洁净环境气压对离子注入杂质颗粒水平的影响

目前有相当多的方法可以用来评估分批式注入机的杂质颗粒水平。在我们的案例中，通过每周三次用KLA的SP1机台对控片的杂质颗粒增加进行检测，该控片用来测量不同掺杂离子的表面电阻。同时，在氩气氛中进行离子注入的17片整批晶圆也以相同的频率每隔**进行监控。使用氩气氛的好处包括可以减少不同注入离子间的交*污染和降低气体使用的成本。这种双重监控方案允许我们获得多重注入源的变化情况，包括不同天之间，不同种类的离子之间以及不同片之间的注入波动情况。这样的监控结果允许我们对大部分（即便不是全部）的标准工艺过程中涉及到相关因素进行详细的分析。

　　对分批式注入机中多种离子交替作用引起的失效进行彻底的分析是非常困难的。一种办法是使用“分离并鉴别”的方法，首先认定在实际注入过程或晶圆转移过程中是否有杂质颗粒进入。在异常处理（troubleshooting）的初始阶段需要首先建立以无离子束注入时的情况作为基准。对于无离子束失效的情况，下一步是检测晶圆传输装置或者将该系统中的部件分离出来，如机械手、对准器、升降机等，一直到杂质颗粒源被发现为止。另外，将杂质颗粒在晶圆上的分布图与每片晶圆在传输过程传输部件的接触点的位置进行比较。通过大量有重复性的失效可以得到晶圆的失效分布图或者得到与根本原因（rootcause）相关的“信息”。

　　边缘图形失效
　　在低能量分批式注入机（200mm）观察到的一个晶圆图，如图1所示。为了强调这种标记效应，我们将不同次失效的图形按照同样的边缘图形对齐合成为一个综合的失效分布图。这个综合分布图包含68片晶圆的情况，其中每个批次共注入17片晶圆。在所有单个晶圆中，这种边缘图形的标记效应都是很不明显的，就像在图1的矩形条图表中显示的那样。这种图形一般从每个批次第4片晶圆上开始出现，逐渐地增长到第17片晶圆，呈现了*多数目的杂质颗粒。对于那些只检查一片晶圆来决定杂质颗粒情况的那些晶圆厂（例如每个批次的第1片）可能不会发现这类问题的存在。
　　尽管可以进行多次局部测试，但由于这种特殊的图形标记无法被重复，因此对于异常处理来说很有挑战性。另外,虽然这种图形在无离子束注入时也能观察到，但是这种图形与传输系统的接触点看起来也没有多大的关联。另一种方法是使用白乙烯基卷带拓印出挡片实验片边缘图形的形状。通常对晶圆进行手动送样加载，在晶圆进入注入机过程中，在每个转移位置采集数字图像。*直观的图像见图2，从图中可以看到晶圆从微环境转移到真空进片室后，在专门的晶圆架上的放置位置。由于晶圆的正反两面都插入这种专门的晶圆架，会在晶圆上产生一个阴影区，对应在杂质颗粒计数晶圆上就形成了条带图形，如同污染源置于晶圆架侧面的情况。对这个阴影区域的解释可以分为两种情况，或者是在无尘微环境中放置的等待时间内空降的杂质颗粒沉积，或者是真空进片室的真空泵回复循环过程中漂浮分子杂质颗粒的沉积。

　　用去离子水雾做的后续的测试显示了从洁净室进入到微环境中由于空气流动引起的问题。在无尘微环境和洁净室环境之间的气压呈负微分分布使得空气反向流过晶圆架的载入口，如图3中飘起无尘布所示的情况。由于测试晶圆不允许在无尘微环境中放置两小时以上，所以不能像在长时间、低能量、高掺杂注入之后加载的标准杂质颗粒测试晶圆那样，使用上文提到的局部测试复制边缘图形。

　　一种改进方案
　　通常的无尘微环境里包括可从周围洁净室或者基座中抽取空气的变速换气扇，在将空气流送入晶圆转移区域之前，通过多层HEPA预过滤器排出空气。过滤后的空气通过注入机底部的气孔再次排入基座。改进无尘微环境空气的影响包括调整换气扇的转速来达到理想的空气流速和调整气孔开口达到理想的气压分布，达到注入机OEM要求的条件。但即便设计*完善的无尘微环境也需要依*洁净室的空气循环系统提供转移晶圆所需要的压力控制。

     为了控制杂质颗粒的流动，需要在不同区域间存在一定的气压差来减少洁净室内杂质颗粒的交*污染。对于微电子晶圆厂来说，*洁净的区域是操作工区，这里进行的进片加载/卸载过程由于需要往复出入无尘微环境，因此晶圆可能污染。对于大部分维护良好的洁净室来说，这两部分的气压差通常维持在1.25到5Pa范围内。

　　由于原先的设计未曾预料，已经安装好的注入机都没有为上文提到的空气压力微分优化装置留有额外的空间。如图4所示，五部单独的空气循环装置（RAH）通过操作区、设备底座和#1注入机外围的主走廊来提供所需的气流。图中没有显示每个RAH的返回管道，但他们都固定在底座上。另外，墙上的返回通气孔将底座和主走廊分离。尽管这只是一个非标准的示意图，但注入机杂质颗粒水平在很长一段时间内处于控制范围之内，边缘图形的标记效应在机器运转了两年之后才会出现。
 

　　一旦找到杂质颗粒问题的主要原因，可以测量相对空气压力（见表）。同**次的观察结果相吻合，与操作区相比，无尘微环境处于负压状态。当然还有一些疑问，比如事实上操作区与经常有人员走动的主走道相比处于负压状态。因此，污染物可以轻易地从走廊通过载入口的底部转移到操作区中，并且在污染晶圆之前进入无尘微环境。通过移出用来维护的物件（桌子、工具架、部件等）来完成对操作区与走廊之间气压微分的矫正。这些物件可能部分堵塞返回气孔并导致分配到走廊RAH装置的功率降低。改变无尘微环境到操作区那部分气压微分需要进行多次校正。在无尘微环境中四个换气扇中的三个是有缺陷的，并且需要更换。另外，为了保持连接到操作区的系统高压，要将通过ULPA过滤器的空气面速率维持在75fpm，这就需要提高RAH#64单元的功率，那么分配到RAH#63单元的功率会降低。表中所列的“后”气压需要气压的后调整。更重要的是，调整之后边缘图形的情况再也没有出现过，这种注入机的杂质颗粒基准的趋势往下走，在将近三个月之后，如图5 所示，*终降低到了可接受的程度。失效率降低了20%。

　　结论
　　在设备安装之后，不应忽略无尘微环境和周围洁净室区域之间的正向气压。洁净室布局和设备分布的后续改变都会改变气压分布，这种变化可以通过实时传感器检测。一般环境的换气扇可以在没有发出警报情况下停止，所以应该定期进行检查。我们相信这些细微的改变促成了无法接受的杂质颗粒水平，就像糟糕的边缘图形和基准所展示的那样。