在半导体行业有据可查的范围中,微污染是对产率影响最大的因素,它让业界每年耗费约10亿美元,但半导体fab对其仍然知之甚少。“尽管半导体产业是一个成熟的产业,但在理解微污染方面仍处于初级阶段,”Grenon Consulting Inc.的Brian J. Grenon指出。据Grenon介绍,雾状缺陷是可见或可印刷的晶体结构,从污染生长而来,已是困扰半导体业界长达十年以上的大问题。半导体制造商们至今还未能提出良好的解决方案。
具体说来,问题在于雾状缺陷在晶圆、光刻掩膜版和光学元件上形成,使表面退化,导致清洗的停工期变长,甚至造成突变失效。部分微污染正是在清洗工艺中引入的,多数则是从环境中沉积而来。其它的微污染则是用于传送元件的包装带来的。据Entegris的Oleg Kishkovich介绍,主要受结构材料、环境和动态清洗的影响,掩膜版比光刻投影机中的其它光学元件更易于遭受雾状缺陷的影响。
Dominion Semiconductor是第一家公布因硫酸铵雾状缺陷遭受产量损失的公司,那是1997年左右,该公司一天损失了约2500万美元。Grenon介绍,随后几乎每家半导体fab都经历过某种形式的雾状缺陷污染,他还出示了一张雾状缺陷污染的全球分布图。某些时候,实际损失超过了收入,目前为止公布的最大损失额为1亿美元。Grenon说,最坏的情况出现在中国台湾和上海,这些地方环境因素所占分量较重。而且这些问题并没有转好。光刻所使用激光器的波长越短,则对应能量越高,加上晶圆尺寸越大,这个问题越来越严重。最近发生的重大事件距今仅三个月,地点在韩国。

这些问题很难量化,因为没人愿意承认他们实际遇到了雾状缺陷难题。光掩膜行业竞争非常激烈,这使得掩膜版制造产商将每一点信息都隐藏在内部,外界人很难获得资料,如掩膜版清洗了多少次这样的问题。但实际上,掩膜版厂商们用来清洗光刻掩膜版的表面活性剂是雾状缺陷的一大罪魁祸首,Grenon声称他能通过获知掩膜版上有多少层污染物,讲出掩膜版被清洗了多少次。“我们发现清洗次数越多,掩膜版就越脏,”他说。
由于表面活性剂会留下雾状缺陷,它们被认为是清洗工艺中要避免的重要因素。“对光学元件可能进行的最糟糕的清洗,就是将它放入表面活性剂中清洗,”Grenon表示。
晶圆供应商MEMC Electronic Materials Inc. 停止使用表面活性剂清洗用于传送晶圆的包装,据MEMC的科学委员Larry Shive介绍,他们公司发现了能够更加有效控制雾状缺陷的方法。由于雾状缺陷会随着时间持续增长,它极大地降低晶圆的保存期限。但由于MEMC对工艺流程做出了改变,该公司能够将晶圆的保存时间从6个月延长至18个月。
根据Shrive的解释,时变雾状缺陷(TDH)也称为退化雾状缺陷,主要通过下列途径形成:
■ 溶于水的离子和有机分子污染晶圆(其它有机分子也沉积在晶圆上,使晶圆的疏水性更强)。
■ 湿度的变化致使水聚集在晶圆表面上。
■ 表面的水溶解水溶性杂质。
■ 疏水性表面使水形成微细水滴。
■ 微水滴蒸发,形成残留TDH缺陷。
没有湿气时,微污染不会形成雾状缺陷。因此MEMC采取的措施之一是将湿气排出制造工厂(空气保持27%的相对湿度),并减少进入包装的湿气含量。尽管因为晶圆产商不必要像器件产商一样担忧静电放电,他们在工厂中保持很低的湿度很容易,但要做到第二个方面相当困难, Shrive介绍,因为他们每天要清洗成千上万个包装。
除了避免使用表面活性剂,该公司还为包装加强湿气壁垒(包括往包装里添加干燥剂)以及维持包装的完整性。MEMC已发现一些情形,比如有时铝包装被它们存放的金属架划破。即使包装里存在极小的小孔,湿气也可以进入,导致雾状缺陷的形成。过去查找小孔的最佳方法是将包装放过头顶,然后检查是否有光透过——“这并不十分优雅”。MEMC研发出氧化物厚度检测法,可检查包装内部的氧化情况。
Shrive介绍,MEMC还发现他们使用的部分包装排出超标的有机碳,该物质肯定会导致退化,因此他们停止了使用此类包装。硫化物也是已知导致退化雾状缺陷的问题之一,因此他们非常谨慎地确保在环境中没有一点硫化物的存在。
硫化铵导致了第一例公开的雾状缺陷,它作为微污染已广为人知。由于业界已将硫化物从环境中清除,因此硫化铵已经得到了很大控制。但这不意味着雾状缺陷已被解决——业界后来又遇到了新的污染物。尽管业界做出了这些改变,有机物质还是存在。“我们要做的是改变吸附在表面上的分子,”Grenon表示。他指出,最新的一种雾状缺陷是草酸铵,它是由空气中的二氧化碳和水以及铵反应生成(据Air Liquide C Balazs Analytical Service的Mark Camenzind介绍,铵总是能够进入工厂)。
虽然雾状缺陷可能给一家fab带来数百万美元的损失,掩膜版产商们却乐于将光罩带回清洗,因为这可以给他们带来更多收入。并且因为雾状缺陷,fab现在开始订购三块掩膜版,而过去只订购两块:第一块掩膜版在产生雾状缺陷后,被送回掩膜版公司清洗并重新铺上一层薄膜,第二块掩膜版接着投入生产,而第三块掩膜版起到原来第二块掩膜版提供的备用作用。并且,像Entegris这样的公司就可将雾状缺陷看作是“利好”的事情,因为他们从事提供污染解决方案的业务。