Transcript No Slide Title

Bab 3 : Kawalan cemaran
• Cemaran
– Boleh didefinasikan sebagai keadaan, bahan, proses, atau
kesan yang akan menurunkan kualiti, prestasi, hasil bagi
sebarang produk.
• Kawalan cemaran
– Teknologi bagi mengurangkan bahaya cemaran dari
punca cemaran.
– Terdiri daripada bilik bersih, prosedur bersih, dan
peralatan bagi memastikan tahap kebersihan.
– Peranti semikonduktor mudah terdedah kepada berbagai
jenis cemaran.
– Terdapat 4 jenis kategori utama bagi cemaran
• Zarah/habuk/partikel
• Ion logam
• Bahan kimia
• Bakteria
• Zarah/Habuk kecil/Partikel
– Peranti semikonduktor yang berketumpatan tinggi mudah
terdedah kepada pelbagai cemaran.
– Kesensitifan ini adalah disebabkan oleh saiz ciri yang
kecil dan lapisan pemendapan yang nipis di atas
permukaan wafer.
– Had dimensi partikel telah turun ke dimensi submikron.
– Cemaran partikel dihasilkan oleh pekerja, peralatan dan
juga bahan kimia pemprosesan.
– Had yang telah ditetapkan bagi saiz zarah di atas wafer
ialah mestilah 10 kali lebih kecil berbanding dengan saiz
ciri minimum.
– Zarah yang menduduki bahagian genting “critical” bagi
peranti dan merosakan fungsinya dipanggil cacat
penghapus “killer defects”.
– Cacat penghapus juga termasuk cacat hablur dan
masalah2 yang dicetuskan oleh proses.
– Di atas sebarang wafer terdapat sebilangan zarah,
sesetengahnya berjenis penghapus, tetapi yang lainnya,
terletak dalam kawasan kurang sensitif, tidak
mendatangkan sebarang kerosakan pada peranti.
Human Hair
Dust Particle
Smoke
Particle
Fingerprint
0.00025”
0.003”
0.001”
0.00045”
Rajah 3.1 : Saiz relatif bagi zarah bawaan udara dan dimensi
wafer cemaran.
– Bentuk partikel, secara asasnya terdiri daripada :
• Sfera, 10 %, 0.01 - 300 m
• Kiub, 30 %, 0.1 - 1000 m
• Fiber, 15 %, 0.1 - 500 m
• Kepingan, 45 %, 0.1 - 1000 m
– Saiz partikel
• Dimensi yang terpanjang pada partikel
digunakan bagi mendefinasikan saiz partikel.
• Ion logam
– Cemaran ini aktif secara elektrik yang kecil amaunnya
dalam wafer akan mengubah ciri-ciri elektrik peranti,
menukarkan prestasi peranti dan parameter
kebolehpercayaan.
– Cemaran yang menyebabkan masalah jenis ini dikenali
sebagai cemaran ionik bergerak ( “mobile ionic
contaminations- MICs” ).
– Ianya ialah atom logam yang wujud di dalam bahan
dalam bentuk ion.
– Ion logam ini mudah bergerak di dalam bahan
semikonduktor.
– Kemudahgerakan ini bermakna bahawa ion logam boleh
bergerak dalam peranti, walaupun setelah melalui
pemeriksaan elektrik dan penghantaran, menyebabkan
peranti gagal.
– Logam2 yang menyebabkan masalah ini dalam peranti
silikon wujud dalam kebanyakan bahan kimia.
– Atas wafer, cemaran MIC mestilah kurang daripada 1010
atom/cm2.
– Ion natrium adalah ion cemaran yang mudah tersebar di
dalam bahan kimia yg tidak dirawat.
– Pembekal bahan kimia cuba menghasilkan bahan kimia
gred bebas natrium.
• Bahan kimia
– Cemaran yang ketiga ialah bahan kimia yang tidak
dikehendaki dalam proses semikonduktor.
– Bahan kimia dan air boleh dicemarakan dengan “trace
chemical” yang wujud semasa pemprosesan wafer.
– Ini akan membawa kepada proses pemunaran permukaan,
membentuk sebatian yang tidak boleh dibuang pada
peranti atau menyebabkan ketakseragaman pada proses.
– Contoh cemaran ini ialah klorin.
Rajah 3.2 : Contoh kandungan “ resist stripper trace metal ”.
• Bakteria
– Bakteria ialah organisma hidup di dalam sistem air dan
pada permukaan yang tidak selalu dibersihkan.
– Bakteria diatas peranti akan bertindak sebagai zarahan
dan juga boleh menyumbang kepada ion bergerak pada
permukaan peranti.
