VPD2021

VPD-ICPMS/MS系列

随着IC特征尺寸的不断缩小，对于生产产率和良率的要求也越来越高，生产所用的硅晶圆的尺寸也越来越大，尤其是当前先进工艺制程进入10nm时代，普遍采用了12吋晶圆。先进制程对于晶圆表面的污染物控制水平也极度苛刻，以DRAM为例，12吋晶圆表面金属污染物的容许水平如下表所示：

当进入2020年代, 先进IC制程要求12吋晶圆表面污染物达到< 108原子/cm2，传统的晶圆表面污染物检测技术如TXRF等已经完全不能满足需求。全自动VPD-ICPMS/MS联机检测系统成为为先进IC制程中进行晶圆金属杂质分析时不可或缺的管理项目。

电感耦合等离子体质谱（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry）是20世纪80年代发展起来的分析技术，经过数十年的不断研发改进，目前ICP-MS技术的分析能力，几乎可取代传统的元素分析技术，已被广泛地应用与环境，地质，材料，化工，医药，食品安全等领域，尤其是在检测下限要求最苛刻的半导体行业，需求促使最前沿的ICP-MS/MS技术的出现并广泛应用。

当将ICP-MS/MS技术用作晶圆表面污染物VPD取样技术的检测器时，通常按行业要求需测定20-30个目标元素，ICP-MS/MS测定一个样品的时间约为5min左右，需要消耗至少500uL左右样品，加上样品转移与残留不可用部分，所以VPD扫描液的体积通常控制在1mL左右，这样就对VPD扫描技术提出了挑战。VPD扫描技术或者可以直接用1000uL扫描液进行扫描并取样转移（或者用少量的扫描液（100uL左右）扫描取样，然后手工或自动稀释到1000uL左右，转移到ICP-MS/MS进行检测）。

随着IC生产工艺制程尺寸的不断缩小，生产产率和良率的要求越来越高，所用晶圆的尺寸也越来越大，尤其是12’’晶圆的采用以及数10nm级别的工艺制程的普及，对于晶圆表面的污染物控制水平也极度苛刻，目前行业常见的规范要求时12吋晶圆表面污染要求<1e8个原子/cm2，在扫描取样后的1000uL扫描液中的污染元素浓度为单个ppt量级，例如Na<2.7ppt, Li<0.8ppt（<1e8个原子/cm2），这是极其困难的检测。对于IC工艺制程中所使用的纯水、各种高纯试剂、单晶硅片等材料中的污染元素的控制要求也越来越高，虽然ICP-MS/MS技术在理论上已经能到达单个ppt甚至亚ppt量级的检测能力，但是，在实际分析检测过程中，所有人工操作都将不可避免地引入了污染元素，在手工操作的条件下，人体本身的呼吸就可带来严重的Na, K, Ca, Mg, Fe等元素的污染，所用的各种工具，器皿等均可能带入各种污染元素。当分析人体和自然环境中广泛存在的单ppt量级困难元素时，不仅对于实验室超净环境有极高的要求（VPD系统内微环境要求为Class 1级别），对于操作者的超净操作的经验也有极高的要求，因此，现代最先进的VPD系统均为完全无人操作的全自动类型。即使由于经费原因无法达到完全全自动，比较先进的型号也是尽可能减少手工的步骤。

IAS的VPD-ICPMS/MS 产品系列包含ExpertTM FAB，ExpertTM PS和ExpertTM LAB等一系列型号。

ExpertTM FAB VPD-ICPMS/MS

ExpertTM FAB是专门为14nm以下最先进IC制程以及有特殊安全设置要求的IC厂定制的全自动化型号，针对半导体FAB内的安全规范要求和无人化操作要求而设计，其中ICPMS/MS检测器已一体化整合安装在系统的超净箱体内，保证不受外界环境的影响。晶圆的传送也是由OHT吊车实现。运行程序控制以及数据传输由SECS软件以及中央数据系统实行，实现完全无人值守和机台前无人操作, 机台的后续维护也是由厂家工程师负责，是目前抗污染最高等级的VPD-ICPMS/MS系统。晶圆表面污染物可检测低至1e7-1e8 atom/cm2水平。

