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「節能製造與微污染控制」產品及技術發表研討會 2018年12月21日(五)

「節能製造與微污染控制」產品及技術發表研討會 2018年12月21日(五)

AMC微污染控制與化學濾網

康育豪 博士工研院綠能所 經理

1

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半導體製程技術進展

2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2017 2018

7 nm10 nm14 nm22 nm

32 nm45 nm

65 nm

90 nm

130 nm

Gas Molecular Size: 0.3 ~ 1.5 nm

5~25個氣體分子沈積即可佔滿7nm線寬

Airborne Molecular Contaminants (氣態分子污染物)

「T-top」現象 Hazing on Surface

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AMC = Airborne Molecular Contamination

Acids: Proton donor and precursors(e.g.Nox , SOx ,HCl , HF, H2SO4 ,H2S)

Condensables: Compounds with bp>150 oC (e.g.BHT , NMP , DOP,...)

Bases: Proton acceptors (e.g.NH3 , Me3N ,NMP)

Dopants: (e.g.AsH3 , B2H6 , BF3 , TEP, TCPP)

(SEMI F21-95, F21-1102)定義與分類

MX-N X:污染物種 N:concentration in ppt (1*10-12)

1* 10* 100* 1000* 10,000*

酸性物質(A) MA-1 MA-10 MA-100 MA-1,000 MA-10,000

鹼性物質(B) MB-1 MB-10 MB-100 MB-1,000 MB-10,000

凝縮性物質(C) MC-1 MC-10 MC-100 MC-1,000 MC-10,000

摻雜物質(D) MD-1 MD-10 MD-100 MD-1,000 MD-10,000

CLASSIFICATION物質分類

AMC的分類與分級

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AMC分類-MA、MB、MC、MD

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AMC衝擊效應與製程區

Acid Base

金屬線腐蝕奈米顆粒成核蝕刻速率改變量測鏡頭霧化

光罩室黃光微影區

量測區化學研磨區

後段金屬製程區銅製程區域

「T-top」現象奈米顆粒成核光學鏡頭霧化量測鏡頭霧化

光罩室黃光微影區

量測區化學研磨區

Condensable Dopant

奈米顆粒成核光學鏡頭霧化量測鏡頭霧化閘極氧化層

有機矽化合物接觸電阻改變

光罩室黃光微影區

量測區氧化爐管區

電性飄移摻雜參數改變

氧化爐管區擴散區

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AMC污染源

Make-up air

AMC source

Process,

leakage, spill

Recirculation air

Material

outgassing

Fab

exhaustAtmosphere

HCl,H2SO4,HF,

N2O,VOCs

SO2,H2S,O3

NH3,NOx,BEXT

NMP,HMDS,

PGME,PGMEA,IPA

,Acetone,Chlorine

Phthalates, B, P,

NH3, Siloxanes

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International Technology Roadmap for

Semiconductors 2.0, 2015

• ITRS自2005年集結全世界專家/學者協助半導體業提出技術挑戰與面臨的問題，並協助提供AMC控制技術策略建議與指引。

• YE(Yield Enhancement)提供各項AMC控制技術指引

• WECC(Wafer Environment Contamination

Control)制定各製程AMC污染濃度控制恕限值。

• 產率高低將決定於潔淨室環境、化學品純度、氣體純度與超純水等級。

• 虛擬量測(VM)與先進製控制(APC)。

http://www.itrs2.net/

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各製程環境之AMC濃度限制要求Table YE3 Technology Requirements for Wafer Environmental Contamination Control

http://www.itrs2.net/itrs-reports.html

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AMC控制技術策略

AMC微 微 微 微 微 微

AMC微 微 微 微

微 微 微微 微 微 微 微 微 微 微 微

微 微 微 微 微

Air washer

Chemical filter

Ultra purge air system

微 微 微 微 微 微

微 微 微 微微 微 微 微 微 微

微 微 微 微 微

微 微 微 微 微

微 微 微 微

微 微 微 微 微 AMC

微 微 微 微 微

微 微 微 微

Mini-environment/FOUP

Low outgassing

(know how)

