光學粒子計數器在粒子監(jiān)測中的應用
在潔凈室和微環(huán)境中監(jiān)測粒徑小至100納米的粒子，是半導體行業(yè)在先進工廠驗證先進制程微污染控制所采用的一種常見做法。先進制程的晶圓制造商需要在其產品附近監(jiān)測周邊空氣粒子以避免粒子污染。隨著對產品良率的日益關注，特別是在采用先進技術節(jié)點的制程上，用戶對于機臺內部的納米顆粒監(jiān)控的需求日益提升……鑒于此，PMS推出了可監(jiān)測小至10納米粒子的全新NanoAir? 10凝結核粒子計數器(CPC)以及首款專為處理納米粒子傳輸而設計的ParticleSeeker?多口氣溶膠采樣器。該產品將解鎖新的監(jiān)測可能性，從而為行業(yè)當前存在的盲區(qū)和需求提供了可能的解決方案。
光學粒子計數器在粒子監(jiān)測中的應用
凝結核粒子計數器(CPC)簡介
圖1：凝結核粒子計數器的示意圖
CPC的工作原理
采樣：CPC從進樣口吸入被采樣的氣體包括顆粒物，送入CPC飽和器；
飽和器中顆粒物的增長：在飽和器內，工作流體（通常是一種易揮發(fā)的化合物，如正丁醇或酒精）被加熱到蒸發(fā)狀態(tài)， 進入樣品氣流中，形成飽和蒸汽。隨后，將含有顆粒物和飽和蒸汽的樣品氣流送入冷凝器。隨著樣氣沿冷凝器移動，氣體被逐漸冷卻，使得工作流體蒸汽進入過飽和狀態(tài)。該過程會促使工作流體蒸汽在顆粒物表面凝結，形成液滴，并使粒子增長到更大的尺寸；
檢測和計數：粒子增長完成后，將樣品氣流送入檢測室， 檢測室通常含有內置光源（比如激光束）。當增大的粒子通過檢測室時，會散射光線，這樣便可通過光學檢測器確定粒子濃度。
請注意，盡管不同型號和不同品牌的CPC設計和工作參數各不相同，但上述基本原理在大多數CPC中是通用的。NanoAir? 10也不例外，差異在于其采用了創(chuàng)新的結構和流路設計，更小巧緊湊。
CPC的優(yōu)勢
CPC的局限性
納米粒子監(jiān)測應用
案例1：在晶圓對準機中監(jiān)測10納米的粒子
圖3：晶圓對準機中的粒子監(jiān)測（設備1 Vs. 設備2）
如上圖所示的測試結果表明，在設備1（位置01到06）中檢測到顆粒明顯更多，這表明FFU在保持晶圓對準機內的潔凈度方面非常有效。在設備1中的端口2（靠近晶圓裝載區(qū)，見圖2）檢測到了粒子事件。使用多口氣溶膠采樣器的內部粒子監(jiān)測能夠區(qū)分干凈/污染的設備，并通過實時數據比較來定位污染源。
案例2：在晶圓檢測系統(tǒng)中監(jiān)測10納米的粒子
大多數半導體工廠普遍采用高靈敏度設備來檢測晶圓表面，以識別微污染顆粒和缺陷。在晶圓檢測系統(tǒng)中，每片晶圓會由晶圓機器手從FOUP（前開式晶圓傳送盒）轉移至預對準機，然后再轉移到晶圓檢測掃描儀。期間，晶圓可能會受到粒子污染，進而導致錯誤檢測結果或未能發(fā)現(xiàn)實際缺陷。
圖5：晶圓檢測系統(tǒng)24小時內的粒子監(jiān)測情況
如上圖所示，在晶圓檢測系統(tǒng)24小時的數據采集期間，采樣口6處檢測到一個粒子事件（即粒子計數超出3σ范圍）。該采樣口靠近FOUP裝載區(qū)（如圖4所示），可能面臨外部環(huán)境空氣中的顆粒物進入晶圓檢測系統(tǒng)高風險。此外，在FOUP對接移動和FOUP打開時，會因壓力差導致氣流交換，從而攪動粒子并在晶圓轉移過程中引發(fā)粒子事件。實時數據能夠為監(jiān)測系統(tǒng)中的關鍵位置提供更深入的洞察，以確保達到更高潔凈度，以盡可能減少或避免粒子沉積在晶圓表面。
