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半导体先进制造"超净高纯"中金属杂质的控制及SEMI F57标准【金属杂质控制与F57化学品输送系统的高纯聚合物材料和组件规范】
来源: | 作者:shjinfu | 发布时间: 2024-07-24 | 181 次浏览 | 分享到:


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上海劲孚化工科技有限公司

     www.shjinfu.com.cn（上海劲孚化工科技  021-57629631）--亚太地区(氟)化工原料与特种新材料专业供应商。

     公司致力于氟树脂工业与其他特种新材料产业的前沿技术与销售，目前主要经营氟塑料（PTFE/FEP/PFA/ETFE/PVDF等）、色母、氟涂料、PEEK、芳纶、碳纤维、玻璃纤维、功能性化学品及其他特种新材料。  

一：半导体制造中金属杂质的控制

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       在半导体制造过程中，确保杂质的精准控制是至关重要的一环。杂质的存在会对半导体的电导率产生负面影响，从而导致半导体性能的下降或破坏。在半导体制造过程中，控制金属杂质含量是一项至关重要的任务，因为这些杂质可以通过扩散或电迁移的方式在芯片中快速扩散，从而成为最主要的来源之一。

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金属杂质的种类

      金属杂质通常来自显影等工艺，比如在显影工艺中如果用KOH碱性溶液便会带来K金属污染。还有一种金属杂质的来源是一氧化碳等气体作为改进晶圆工艺的附加气体，能与设备中不锈钢中的镍、垫圈、气体传输系统中的其他部件起反应生成诸如镍的四羰基化合物并附着在晶圆表面，导致器件缺陷增加。 


      在半导体制造过程中常见的金属杂质元素分重金属和碱金属两种：碱金属有钠Na、钾K和锂Li；重金属有铁Fe、铜Cu、铝Al、钨W和钛Ti等。


      金属离子在半导体材料中是高度活性的，被称为可动离子沾污MIC。比如MIC进入晶圆后迁移到栅结构中的氧化硅界面，改变开启晶体管所需的阀值电压，金属离子可在电学测试和运用很久后沿着器件移动，引起器件在使用器件失效。


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金属杂质的引入来源

环境

     在半导体的制造过程中，人体是一种重要的碱性金属杂质来源，其主要途径包括但不限于以下途径:


     1、汗液：人体所分泌的汗液中富含多种碱性金属离子，如钠、钾等。这些离子是一种很容易被人体吸收的化学物质，当身体需要时可从尿液中排出，但也有一些离子不能通过皮肤和呼吸道进入体内。当工人在操作过程中与设备或硅片接触时，可能会发生离子转移现象，导致这些离子被转移到硅片表面。


    2、衣物：工人所穿着的衣物可能含有碱性金属离子，这些离子可能会对其造成影响。尽管在洁净室中从事工作的人员通常需要穿戴防静电服，然而衣物表面仍可能残留一些金属杂质。


     3、工具和容器：工人所使用的器具和容器，若未经过充分的清洁，可能会残留着金属杂质。这些金属在空气中极易氧化，使其表面产生一层保护膜，影响使用效果。此外，若工具曾被汗水或其他液体浸湿，其可能会吸附更多的离子，从而增加其吸附能力。


      4、皮肤屑和头发：在皮肤和头发中，也有可能存在含有碱性金属离子的成分。尽管在洁净室中，工人通常需要佩戴帽子和手套，但是这些防护措施并不能完全确保安全。通过环境和人体引入的风险需要严格控制。

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工艺化学品

      许多工艺化学品，包括酸、碱、溶剂、清洗剂、氧化剂等，尽管它们通常经过精细的纯化过程，但可能含有微量的金属杂质，这些杂质可能对产品的质量和性能产生负面影响。如果这些产品中存在大量金属杂质，就有可能影响芯片生产的成品率和性能。为了规避这些金属杂质的影响，芯片制造商将实施一系列措施。在某些情况下，需要对这些产品进行特殊处理，以便除去其中的一些有害元素或其它杂质。为了减少杂质的含量，他们会采用高度纯净的工艺化学品，这些化学品通常会经过一系列严格的纯化过程。化学品的供应商需要逐步提高纯度级别，降低金属杂质的含量。


工艺制程

      在半导体芯片的制造过程中，几乎每一个步骤都可能涉及到金属杂质的引入，这是一个不容忽视的问题。这些金属离子进入后将引起器件性能下降和成品率降低，甚至导致报废。金属离子可能会被引入到多种工艺中，包括但不限于清洗、刻蚀、沉积、退火和离子注入等，而其中离子注入工艺所导致的金属杂质污染是最为严重的。