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AMC監控策略

關鍵製程區域 非關鍵製程區域

光罩/晶圓儲存區微影製程化學濾網安裝區外氣空調箱蝕刻區清洗區氧化薄膜區

潔淨室迴風區製程過渡區擴散區晶圓測試區潔淨室環境監控區

直讀式(< 3 mins)反應極快(辦別異常)偵測極限(ppb)採樣口線上連結

離線式(1~3 days/time)獲得真值(與缺陷找關聯性)偵測極限(ppt)離線採樣與採樣點變更

AMC監控點的選擇 : 1.可能污染源、2.過去記錄最大濃度區、3.製程敏感區、4.有裝設化學濾網區域。

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ppt-AMC分析技術分析技術/儀器 分析物種 備註

Adsorption Tube + ATD-GC/MS 揮發性/凝結性有機物 離線分析

Impinger + Ion Chromatography 無機性陰、陽離子 離線分析

Impinger + ICP/MS 硼、磷等元素分析 離線分析

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• ATD-GC/MS

• IC

• ICP-MS

GC分析管柱

出口分流

MS偵測器

xxxxx

入口分流

電子冷卻聚焦阱吸附管樣品

儀器分析原理

DetectorColumn

Injector

Pump

EluentSuppressor

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AMC即時監測儀器(< 3 mins)

分析技術/儀器 分析物種 偵測極限

Ion Mobility Spectrometer (IMS) NH3、Amine 0.1 ppb

UV Fluorescence (API) SO2、H2S、TS 0.4 ppb

Chemiluminescence (CL) NO、NO2、NH3 1 ppb

Photo-ionization detector (PID) 有機物質(TVOCs) 20 ppb

Surface Acoustic Wave (SAW) SMC或酸性反應氣體0.02

ng/cm2

Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) 有機物質、矽化合物 1 ppm*m

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直讀式偵測器原理

O3 + NO NO2* +O2

NO2* NO2 + h1100 nm

SO2 + h214 nm SO2*

SO2* SO2 + h250 nm

Chemiluminescence (CL)

UV Fluorescence (API) Ion Mobility Spectrometer (IMS)

強度與濃度相關

強度與濃度相關

Photo-Ionization

Detector (PID)

紫外光10eV

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Wafer晶圓盒(FOUPs)• 全廠控制限縮成局部控制。

• 需考慮其材質釋氣特性。

• 需防止製程間運送的交互污染。(acids after dry etch)

• FOUP內的潔淨程度必須嚴格控制。

• 除非有氣流進出口設計，否則難以實現「吹淨」的做法。

• 以抽真空與灌氮氣循環模式來稀釋污染濃度的累積，可防止氣流死角，淨化氣體速率較快。

• 可導入一些視覺化模式模擬技術， 以評估不同控制技術策略之效益。

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Navier-Stokes Equation

Clean Booth

設備內維持正壓就能保證不被外界污染嗎?

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ITRS Total AMC Concept

中央管排的效率要處理好

材質釋氣控制維護洩露控制人員清洗控制

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化學濾網之應用場域

Recirculation Air

Return

area

FFU

FFU and Minievironment

Outdoor Air

FOUP

ULPA

HEPAChemical

filter

Mini-

environment

Chemical

filter

Point of Use

Gas Purification

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不同應用區域之化學濾網

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• 氣體分子吸附過程，約略可分成四個階段

（1）氣體分子從氣流中擴散(diffusion)至吸附劑的外表面或孔洞外部

（2）氣體分子進入孔洞內部，並吸附於吸附劑表面上

（3）吸附於表面氣體分子之進行表面擴散至更深層之內孔洞表面

（4）AMC在固體表面進行吸附或離子交換反應

濾網 濾材

吸附劑

化學濾網AMC移除原理

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氣體吸附濾除原理

• 物理性吸附(physisorption)

凡得瓦爾力、氫鍵、靜電庫侖力

• 化學性吸附(chemisorption)

酸鹼中和反應、氧化還氧反應

M-H2PO4+2NH3+2H2O → M-（NH4)2PO4+2H2O

H2S + ½ O2 → S0 + H2O

• 離子交換法(Ion Exchange)

R－SO3-H+＋NH3+H2O → R－SO3-NH4

++H2O

(KOH、K2CO3等鹼性改質)

(H3PO4等酸性改質)

2 nm

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物理性吸附VS.化學性吸附

特性 物理性吸附 化學性吸附

吸附力 凡得瓦爾力 與原子價力相同

吸附熱 小於 10kcal/mol 10~100 kcal/mol

選擇性 無 有選擇性

吸附速率 快速 較慢

吸附層 單分子層或多分子層吸附 單分子層吸附

發生溫度 較低溫度發生(高溫遞減) 高低溫均會發生(高溫較快)