• Cemaran akan menyebabkan masalah
– Hasil akhir pemprosesan peranti
( Devices processing yield )
– Prestasi peranti
( Device performance )
– Keboleharapan peranti
( Devices reliability )
• Punca cemaran.
– Udara
– Personal/Manusia
– Peralatan
– Air
– Bahan Kimia
– Gas proses
– Cas statik
– Getaran
– Gangguan gelombang elektromagnet
Rajah : Saiz relatif bagi zarah bawaan udara (mikron ).
• Cemaran dari manusia
– Kumuhan badan manusia
• Kepingan kulit, pernafasan ( wap air & garam ),
organic vapor
– Pakaian
• Serpihan fiber, debris, cas elektrostatik
– Aktiviti
• Asap rokok
• Medication traces
• Kosmetik
– Pergerakan
• Batuk, menjerit, bercakap ….
Zarah melebihi
0.5 m/min
100,000
500,000
1,000,000
2,000,000
5,000,000
7,500,000
10,000,000
15,000,000 –
30,000,000
Jenis gerakan
Berdiri atau duduk diam
Duduk dengan gerakan sedikit kepala, dan
tangan
Duduk dengan bahagian tengah badan dan
tangan bergerak
Berdiri dan seluruh badan bergerak
Berjalan perlahan ( 3.5 km/j )
Berjalan biasa ( 6 km/j )
Berjalan cepat ( 9 km/j )
Bersenam bebas
Rajah :Penyebaran zarah oleh manusia (tanpa pakaian)
• Peralatan
• Penyumbang zarahan terbesar.
• Geseran permukaan peralatan mekanikal semasan
pengurusan peralatan.
• Belt transportation
• Sistem robot
• Komponen mekanikal - pressure regulators dan injap
• Permukaan dalam silinder gas
– Kebanyakan peralatan juga dibuat dalam bilik bersih
sama kelas seperti kawasan fabrikasi pelanggan.
• Air
– Semasa proses fabrikasi wafer akan mengalami banyak
kali proses punaran dan pencucian.
– Setiap kali wafer dipunarkan atau dicuci, wafer perlu
dibilas menggunakan air.
• Maka didalam proses fabrikasi sk. memerlukan beberapa
million galen air dalam sehari.
– Kandungan air biasa terdapat mineral larut, zarahan,
bakteria,bahan organik, oksigen larut dan silika.
– Bendasing2 ini perlu dibuang sebelum digunakan
didalam fab. sk. - menggunakan kaedah osmosis terbalik
( reverse osmosis - RO) dan sistem pertukaran-ion.
– Air yang telah dibuang ion aktif secara elektik ini
dikenali sebagai air ternyahion ( deionized ).
– Ketulenan daripada bendasing terion air dikawal dengan
mengukur kerintangannya, dan bagi proses pencucian
wafer kerintangan 18 M.cm biasanya digunakan
sebagai piawaian dengan kandungan ion yang cukup
rendah.
Rajah : Kerintangan air melawan kepekatan pepejal
yang larut.
• Bahan kimia
– Asid, alkali dan pelarut yang digunakan bagi proses
punaran dan pencucian wafer dan peralatan perlulah pada
tahap ketulenan yang tinggi.
– Bahan kimia industri mempunyai beberapa gred iaitu
komersial, reagent, elektronik dan semikonduktor.
– Bahan kimia bergred elektronik dan semikonduktor
adalah bersih, tetapi tahap kebersihan adalah berbeza
bergantung kepada pengeluar.
– Ketulenan bahan kimia ditunjukkan oleh assay number
pada bekas - cth 99.9% pada botol asid sulfurik
bermaksud botol itu mengandungi 99.9% sulfurik dan
0.01% bahan lain.
• Strategi pembersihan udara.
• Bilik bersih
– Mengapa kita memerlukan bilik bersih ?
• Geometri litar bersepadu semakin kecil
• Produk dan keluaran memerlukan kawalan
persekitaran.
– Definasi bilik bersih
• Adalah satu ruang dimana paras cemaran dikawal
pada satu piawaian yang telah ditetapkan dan
dipelihara bagi tujuan melindungi produk atau proses
daripada persekitaran yang mengancam
– Apakah keperluan bilik bersih ?
• Bilik bersih hendaklah boleh mengawal
– aliran udara - kuantiti dan corak
– kualiti udara
– suhu - 22.2oC
– kelembapan - 40 %
– tekanan bilik - 0.52 psi
– Penggunaan bilik bersih
• Industri elektronik dan semikonduktor
• Industri farmasi dan ubat-ubatan
• Institusi-institusi penyelidikan teknologi tinggi.
