浅谈洁净室

一、前言
半導體生產製程包含精密的微機電和積體電路，對於生產環境之潔淨度的要求特別嚴
格，因此整個製造過程都在嚴格控制的環境條件下，也就是一般熟悉的潔淨室
(cleanroom)。傳統上，潔淨室的潔淨度分級定義，乃根據美國聯邦標準弟209E規定，以
每立方英尺空氣中大於或等於0.5微米(≧0.5 μm)之微粒的數目作為潔淨室的潔淨度分級
標準，例如class 100的潔淨度即表示每立方英尺空氣中≧0.5 μm的微粒數目不得大於
100顆。然而隨著製程特徵尺寸(feature size)的快速縮小，傳統的潔淨度分級已無法滿
足生產製程對環境中之空氣污染標準的嚴格要求。
傳統上，HEPA和ULPA是半導體製程中賴以控制微粒污染的技術，但隨著製程特徵尺
寸由0.25 μm快速演進到0.13 μm，甚至奈米(<0.1μm)製程時，越來越多的研究發現，
潔淨室空氣中存在的懸浮分子污染物(Airborne Molecular Contaminants, AMC)，將會對
不同製程產生**的影響，嚴重時可能對產品造成致命的缺陷(killer defect)而影響良
率。

二、懸浮分子污染物的分類
何謂AMC(Airborne Molecular Contaminants, 懸浮分子污染物)？簡而言之：對產品
或製程的良率有決定性影響的非粒狀懸浮化學污染。國際半導體設備及材料協會
(Semiconductor Equipment and Materials International, SEMI)在SEMI F21-95 (現為
F21-1102)的標準中，根據化學品的特性，將潔淨室中的空氣污染物分為酸(Molecular
Acids, MA)、鹼(Molecular Bases, MB)、可凝結物(Molecular Condensables, MC)和摻雜
物(Molecular Dopants, MD)四大類，其定義如下：
MA：包括鹽酸、硝酸、硫酸、氫氟酸等 MB：鹼包括氨、HMDS、TMAH、NMP和胺(amines)等 MC：指常壓下沸點大於室溫且會在表面凝結的化學物質，但不包含水

MD：可改變半導體物質之電性的化學元素如硼、磷、砷等

同時參照以空氣中微粒數的潔淨度分類方式，以每十億分之一體積(pptv)的濃度對應每立
方英尺中一個微粒，將潔淨室內的潔淨度依照MA、MB、MC和MD分級如表一。


同時，針對各種特徵尺寸之生產環境的空氣中AMC濃度要求，International
Technology Roadmap for Semiconductor (ITRS)分別針對0.25 μm到0.10 μm等製程技
術的生產環境，建議嚴格的空氣品質要求標準(表二)。

三、AMC對製程良率的影響
SEMATECH研究各種AMC對0.25 μm製程之良率的影響，發現不同AMC對不同的製程影
響度不一，表三為0.25 μm製程環境中各種AMC的建議標準。根據SEMATECH的研究，MD對Pre-Gate Oxidation製程的良率影響济大，在此製程，MD的建議標準為0.1 pptM，MC則為1,000 pptM (1 ppbM)，但MA和 MB的影響相對地較小，容許濃度為13,000 pptM (13 ppbM)；Salicidation製程對空氣中的MA較敏感，建議標準為180 pptM；同樣地，Contact Formation製程也受MA的影響較大，製程環境的標準為5 pptM；至於DUV Photolithography製程，對環境中的MB有較嚴格的標準，建議济高的MB不得超過1,000 pptM (1 ppbM)。表四為各種污染物對製程、設備和產品良率的影響。其中，DUV微影製程受到amines的影響造成T型頂(T-topping)或線距改變的情形，在眾多的研究中已被證實，例如Kinkead等人研究發現晶圓暴露在4 ppbv的ammonia下，只要10分鐘的時間，就會造成線寬改變。

四、潔淨室 AMC 的來源
潔淨室內的AMC來源大致包括外氣、製程化學品、機台設備、潔淨室內工作人員和潔
淨室建材等。外氣的污染包括他廠和自己的煙囪排放，汽機車排放的廢氣，經由外氣補充口(Makeup Air Unit)再吸回潔淨室內；製程化學品的逸散包括機台、製程設備、維護保養(Preventive Maintenance, PM)和化學品異常洩漏；潔淨室內工作人員本身也會釋放某些[5]污染物，尤其是胺類(MB)，Kishkovich和Larson在其研究中發現，無塵室中工作人員的身體和吐氣會釋放出高濃度的MB，在無塵室中量測五個**的腋窩顯示MB的濃度由80 ppb(女性)到3800 ppb(抽煙習慣的男性)；不抽煙的男性其MB的濃度為100 ppb和850 ppb，抽煙者的MB濃度則高達2400 ppb 和 3400 ppb；呼吸所吐出的MB濃度則分別為40 ppb(女性)，到抽煙者的 800 ppb 以上。此外潔淨室所使用的建築材料也會釋放 AMC，溶劑、塗料、建材和黏著劑等都會釋放有機物。 除了前述之主要的AMC來源，在潔淨室內的AMC來源還包括清潔溶劑的逸散，機器設備的冷卻液，甚至於無塵室使用的乳膠手套都會釋放微量的氨和有機胺。

五、結語
根據CleanRooms，平均而言，一個Fab每年會有一次的AMC事件，但較新的Fab則因
為新建築材料的氣體逸散，導致潔淨室的AMC問題更為普遍。傳統上，潔淨室的粒狀物控制可藉由各式的過濾系統(HEPA、ULPA)，但相較於粒徑0.05~0.5 μm，AMC的分子徑在-10 10~100? (10m)之間，傳統的過濾系統無法有效地去除AMC，因此越來越多的Fab依賴chemical filter去除AMC，但chemical filter的價格昂貴，且當AMC濃度太高chemical
filter很快就會達飽和而失去過濾效果。然而濃度過高的AMC又會對製程和產品的良率造成決定性的影響，Kinkead等人的研究結果估計因為不完整的晶圓生產環境控制所造成的
[6]量產延遲損失，每天高達美金2,500,000 。 什麼時候調查潔淨室的AMC？當製程或產品因為懸浮分子污染而致使良率或功能下降，或製程設備因AMC而造成腐蝕影響其效能穩定時，進行AMC的調查通常只能依據當時
的調查結果，推估研判事件的原因，其效果有相當的限制。針對任一潔淨室而言，由於目前仍缺乏完整且靈敏度高(低偵測下限)的即時、連續直讀的監測儀器，因此平常就必須要規劃定期的調查，以建立潔淨室的AMC基準線，當製程或生產異常時，藉著基準值和事件發生時之AMC測值的比較，才能迅速確實地找出問題的發生點，做有效的改正措施，以減少因AMC所造成的損失。