可逆性 可脫附再生 無法脫附再生

表面吸附量 與比表面積成正比 與反應性成正比

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濾材覆載技術產品外觀 吸附劑技術

摺數與厚度低阻抗設計高去除效率高容量與壽命

結構設計

模組化設計綠色產品設計

可再生型設計

可再利用設計

化學濾網技術

吸附劑種類吸附劑的量比表面積活性表面吸附劑改質

吸附劑粒徑吸附材強度低發塵設計黏著劑選用

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不織布包覆活性碳顆粒

活性碳蜂巢體PU-發泡式

吸附劑覆載技術

顆粒填充式

extruded carbon composite

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化學濾網產品形式

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化學濾網特性

• 一種化學濾網無法同時解決所有AMC的問題。

• 壓損、釋氣、效率、容量。

• 空間限制、成本限制、壓損(能源)限制。

• 容量大的濾網擺前段，高效率的濾網放後段。

• 壽命取決於環境平均濃度與峰值、出口濃度限值。

• 趨勢朝循環再利用(加熱再生、框架回收減廢)。

• VOCs型濾網可再生5~8次，使用年限超過5年。

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沈積量(缺陷)與氣體濃度之關聯性

• 表面沈積量(𝐶𝑠)與氣體濃度(𝐶𝑔)、曝露時間(𝑡) 、

氣體分子運動速度(𝑉𝑇)(物種、溫度)、晶圓面積(𝐴𝑤𝑎𝑓𝑒𝑟)、沈積係數(𝑆𝑐)有關。

𝑆𝑐 =𝐶𝑠

𝐴𝑤𝑎𝑓𝑒𝑟𝑡𝐶𝑔 Τ𝑉𝑇 4

𝐶𝑠 = 𝑆𝑐 𝐴𝑤𝑎𝑓𝑒𝑟 𝑡 𝐶𝑔 Τ𝑉𝑇 4

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ITRI全尺寸化學濾網性能測試系統

參考JIS B9901

JIS B8330

ISO/TS-11155-2

NT VVS 109

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ITRI化學濾網性能測試系統示意圖

測試項目:

1.初始去除效率測試 4.有機性、無機性與硼磷釋氣分析

2.飽和吸附容積測試 5.發塵量測試

3.壓阻曲線測試 6.濾網後流速分布

濾網測試件規格

高 592 ~ 610 (mm)

寬 592 ~ 610 (mm)

厚 30 ~ 300 (mm)

DMS

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化學濾網性能測試系統之測試能力溫度範圍 10 ~ 35℃ (23℃± 0.5℃)

溼度範圍 30 ~ 95% RH (50% ± 3%)

風量範圍 面風速 0.3 ~ 2.5 m/s (6.48 ~ 54 CMM)

測試物種 異丙醇、甲苯、NH3、H2S、SO2、DMS

標準氣體濃度控制範圍

有機性

IPA : 10 ppb ~ 10 ppm

Toluene : 10 ppb ~ 10 ppm

DMS : 10 ppb ~ 10 ppm

無機鹼 NH3 : 10 ppb ~ 10 ppm

無機酸H2S : 10 ppb ~ 10 ppm

SO2 : 10 ppb ~ 10 ppm

供風氣流之潔淨度 < 1 #/ft3以下 (0.3μm以上)

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化學濾網性能測試系統-系統能力

穩定度

環境空調的設置使系統穩定度建立ppb級測試條件

風速均勻度:2.1%

濃度均勻度:1.5%

%1001

n

V

VV

u

n

a

na

均勻度

V5

V7

V4

V2V1 V3

V6

V8 V9

氣流方向

採樣點示意圖

測試系統

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化學濾網檢測儀器設備分析項目 甲苯/IPA VOCs有機性氣體 NH3與無機酸鹼性氣體 H2S/SO2

外觀

分析方法 光離子化法 氣相層析質譜分析 離子電泳質譜 離子層析法 紫外線螢光法

儀器名稱 PID ATD-GC/MS IMS IC API

量測範圍 20 ppb ~100ppm 0.1 ppb ~ 10 ppm0.1 ppb~100ppb

10 ppb~10ppm

0.1ppb ~

10 ppm

0.1 ppb ~

20 ppm

偵測極限 1 ppb 0.1 ppb 0.1 ppb 0.1 ppb 0.4 ppb

精確度 ±10% or 20 ppb 5% of reading 2% of reading 5% of reading 0.5% of reading

偵測型態 即時 離線 即時 離線 即時

採樣方法 無 Tenax 吸附管 無 衝擊瓶 無

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標準測試方法與系統比較測試標準 JIS B 9901 ISO/TS 11155-2 NT VVS 109 本測試系統

