bokee.net

工程师博客

正文 更多文章

纳米级集成电路与超纯水

1、引言
  1997年7月,SIA(美国半导体工业协会)推出新版的NTRS(The National Technology Roadmap for Semiconductor棗国家半导体发展路线),制订了1997-2012年期间的发展目标,提出存在问题及其解决方案,对于其关键材料的UPW(超纯水)也列出相应要求。鉴于90nm特征尺寸的IC已问世和我国12英寸的fab在建并将逐步增多而步入纳米水平之状况,现谨就相关的UPW作一述评。
  本文以我国近年的晶圆厂中顶级UPW系统的经验、数据且结合海外的相关资讯来与NTRS中纳米集成电路的要求作对照,述评现今的水质水平及其适应力,讨论其差距、问题及其可望的解决途径;指出单位晶片面积之UPW耗量与水费伴随IC的逐代发展而降低应是循环经济之必然,可持续发展之必需;介绍了国外为此的相关努力和国内的某些尝试,提请各方应特别关注而共同致力。

2、NTRS对UPW的要求
  NTRS展示了半导体技术的发展趋势,以存贮器为例,对UPW的相应要求示于表1。
  表1 表明,存贮器的特征尺寸每三年约减小30%,年均减小10.5%;位数每年增加59%;芯片尺寸每年增大22%而单位功能价格每年减小25%?0%;在成品率上投产的第一年60%、第三年80%;这就决定了作为其关键材料的UPW务必随之相应发展。电缺陷密度D0(个/m2)--在给定的技术结点上的某年和给定的抽样合格率的目标上,对电学性能有影响的缺陷密度数。

