控制系统的监测。 三、洁净室内AMC潜在的污染源 在一个半导体制造工厂的洁净室内，主要潜在的污染源头主要有以下地方： （一）补给风（即从外来引入的新风） 在当今世界许多环境中，周围环境气体包含一定水平的臭氧、硫化物、氮氧化合物和挥发性有机化合物（VOC），如来自汽车排气和燃烧过程的硫化物和氮氧化物、来自沿海区域大气中的氮气和硼、来自农业行为的氨水和胺等，再加上半导体制造工厂自身所排放出大量的工业废气（图3）。（二）环流气体（洁净室内部产生） 洁净室内部AMC污染物来源包括：操作助剂、溶剂、制造设备、意外溢出和化学发射。例如散发来自操作工具和化学补给线、酸来自于未干的油漆、交叉污染物产生于制造区域之间或大量气态化学储藏区域，另外建筑和结构材料以及洁净室人员也会排放出一定量的AMC污染物。 四、筛选和认证AMC控制系统 （一）确定AMC控制规格 为了达到一个可接受程度的污染物控制，以相对经济的角度而言，一个集合了污染源控制、稀释与去除控制的方案是必不可少的。而AMC控制规格应根据各个制造商的产品特性及实际要求来制定（表2）， 虽然AMC控制规格可能会不一致，但AMC控制的必要性已经被许多制造商所重视，并拥有一致的目标生产制造的环境改进与成品良率的提高。 （二）AMC控制方式 AMC的控制方式有许多种，但大概归纳起来主要还是以下几种： 1. 对污染源进行控制（Source Control），如移走污染源； 2. 通风控制，即通过引入洁净空气，排走或者稀释污染的空气； 3. “根除”控制，目前行业中广泛应用的并证明是最有成效的控制AMC方式。一般是： （1）通过物理或化学方式控制污染物（化学过滤器） （2）物理吸附、化学吸收、化学反应的方式 （3）溶解于水的特性来稀释（水淋洗） （三）选择AMC控制方式时需考虑事项 选择AMC控制方式时应对以下事项进行必要的考虑： 1. 需要用到怎样的监控与测量系统？ 2. 所选择的系统之压降是多少？ 3. 是否需要前过滤？ 4. 选择什么样的过滤方式？ 5. 这样的过滤方式是否会产生其它污染问题或者逆污染？ 6. 这样的过滤方式是否容易卸装、更换？ 7. 多少的购置成本？ 8. 制造厂商是否提供当地技术支持与技术服务？ （四）“根除”控制之化学过滤方式的原理 化学过滤方式来根除控制AMC是目前被行业极力推荐及其效果也深受信赖的一种方式，而它主要根据以下原理： 1. 吸附：一个可逆的物理过程。吸附没有明显的化学反应，它主要的原理就是依靠范德华力（Vander Waals）。 2. 吸收：一个物质渗透入另一个物质结构的过程。吸收的原理主要是依靠化学反应。 3. 化学吸收：结合两个阶段的处理，包含了吸附以及通过吸附与污染物的化学反应的效果。它的原理是：经过化学处理的材料靠范德华力抓到气体分子（吸附），材料上的化学成分有选择的与有害气体（污染物）产生化学反应（吸收），生成固体成分或无害的气体。 目前在通风和空调领域，一般使用含高锰酸钾的活性氧化铝（图4）以及经过浸渍物（如磷酸+柠檬酸）改性后的活性碳（图5）作为主要气态空气化学过滤材料，而在前端浓度一定时(如80 ppb或更低时)它们单向的过滤效率一般都可达到9599%3。 五、AMC的监控 一旦AMC被决定控制并实行，即不管使用那种控制方式，都必须能够监控这种方式或系统是否能满足指定的AMC控制标准，这些控制标准主要指洁净空间和各级过滤系统的最终控制效果。而一个完整的监控程序一般会提供以下几种作业：1. 当前污染物类型和相对级别； 2. 环境空气质量对应的特定空气净化级别； 3. 化学过滤系统性能估算； 4. 核实特定或者标准AMC级别。 而一直以来在整个AMC监控程序中最大的问题是无法确认适当的化学气体污染物的级别。不过目前除了选择使用IC进行检测（图6）或铜、银挂片反应（图7）这两种监测方式外，现市场上也开始出现了有许多实时监控的仪器及系统（图8），它们的检测能力有的也能达到十亿分率（ppb），甚至兆分率（ppt）的探测极限，通过以上的监测方法都能够准确的将化学气体污染物测量出来，并且还可以提供此类污染物的实时监控数据与相对级别，那样我们就可以便于与现有的制度或控制标准对照、检查。 而不管要选择那种监控方式或技巧都应考虑以下特性： 1. 灵敏度：对大多数污染物的探测限值应达到1ppb1µg/m3或者更低。 2. 精确度：与实际浓度的接近程度如何？在选择时应尽量与实际浓度相接近。 3. 再现性：对给定的条件组每次是否得到相同的答案？ 4. 选择性：是否有来自其它化合物的干扰？ 5. 识别：出现的具体污染物是什么？ 6. 容易操作：需要的校准、准备时间、复杂性等。 7. 尺寸重量：是实验室用的，便携的还是手持的？ 8. 日常费用：包括易损件更换、工作时间、维护、校准等。例如相对于上面所说的两种监测方式，实时AMC监测系统虽然在使用上较方便，但成本也相对较高。所以后续开发一种即满足以上特性，而且成本更低、更便携的监控仪器将成为市场的下一个热点3。 另外，对AMC的监控还应包括确认位于制造设备的“污染源热点”、跟踪发生在生产线“AMC事件”，并寻找洁净室内或半导体器材上，AMC与造成的损失的关系和定期评估AMC过滤或控制系统的效果。 六、总 结 通过以上讨论，大家应该已经了解并掌握如何制定正确的AMC评估战略、描述与建立进化中的AMC控制原则和规范、理解AMC控制系统的设计理念。但在对AMC进行监、控时最终还应考虑以下事项： 1. 尽管AMC控制系统的说明很难一时理解，但如果给予适当的时间思考后，你就可以成功的得到多数应用中更经济、有效的解决方法4； 2. 关于一个特殊系统在既定的条件下运行，往往和预见的不同； 3. 应该确定通过安装这样一个系统，他们到底要完成什么目的； 4. 然后定期跟踪他们（系统）是否已经到达我们设想的要求； 5. 设计时厂家应配合提供对于任何预期使用条件下污染物浓度的工作（性能）数据； 6. 必须考虑适用性和工作环境的变化对系统的影响； 7. 系统的服务寿命（含过滤器）不应该只是性能说明书的一部分，而应考虑成为厂商对其客户履行的承诺之一。 参考文献 1 王海桥、李锐主编，空气洁净技术M，北京：机械工业出版社，（2005） 2 JACA, No. 35A，“洁净室及关联控制环境中关于分子状污染物质的空气清净度表记方法及测定方法方针”R，日本空气清净协