Pfeiffer Vacuum

8.4 从表面分子污染 (SMC) 到缺陷

固体表面与气体之间相互作用平面上的不同现象如图 8.7 所 示。气体分子撞击在固体上,沿表面扩散,并从其上解吸或 吸附在表面。固体表面是主体材料与外部世界之间的边界。 由于原子或分子最后一层待定的悬空键,所以该表面的能量 高于主体材料。每个待定的悬空键就是一个潜在的吸附点。 表面的自由能取决于材料粘合的性质,即金属、离子或共价 键。从良好有序的晶体表面到多晶和无定形聚合物材料,吸 附点数量逐渐增加。任何不规则性都会增加吸附点的数量。

水蒸气对表面处理有特殊的作用。在 25 °C 和 50 % 的相对湿 度时,空气中含有 16 hPa (1.58 %) 的水蒸气。任何表面接收的水分子流量大约为 5 · 1021 cm-2 s-1。在大约 200 ns 内,单层水可以覆盖 Si (100) 表面。由于水分子的极性性质,第 一层将紧密地结合到表面上,并形成水分子与水分子紧密结 合的附加层,产生堆叠的水层。与暴露于大气条件下的表面 接触的酸分子将与水分子相遇,以协助进一步的反应。 如果将其暴露足够长的时间,任何能够将水吸入主体的材 料,如塑料或弹性体,都将变得炮和。 FOUP 由聚合物材料制成,如聚碳酸酯 (PC)、聚醚醚酮 (PEEK) 以及丙烯腈·丁二烯·苯乙烯 (ABS)。在环境条件下, 这些材料分别可以吸附 0.12 %、0.5 % 和 0.7 % 的水分,产 生 6 l、25 l 和 35 l 的水蒸气。光致抗蚀剂掩模也是聚合物材 料,也将吸附水分。

在等离子条件下,表面接收气体分子、高能离子和活性粒子 流量。离子有助于解吸蚀刻副产物,并通过建立表面缺陷提 高蚀刻速率。蚀刻后,表面完全充满活性粒子。在使用 Cl2 + HBr 化学作用的复晶矽蚀刻中,已出现 1.5 至 2.5 nm 的卤化 层 [38]。在蚀刻后,晶圆表面将释放副产物和活性分子至 FOUP 的封闭环境中,此外,还提供水蒸气,以促进化学反 应。

从吸附和解吸过程的原理,可以通过下面形式得出 $\Theta$

\[\Theta = \frac{p \cdot C}{1+p \cdot C}\]

公式 8-1: 表面覆盖

其中, $p$ 是压力,且 $C = C(T)$ 为温度函数。这被称为 Langmuir 吸附等温线/等压线。平衡覆盖 $\Theta_{eq}$将在一组给定的压力和温度下确立。图 8.9 中给出了 $\Theta$ 形式 $p$ v $T$ 的依赖关系。其显示,通过低压和高温可以实现固体表面的低覆盖 率。

蚀刻后的表面

图 8.9: 蚀刻后的表面

吸附和解吸是动态的过程。非极性分子因其较低的结合能而 具有更快的吸附速率。每个离开表面的非极性分子会提供新 的吸附点。该新的吸附点可以被具有更强结合能和更低解吸 率的极性分子占据。随着时间的推移,表面上的极性分子浓 度将增加,从而增加缺陷积聚的概率,这是 AMC D 剂量的 结果:

\[D=c_{AMC} \cdot \delta t\]

公式 8-2: 污染剂量

其中, $c_{AMC}$ 是空气分子污染物的浓度, $\delta t$ 是晶圆表面暴露 于 FOUPs 环境中的时间。

晶圆模型边缘的晶体生长

图 8.10: 晶圆模型边缘的晶体生长

SMC 是等待时间内晶体生长的起源。晶圆等待下一道工序的 时间越长,它们接收的活性极性分子剂量越高,从而晶体生 长的概率增加,随后将产生缺陷和产量损失。