3、讨论
  NTRS对UPW的要求可分为水质和资源消耗这两方面,分别讨论之。
  以我国已建成的8英寸/0.18μm晶圆厂的水质控制值为主与NTRS 2012年/50nm和最新的ASTM(美国材料试验学会)标准中最高档次的水质要求的对照列于表2。
表2 顶级UPW的相关水质/性能及其适应力
  * 12英寸线设计值
  ** 总有机碳
  *** 源于电子58所的系统
  表2 “顶级UPW”栏目中凡未加注明的数据均为我国8英寸/0.18μm fab的实际控制值。阴、阳离子数据来自该厂自行采样/分析的结果。
  微粒控制 NTRS中用“临界微粒”表述,它定义为IC特征尺寸1/2大小的微粒。表2表明ASTM和顶级UPW中受控微粒的尺寸和浓度与NTRS要求相差约二倍,起因于当今UF(超泸)和微粒计数器的水平。0.05μm微粒、1颗/ml已为当今顶级UF(旭化成6036H型)的极限值,0.05μm、0.5颗/ml之设计值能否达到还待该12英寸线建成后的实践检验。开发截流分子量<6000且其他各项性能兼优的UF当然有益;可测0.01-0.02μm粒径的激光微粒仪商品化之后,才便于澄清上述极限值是起因于UF抑或检测技术从而确定主攻方向。
  可氧化碳总量 与TOC(total organic carbon--总有机碳)的名称相比较,可氧化碳总量(otal oxidization carbon)之称谓更准确。诚然,当溶入的空气少到可忽略不计时,上述二者是一致的。我国已有多套UPW系统在诸多综合措施下达TOC<1ppb,今后的问题在于减小其代价且降低资源消耗。TOC-UV是关键设施,市售的UV灯管只有0.2%的能量转换为有用的UV光能。现已推出比市售品输出>10%的新型UV灯,该超级TOC降低装置已在台湾的12英寸晶圆厂中应用。至于TOC<1ppb的检测,Anatel A-1000XP型TOC仪已可胜任。
  溶解氧1999年下半年以来膜脱气装置的应用才逐渐增多。无锡电子58所由台湾极水公司提供的系统用二级Liqui Cell脱气膜脱除99.8%的溶解氧,使DO≤0.1ppb,为当今的最低值!现有精度为0.01ppb和0.1ppb的二种DO仪可用。
  二氧化硅 与亚微米时相比,现今的可溶硅限定值减小了1-2个数量级。迄今,二级RO+EDI可使SiO2从ppm降到ppb,再经UPW级树脂交换和末级的UF而降到0.05ppb。早在八十年代末,日东电工顺应1M-4M位存贮器生产之需,推出NTU-3306-K4R的UF,它对于小到7nm胶体硅的排除率>95%,现6036H型UF品质更优,然而0.01ppb的目标值还待努力。况且,迄今二氧化硅分析仪的精度只达0.01ppb,还不能满足检测0.01ppb之需,也待解决。
  离子与金属 为差别顶级系统的离子与金属的限定能力水平,检测技术首当其冲。自上世纪末以来,检测水平已由≤10ppt减小了半个数量级。欲使试验室分析法中达到阳离子1ppt的水平,务必力求降低“空白”。至于阴离子要降低一个数量级就更待多方努力!开发若干关键的1ppt精度的单项在线检测仪是途径之一,除了已有的钠离子连续测定仪(Swan Soditrace型)外,也宜加大此类仪表/传感器的开发力度。
  细菌 诚然UPW系统未级的UF可有效地拦截,但不应有其生存/繁殖的环境且应及时地灭菌。在台湾,灭菌通常是一次/季度。
  UPW耗量和资源消耗的降低 一个40000片/月的典型8英寸fab,每天水耗达7560-11340m3;我国水资源短缺,在西部和北方更为严重!由表1可见,从250nm到50nm,NTRS要求单位晶片面积的UPW耗量降低80%,净水费用减半,否则自然将惩罚人类,价格杠杆也不轻饶。为此,美国SIA和Sematech正在作的诸多努力和1997-2012年的时间表(略)见表3。谨就降低UPW耗量而言,首推清洗工艺的改进。  用稀浓度药液清洗、热DI水清洗和超声清洗,可节约UPW及药剂;使清洗机空载时的溢流量降低是另一重要途径。无锡某所藉此使UPW月耗量减半,Motorola数字DNA试验室(德洲,奥斯町)在实测不降低晶圆表面洁净状况且直到80天内无液相异物或微生物积累检出下降低待机流量而使UPW耗量减小30%,节约超过13230m3/年(5.2M加仑/年)。
  表3 自然资源上的可能解决方法
  工程公司和设备/材料供应商,除(依客户需求)设计水回收系统外,更应开发高效、节能且生态学性能优的设备和系统。
  晶圆厂中水的回收通常节约水约60%,加之减少再生药剂和废水排放费,故通常在18-24个月(台湾为18个月),最长30个月内,可收回回收系统设备费。
  至于管路附加流量,国标规定为30-100%,而日本、台湾只为20%。在良好的设计下,它既节省投资又节能,且经受我国二条8英寸线的实践检验。
  功能水,即在UPW中施加很小能量和溶入少许药剂而使其洗净效果大为提高的水,是近年正在迅猛发展的新技术。现国外诸公司的各种各样的功能水的试验在进行,例如,在UPW中溶入适量的H2气和O3而控制pH,再经超声(Megasonic)激活而成还原性洗净水。它与美国RCA公司首先开发的加药、加热的功能水相比,洗净效果更优且节省水量和能量又免除药剂的污染及其废液排放处理。据台湾极水公司介绍,在UPW中加入适量H2气,使其电阻率控制在14MΩ昪m,这种水用于硅材料的切、磨可避免静电问题。
  继EDI,CDI(连续电去离子)装置之后出现了由日本荏原公司(EBARA)研发的电气式脱盐GDI(Graft De-Ionization),GDI是一种聚合型的电去离子装置,值得关注。它由离子交换无纺布(由离子交换树脂经热放射聚合而成)替代EDI中的离子交换树脂且在脱盐室和浓水室中均充填离子传导隔板。于是与EDI相比,水解析出物防止,漏电流降低,来自浓缩室的逆向离子流也减小,故其产品水水质更优,能耗降低(在RO水≥0.1 MΩ昪m下,GDI出水≥17.5 MΩ昪m,耗电仅250W/m3水,),运行更稳定,寿命更长。
  凡此种种,无疑地有助于自然资源的良性循环,但NTRS的UPW耗量与费用目标的到达还有赖更多的努力。

4、结束语
  基于“等缩比原理”和“摩尔定律”的NTRS之推算在继续,NTRS的版本正随90纳米技术的突破而更新,对关键材料的超纯水之水质要求也必将随之而提高。尽管现今微电子业对UPW系统可靠性的关注超过水质,但在0.01ppbSiO2的限定与更严的微粒控制的制水技术、检测技术和资源节约等方面与NTRS的要求相比都有不同程度的差距,还要顾及公用设施的前瞻性,因而建议在我国“十五”期间的12英寸/100nm之类的晶圆厂建设中把本文涉及诸事也作为关心之列。

分享到:

上一篇:采用反渗透技术自动售水机立于各城市街

下一篇:加碱中反渗透系统中的应用

评论 (0条) 发表评论

抢沙发,第一个发表评论
验证码