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半導體先進制造"超凈高純"中金屬雜質的控制及SEMI F57標準【金屬雜質控制與F57化學品輸送系統的高純聚合物材料和組件規范】
來源: | 作者:shjinfu | 發布時間: 2024-07-24 | 715 次瀏覽 | 分享到:


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上海勁孚化工科技有限公司

     www.kkm9.cn(上海勁孚化工科技  021-57629631)--亞太地區(氟)化工原料與特種新材料專業供應商。

     公司致力于氟樹脂工業與其他特種新材料產業的前沿技術與銷售,目前主要經營氟塑料(PTFE/FEP/PFA/ETFE/PVDF等)、色母、氟涂料、PEEK芳綸、碳纖維、玻璃纖維、功能性化學品及其他特種新材料。  

一:半導體制造中金屬雜質的控制

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       在半導體制造過程中,確保雜質的精準控制是至關重要的一環。雜質的存在會對半導體的電導率產生負面影響,從而導致半導體性能的下降或破壞。在半導體制造過程中,控制金屬雜質含量是一項至關重要的任務,因為這些雜質可以通過擴散或電遷移的方式在芯片中快速擴散,從而成為最主要的來源之一。

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金屬雜質的種類

      金屬雜質通常來自顯影等工藝,比如在顯影工藝中如果用KOH堿性溶液便會帶來K金屬污染。還有一種金屬雜質的來源是一氧化碳等氣體作為改進晶圓工藝的附加氣體,能與設備中不銹鋼中的鎳、墊圈、氣體傳輸系統中的其他部件起反應生成諸如鎳的四羰基化合物并附著在晶圓表面,導致器件缺陷增加。 


      在半導體制造過程中常見的金屬雜質元素分重金屬和堿金屬兩種:堿金屬有鈉Na、鉀K和鋰Li;重金屬有鐵Fe、銅Cu、鋁Al、鎢W和鈦Ti等。


      金屬離子在半導體材料中是高度活性的,被稱為可動離子沾污MIC。比如MIC進入晶圓后遷移到柵結構中的氧化硅界面,改變開啟晶體管所需的閥值電壓,金屬離子可在電學測試和運用很久后沿著器件移動,引起器件在使用器件失效。


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金屬雜質的引入來源

環境

     在半導體的制造過程中,人體是一種重要的堿性金屬雜質來源,其主要途徑包括但不限于以下途徑:


     1、汗液:人體所分泌的汗液中富含多種堿性金屬離子,如鈉、鉀等。這些離子是一種很容易被人體吸收的化學物質,當身體需要時可從尿液中排出,但也有一些離子不能通過皮膚和呼吸道進入體內。當工人在操作過程中與設備或硅片接觸時,可能會發生離子轉移現象,導致這些離子被轉移到硅片表面。


    2、衣物:工人所穿著的衣物可能含有堿性金屬離子,這些離子可能會對其造成影響。盡管在潔凈室中從事工作的人員通常需要穿戴防靜電服,然而衣物表面仍可能殘留一些金屬雜質。


     3、工具和容器:工人所使用的器具和容器,若未經過充分的清潔,可能會殘留著金屬雜質。這些金屬在空氣中極易氧化,使其表面產生一層保護膜,影響使用效果。此外,若工具曾被汗水或其他液體浸濕,其可能會吸附更多的離子,從而增加其吸附能力。


      4、皮膚屑和頭發:在皮膚和頭發中,也有可能存在含有堿性金屬離子的成分。盡管在潔凈室中,工人通常需要佩戴帽子和手套,但是這些防護措施并不能完全確保安全。通過環境和人體引入的風險需要嚴格控制。

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工藝化學品

      許多工藝化學品,包括酸、堿、溶劑、清洗劑、氧化劑等,盡管它們通常經過精細的純化過程,但可能含有微量的金屬雜質,這些雜質可能對產品的質量和性能產生負面影響。如果這些產品中存在大量金屬雜質,就有可能影響芯片生產的成品率和性能。為了規避這些金屬雜質的影響,芯片制造商將實施一系列措施。在某些情況下,需要對這些產品進行特殊處理,以便除去其中的一些有害元素或其它雜質。為了減少雜質的含量,他們會采用高度純凈的工藝化學品,這些化學品通常會經過一系列嚴格的純化過程。化學品的供應商需要逐步提高純度級別,降低金屬雜質的含量。


工藝制程

      在半導體芯片的制造過程中,幾乎每一個步驟都可能涉及到金屬雜質的引入,這是一個不容忽視的問題。這些金屬離子進入后將引起器件性能下降和成品率降低,甚至導致報廢。金屬離子可能會被引入到多種工藝中,包括但不限于清洗、刻蝕、沉積、退火和離子注入等,而其中離子注入工藝所導致的金屬雜質污染是最為嚴重的。

金屬雜質的影響

     金屬雜質的存在或許會對硅晶體的電導率產生影響。這些變化都將引起電學性質的顯著變化。當硅晶體中存在過多的雜質時,它可能會經歷從絕緣體到導體或半導體的轉變。對于半導體設備而言,精準掌控電導性是一項極為棘手的挑戰。


      金屬雜質的存在可能導致晶體缺陷的出現,例如點缺陷、位錯等,這些缺陷可能會對晶體結構造成影響。由于硅材料中存在著大量的空位,所以硅中也含有一些空位型缺陷。這些缺陷或許會對硅晶體的電學和機械性能造成負面影響,從而降低其性能和可靠性。