案例3：在晶圓分選設備中監(jiān)測10納米的粒子
晶圓分選設備是半導體制造中的關鍵設備之一，主要用于對加工后的晶圓進行分選和質量測試。在分選過程中，機器手將晶圓從FOUP中取出，并放置在分選設備的不同位置進行分選和測試。一旦晶圓從FOUP微環(huán)境中被取出后，就可能會暴露于粒子污染中，導致后續(xù)制造過程中出現(xiàn)缺陷。下述測試使用NanoAir 10和 ParticleSeeker對設備內的10個不同位置點（如圖6所示）進行采樣，以了解其顆粒分布情況。
圖7：晶圓分選設備中的顆粒監(jiān)測圖表
案例4：在垂直擴散爐中監(jiān)測10納米的粒子
在半導體制造過程中，擴散是一項重要制程。通常將一批晶圓置入爐中，通過摻雜氣體在高溫下擴散，晶圓表面會沉積形成薄膜。整個過程（從晶圓轉移到硅夾具，再到將晶圓裝入爐中）一旦發(fā)生粒子污染，都會嚴重影響晶圓表面沉積薄膜的質量和完整性。為此，我們采用NanoAir 10+ParticleSeeker對擴散爐內的10個不同位置進行采樣，以了解粒子分布情況（見下圖）。
圖9：垂直擴散爐內的粒子監(jiān)測情況
選擇垂直擴散爐工具進行演示，原因在于其發(fā)生過粒子污染。面臨的挑戰(zhàn)在于，現(xiàn)有的監(jiān)測配置只使用Lasair? III-110粒子計數器在單一位置采樣，無法識別不同位置的差異，導致難以準確定位污染源的生成位置。正如圖9所示（尤其是左圖），通過使用NanoAir 10+ParticleSeeker儀器進行實時粒子監(jiān)測，利用多口氣溶膠采樣器在爐內多個位置采樣，能有效發(fā)現(xiàn)并隔離間歇性污染源。經確認，粒子污染源位于端口5處（圖8所示的前角位置）。此外，NanoAir 10單元提供的粒徑數據（>10 nm）與Lasair III-110粒子計數器的數據高度吻合，呈現(xiàn)出標準的對數分布曲線（如圖9中的右圖所示）。
案例5：在FOUP凈化系統(tǒng)中監(jiān)測10納米的粒子
圖10：使用NanoAir 10儀器的FOUP凈化系統(tǒng)
圖11：清潔與“臟”的FOUP的粒子監(jiān)測數據圖表
總結
傳統(tǒng)粒子監(jiān)測方法安裝耗時、操作繁瑣，提供的數據有延遲。在制程設備中控制粒子污染對于確保產品質量和良率至關重要，而NanoAir 10和ParticleSeeker非常適合這一需求。通過以上五個案例分享，展示了在設備內部使用ParticleSeeker多口氣溶膠采樣器進行實時監(jiān)測的重要性。該多口氣溶膠采樣器支持集合或順序采樣模式，用于監(jiān)測整個設備或指定位置的潔凈度，能檢測到粒徑小至10納米粒子及粒子污染事件。
使用NanoAir和ParticleSeeker監(jiān)測粒子能提供即時反饋，快速識別并減少顆粒污染。如發(fā)生故障的機械臂和其他活動件、運轉不良或未運轉的風機過濾單元 (FFU)或排氣裝置。此外，由于FOUP裝載區(qū)、艙門和FOUP對接口的污染顆粒滲入，導致交叉污染問題。借助NanoAir 10和ParticleSeeker，可即時查看這些區(qū)域的顆粒數據。這對于風險和成本管理大有裨益。利用這些儀器在設備內實時監(jiān)測粒子，有望減少粒子對良率的影響，同時降低時間和人工成本。
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