金属杂质的影响

     金属杂质的存在或许会对硅晶体的电导率产生影响。这些变化都将引起电学性质的显著变化。当硅晶体中存在过多的杂质时，它可能会经历从绝缘体到导体或半导体的转变。对于半导体设备而言，精准掌控电导性是一项极为棘手的挑战。


      金属杂质的存在可能导致晶体缺陷的出现，例如点缺陷、位错等，这些缺陷可能会对晶体结构造成影响。由于硅材料中存在着大量的空位，所以硅中也含有一些空位型缺陷。这些缺陷或许会对硅晶体的电学和机械性能造成负面影响，从而降低其性能和可靠性。

金属杂质的控制

     在半导体制造过程中为了降低金属杂质影响，一方面提高制造环境洁净度，一方面要严格控制制造过程中使用到的化学物品的金属杂质含量，降低引入风险。


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二：SEMI F57介绍

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SEMI F57介绍及测试项目

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

      SEMI F57：用于超纯水和液态化学品输送系统的聚合物材料及组件的规范文件。标准规定了在UPW分配系统中输送超纯水(UPW)的超高纯度(UHP)聚合物材料和组件的最低性能要求。主要针对聚合物材料和组件的性能要求和验证。

       国际半导体产业协会SEMI为半导体制程设备提供了一系列环境、安全和卫生方面的准则，适用于所有用于芯片制造、量测、组装和测试的设备。半导体先进制程工艺中使用的超纯水，超纯化学品的使用要求日益提高，材料的选择在半导体湿法工艺中越发重要，对含氟聚合物的纯度要求也越来越高。SEMI F57标准对UHP液态化学品输送系统(LCDS)中高聚合物材料和组件的选择、生产过 程、产品结构设计等各方面均提出了要求和有效建议。

SEMI F57标准适用的主要产品类别有：

Ⅰ. 半导体超纯水和液态化学品传送系统中的聚合物材料、组件及过程设备；Ⅱ. 管道、配件、阀门、过滤壳体、压力传感器、流量计、计量器、校准器；

二 SEMI F57 测试项目

1.SEMI F57 需要测试的4类参数：

• 阴离子污染• 金属离子污染• 总有机碳 TOC• 表面粗糙度

2.SEMI F57的其他定性要求

• 机械性能• 物理性能• 耐化学性• 可靠性• 可追溯要求• 包装要求

3.主要使用化学品

• UPW• 酸，碱和氧化剂• 盐水溶液

4. 不同产品对应的测试项目

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纯度要求

   1： 阴离子污染：

   总共8类，名称和限值如下：

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     2. 金属离子污染：

     总共22类，名称和限值如下

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   3. 总有机碳TOC：

    TOC可以对半导体加工产生影响，包括硅氧化、蚀刻均匀性、清洗（包括晶片和掩模）、粘附、栅氧化层击穿电压、外延、原子层沉积（ALD）、氮化硅的CVD或其他薄膜沉积步骤。

    • TOC要求如下：

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    4. 粗糙度：

    • 对于不同工艺的产品表面粗糙度要求如下：

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对聚合物材料及组件的通用要求

    

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参考的标准

     

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：半导体"超净高纯"的离子析出

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半导体湿电子化学品离子析出

    氟塑料PFA/PTFE：在"超净高纯"的半导体先进制造中的离子析出：
        
       湿电子化学品的金属杂质含量越低、颗粒度越小，越是可以应用于更为先进的晶圆制程工艺。所以湿电子化学品的核心指标就是“纯净度”，为了给湿电子化学品按照纯净度进行划分，我们会使用到SEMI标准对湿电子化学品进行分级。SEMI标准是由国际半导体设备与材料产业协会(Semiconductor Equipment and Materials International)制定，其将湿电子化学品分为G1-G5五个等级。G1等级湿电子化学品适用制程为＞1.2μm、金属杂质≤1000μg/L、颗粒度≤1.0μm；而G5等级湿电子化学品适用制程＜0.09μm、金属杂质≤0.01μg/L、颗粒度更小。

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      半导体先进制造中液体接触的这些湿法工序中，所使用的清洗或蚀刻流体经常被加热以提高其效率。人们开发了用于半导体制造的各种流体加热器，并且这些加热器通常使用含氟聚合物来构造接触液体的部件（即加热器中实际与待加热流体接触的部分）。

       这些应用通常使用以下两种特殊类型的含氟聚合物：聚四氟乙烯（PTFE）和可溶性四氟乙烯（PFA）



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     “一代材料，一代工业”---材料强，则工业强；工业强，则国强。上海劲孚化工科技有限公司，真诚期待与天下人分享交流各种特种新材料。（识别下图中二维码，微信关注“上海劲孚化工科技有限公司”微信公众号吧）

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