金屬雜質的控制

     在半導體制造過程中為了降低金屬雜質影響,一方面提高制造環境潔凈度,一方面要嚴格控制制造過程中使用到的化學物品的金屬雜質含量,降低引入風險。


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二:SEMI F57介紹

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SEMI F57介紹及測試項目

    SEMI F57 - Specification for Polymer Materials and Components Used in Ultrapure Water and Liquid Chemical Distribution Systems

      SEMI F57:用于超純水和液態化學品輸送系統的聚合物材料及組件的規范文件。標準規定了在UPW分配系統中輸送超純水(UPW)的超高純度(UHP)聚合物材料和組件的最低性能要求。主要針對聚合物材料和組件的性能要求和驗證。

       國際半導體產業協會SEMI為半導體制程設備提供了一系列環境、安全和衛生方面的準則,適用于所有用于芯片制造、量測、組裝和測試的設備。半導體先進制程工藝中使用的超純水,超純化學品的使用要求日益提高,材料的選擇在半導體濕法工藝中越發重要,對含氟聚合物的純度要求也越來越高。SEMI F57標準對UHP液態化學品輸送系統(LCDS)中高聚合物材料和組件的選擇、生產過 程、產品結構設計等各方面均提出了要求和有效建議。

SEMI F57標準適用的主要產品類別有:

Ⅰ. 半導體超純水和液態化學品傳送系統中的聚合物材料、組件及過程設備;Ⅱ. 管道、配件、閥門、過濾殼體、壓力傳感器、流量計、計量器、校準器;

二 SEMI F57 測試項目

1.SEMI F57 需要測試的4類參數:

? 陰離子污染? 金屬離子污染? 總有機碳 TOC? 表面粗糙度

2.SEMI F57的其他定性要求

? 機械性能? 物理性能? 耐化學性? 可靠性? 可追溯要求? 包裝要求

3.主要使用化學品

? UPW? 酸,堿和氧化劑? 鹽水溶液

4. 不同產品對應的測試項目

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純度要求

   1: 陰離子污染:

   總共8類,名稱和限值如下:

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     2. 金屬離子污染:

     總共22類,名稱和限值如下

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   3. 總有機碳TOC:

    TOC可以對半導體加工產生影響,包括硅氧化、蝕刻均勻性、清洗(包括晶片和掩模)、粘附、柵氧化層擊穿電壓、外延、原子層沉積(ALD)、氮化硅的CVD或其他薄膜沉積步驟。

    ? TOC要求如下:

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    4. 粗糙度:

    ? 對于不同工藝的產品表面粗糙度要求如下:

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對聚合物材料及組件的通用要求

    

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參考的標準

     

SEMI C69 — Test Method for the Determination of Surface Areas of Polymer Pellets

SEMI C90 — Test Methods and Specification for Testing Perfluoroalkoxy (PFA) Materials Used in Liquid Chemical Distribution Systems

SEMI E49 — Guide for High Purity and Ultrahigh Purity Piping Performance, Subassemblies, and Final Assemblies

SEMI F40 — Practice For Preparing Liquid Chemical Distribution Components for Chemical Testing

SEMI F61 — Guide to Design and Operation of a Semiconductor Ultrapure Water Systems

SEMI F63 — Guide for Ultrapure Water used in Semiconductor Processing

ASTM D4327 — Anions in Water by Chemically Suppressed Ion Chromatography

ASTM D4779 — Total, Organic, and Inorganic Carbon in High Purity Water by Ultraviolet (UV) or Persulfate Oxidation, or Both, and Infrared Detection

ASTM D5904 — Standard Test Method of Total Carbon, Inorganic Carbon, and Organic Carbon in Water by UV, Persulfate Oxidation and Membrane Conductivity Detection

ISO 4287 — Geometrical Product Specifications (GPS) – Surface Texture: Profile Method – Terms, Definitions and Surface Texture Parameters

SEMASPEC 92010936B-STD — Provisional Test Method for Determining Leachable Trace Inorganics in Ultra Pure Water Distribution System Components

三:半導體"超凈高純"的離子析出

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半導體濕電子化學品離子析出

    氟塑料PFA/PTFE:在"超凈高純"的半導體先進制造中的離子析出:
        
       濕電子化學品的金屬雜質含量越低、顆粒度越小,越是可以應用于更為先進的晶圓制程工藝。所以濕電子化學品的核心指標就是“純凈度”,為了給濕電子化學品按照純凈度進行劃分,我們會使用到SEMI標準對濕電子化學品進行分級。SEMI標準是由國際半導體設備與材料產業協會(Semiconductor Equipment and Materials International)制定,其將濕電子化學品分為G1-G5五個等級。G1等級濕電子化學品適用制程為>1.2μm、金屬雜質≤1000μg/L、顆粒度≤1.0μm;而G5等級濕電子化學品適用制程<0.09μm、金屬雜質≤0.01μg/L、顆粒度更小。

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      半導體先進制造中液體接觸的這些濕法工序中,所使用的清洗或蝕刻流體經常被加熱以提高其效率。人們開發了用于半導體制造的各種流體加熱器,并且這些加熱器通常使用含氟聚合物來構造接觸液體的部件(即加熱器中實際與待加熱流體接觸的部分)。

       這些應用通常使用以下兩種特殊類型的含氟聚合物:聚四氟乙烯(PTFE)和可溶性四氟乙烯(PFA)



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