測試對象 生活與作業環境 車用型 車用型 潔淨室與一般環境

測試條件23±3℃,

55±10%RH

23±3℃,

50±2%RH

20℃, 30%RH,

30℃, 80%RH,

23±0.5℃,

50±2% RH

容量測試結束點 85% 5% 5% 70% ~ 80%

上游微粒潔淨度 <0.15 mg/m3 裝設HEPA NA <1 #/ft3

流量準確度 NA ±3 % ±3 % ± 1 %

壓力準確度 NA ±2 % ±2 % ±2 %

溫度準確度 ±3℃ ±3℃ ±1℃ ± 0.5℃

濕度準確度 NA ±2%RH ±3%RH ± 3%RH

濃度穩定度(隨時間) ±10% ±3% ±5% ±3%

濃度均勻度(隨位置) ±5% ±5% ±5% < ± 3%

濃度取值間隔 ＜30 min >10 sec ＜5min 1 ~ 5 min

系統尺寸 55*55 cm方型管 NA 12.5 cm直徑圓管 60*60 cm方型管

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ASHRAE 145 Standard (ISO 10121)

145.1–Laboratory Test Method for Assessing the Performance of

Gas-Phase Air Cleaning Media.(2009)

145.2–Laboratory Test Method for Assessing the Performance of

Gas-Phase Air Cleaning Systems: Air Cleaning Devices.(2011)

145.1 Test Apparatus Schematic

Clean Air Supply

Humidification

Control System

Challenge

Gas

Temperature Control System

Media

Column

Pressure

Measurement

Temperature & Humidity

Measurement

Measurement

Instruments

145.2 Test Rig Schematic

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化學濾網性能指標• 壓阻 VS.風量

• 發塵量

• 釋氣濃度分析

• 初始去除效率(η)

• 飽和吸附容積(壽命)

%100

in

outin

C

CC

310)()273(

1

082.0

1VQ

dttM

TCin ，

Cin，為濾網上游氣體濃度(ppm)、V為測試風量(m3/min)

T為系統內溫度(℃)、M為標準測試氣體分子量(g/mole)

inout CCC outgassing

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吸附劑粒徑效應

4x8 mesh 大粒徑

20x50 mesh 小粒徑

80 ppm 甲苯

Ref. AQF technology report

粒徑愈大，氣體擴散路徑愈長，不易進入深層孔洞，效率愈差

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污染物濃度對吸附性能之影響

%100

out

outin

C

CCEfficiency

50%

55%

60%

65%

70%

75%

80%

85%

90%

95%

100%

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Time(hr)

Effic

ien

cy

1ppm10 ppm

甲苯

測試濃度 Capacity (g)

1 ppm 180 g / filter

10 ppm 223 g / filter

飽和吸附容量測試結束點設定在80%去除效率值

針對物理性吸附污染濃度越高, 飽和吸附量越大

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改質劑對吸附性能之影響

強酸改質

弱酸改質

未改質

Ref. AQF technology report

中等酸性改質

50 ppm 氨氣

改質劑含量相同皆為15% wt

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水汽效應-物理性吸附

75%RH 35%RH

35%RH = 9205 ppm

75%RH = 19725 ppm

35%RH

75%RH

80ppm C4H10 正丁烷，沸點- 0.5 ℃ 80ppm C7H8 甲苯，沸點110℃

影響程度視污染物之吸附親和力(affinity)強弱而定

Ref. AQF technology report

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濾材壓損

濾材去除效率

濾材飽和容量

規格: 5*5*5 cm

流量: 0~150 LPM

面速度:0~1.0 m/s

小型吸附濾材測試系統

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小型吸附濾材測試系統

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微 微 微

I C 微 微

GC- MS 微 微微 微 微 微 微

HEPA

微 微 微 微 微

微 微 微 微

微 微 微 微

微 微 微

微 微 微 微

微 微 微 微

Tenax GR

微 微 微

pump

pump微 微 微 微

材料釋氣分析測試裝置

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結論與展望

• AMC控制技術已成為半導體良率提升之必要手段。

• 可整合潔淨室廠務的設計有效減少污染源、交互污染與人員不當操作，減少AMC控制成本。

• 工研院綠能所自2007年已建立一套全尺寸化學濾網性能測試系統與微量AMC分析能力，可提供國內半導體業者或濾網產業性能測試平台與相關AMC防治技術。

• 化學濾網性能差異大，使用前應審慎評估處理污染對象與需求，並明瞭廠商型錄性能與實際性能之差異，才能達有效控制AMC之目的。

• 需建立實廠應用與實驗室性能數據比對連結，以了解實際實廠運用化學濾網壽命與其濾網更換時機。

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