ExpertTM FAB VPD-ICPMS/MS全自动分析流程基本步骤如下: 

1.        OHT与VPD间使用SEMI-E84协议通讯，并且携带FOUP，将它放在Expert晶圆加载机Load Port上。

2.        Load Port将FOUP夹紧，停靠，门打开，使用晶圆定位感知器确认晶圆位置。

3.        VPD向CIM-HOST发送在FOUP中芯片位置的信息，CIM-HOST验证芯片信息并发送每片晶圆的分析条件RECIPE至Expert。

4.        机械手将晶圆放置于晶圆定位仪定位，定位时不会碰触晶圆的边缘部位以避免污染。

5.        晶圆被送入VPD气相分解室，通入PFA雾化器产生的氢氟酸蒸气，此时晶圆表面的氧化层或氮化层会被反应分解，反应过程可程序控制。

6.        完成VPD气相分解后，晶圆被转至扫描台，同时扫描管吸取扫描液。

7.        扫描管移至晶圆表面上，由直径20mm的双套扫描管内管推出扫描液，并由RECIPE所设定的方法扫描晶圆表面。

8.        完成晶圆表面扫描后，扫描管将扫描液回收转移至自动进样器的样品管中。该样品管之前已由系统自动清洗干净。

9.        扫描液进入ICPMS/MS完成自动分析并得到报告，回传CIM-HOST中央数据系统。对于偏离设定质量标准的晶圆给出警告和标注。

10. 在上述操作的同时或之前，系统的集成VIS软件已完成ICPMS/MS的标准工作曲线制作以及QC控制分析步骤，确保系统在可靠的状态下运行

VIS集成控制软件的功能：

1.        VIS可控制ICPMS/MS自动完成标准工作曲线制作

2.        当分析方法设定后，ICPMS/MS会自动分析收集的VPD扫描溶液。

3.        VIS软件会自动整合ICPMS/MS的测试结果, 计算后得到晶圆表面金属杂质的浓度。

4.        VIS软件会自动建立QA/QC功能,确认工作曲线的线性、最低的灵敏度要求及QC回收率。所有的分析结果会依照所设定的规范要求确认，如果超出规范,会依照使用者预设的步骤自动执行下一个质控操作，如重测，空白测试，自动清洗等等。

5.        在扫描第一片晶圆时，等待中的第二片晶圆即可同步开始VPD气相分解的步骤，达到最快的样品分析产量。

6.        每分析固定样品数后(依方法设定值，如5个或10个晶圆) 机台会自动分析QC样品。当样品较脏，测定浓度高于设定值，扫描管会自动延长清洗时间，再以空白测试确认扫描管的洁净度。

ExpertTM PS VPD-ICPMS/MS

ExpertTM PS为通用版本的VPD-ICPMS/MS联机系统，ICPMS/MS安装在VPD机台外部（要求超净室环境等级优于Class-1000），配置具有最大的灵活性，总安装量最大，目前已超过百台。ExpertTM PS可以升级配置OHT等功能达到ExpertTM FAB的自动化水平，适应FAB全自动无人化操作；ExpertTM PS也可以升级BULK Etching等研究级功能，适应新工艺开发等研究型任务，尤其是针对晶圆厂的应用有独特优势。晶圆表面污染物可检测低至<1e8atom/cm2水平

ExpertTM Lab VPD-ICPMS/MS

ExpertTM Lab是为实验室内多目标应用专门设计的全自动VPD-ICPMS/MS系统。它只有一个Load Port，所以一次最多只能连续分析一盒25张晶圆，然后人工更换另一盒晶圆。它的配置和自动化程度低于ExpertTM PS型号，但增加了多种高纯化学试剂自动检测能力，特别适合半导体实验室里多任务目标的应用。它以12吋晶圆为主向下兼容8与6吋晶圆检测功能，方便切换。ICPMS/MS主机安装在机台外部Class-1000超净间里， 而ICP-MS/MS的自动进样器安装在VPD设备的Class-1微环境里，VPD扫描液和高纯化学试剂等需手动转移至自动进样器上进行分析。晶圆表面污染物可检测低至约1e8 atom/cm2水平。