• Piawaian
– Kualiti udara ditunjukkan oleh nombor kelas udara dalam
kawasan seperti yang telah ditakrifkan oleh Federal
Standard 209E.
– Dalam piawaian ini kulaliti udara dibahagikan kepada 2
kategori iaiti saiz partikel dan ketumpatan.
– No. kelas didefinasikan sebagai bilanagan partikel
berdiameter 0.5 m atau lebih didalam satu kaki persegi
udara.
– Dalam udara biasa sebuah bandar terdiri daripada asap,
smog, dam wasap - yg boleh mencapai sehingga 5
million partikel per kaki persegi - no kelas 5 million.
– Contoh contoh piawaian yang terdapat didunia
• Amerika - AFS 209
• Jepun
- JIS B9920
• UK
- BS 5295
• Perancis - ASPEC 7202
• Australia - AS 1386
• Jerman
- VDI 2083
– Bandingan piawaiaan (  0.5 m )
• AFS 209E
Kelas 100
• BS 5295
Kelas D
• AS 1386
Kelas 0.35
• JIS B9920
Kelas 4
• VDI 2083
Kelas 2
• ASPEC 7202
Kelas 4000
100 zarah /ft3
350 zarah /ft3
350 zarah /ft3
350 zarah /ft3
350 zarah /ft3
• Penurasan zarah
– Untuk mengeluarkan partikel dari udara biasa.
– Penuras HEPA ( high-efficiency partuculate attenuation)
selalunya digunakan bagi menuras udara.
– Ia terdiri daripada fiber rapuh yang mempunyai banyak
lubang2 kecil diatasnya, dan ia dilipat seperti accordian.
– Ketumpatan lubang yang tinggi pada penuras dan
kawasan penurasan yang besar membenarkan isipadu
udara besar melaluinya pada kelajuan yang rendah.
– Kelajuan rendah akan memberikan tahap kebersihan pada
kebuk kerana tidak menghasilkan arus udara.
– Aliran udara biasa pada 90 - 100 kaki/min.
Dirty Air
Clean Air
Rajah : Penuras HEPA.
– Kebuk individu
(a)
(b)
Rajah : Keratan rentas (a) kebuk VLF (b) Kebuk-wasap ekzos VLF
– Konsep ruang/terowong
HEPA Filters
Clean
Air
Process
Work
Station
Rajah : Keratan rentas
bilik bersih terowong.
– Strategi bilik bersih keseluruhan
Rajah : Keratan rentas aliran laminar di dalam bilik bersih.
– Corak rekabentuk peralatan dan kemudahan ( facility )
adalah untuk mengasingkan wafer dari persekitaran yang
tercemar.
– Kebuk VLF mengasingkan wafer dari udara bilik
– Pengasingan ruang/terowong adalah untuk mengasingkan
wafer dari terdedah kepada personal.
– Perkembangan IC CMOS telah membawa kepada
peningkatan proses dan memerlukan lebih banyak stesen
proses.
• Lebih besar ruang/terowong dan bilik bersih akan
menyebabkan isipadu ricih/geseran udara dan bilangan operator
meningkat.
• Perubahan ini akan meningkatkan kos untuk mengawal
kebersihan bilik bersih.
– Mini/mikro persekitraan
• Secara umum sistem ini dikenali sebagai wafer
isolation technology (WIF) atau sistem persekitaran
mini.
• Kotak SMIF (standard mechanical interface)
• Sistem ini terbahagi kepada tiga bahagian; kotak wafer
atau pod untuk memindahkan wafer, pengasingan
persekitaran mikro pada peralatan, dan mekanisma
untuk mengeluarkan dan memasukan wafer ke
peralatan.
• Kehilangan hasil akibat cemaran dapat dikurangkan.
• Masalah apabila saiz wafer semakin besar kerana
meningkatkan berat kotak SMIF.
Rajah : Elemen dalam persekitaran mini.
• Pembinaan bilik bersih
– Strategi pemilihan udara bersih adalah langkah pertama
yang perlu diambil dalam merekabtk bilik bersih.
– Secara umumnya bilik bersih adalah bilik yang
disalurkan dengan udara bersih, dibina daripada bahan yg
tidak menghasilkan cemaran dan termasuk juga sistem
bagi menggelakan cemaran dari luar atau operator masuk
ke dalam bilik bersih.
– Bahan binaan bahagian dalam bilik bersih mestilah dari
bahan yang tak mudah berkeruping, - termasuklah
dinding, kawasan proses dan penutup lantai.
– Rekabentuk bilik bersih perlu mengurangkan permukaan
rata.
– Elemen bilik bersih
• Lantai melekat / Adhesive floor mats
• Kawasan persalinan
• Tekanan udara
• Pancutan udara
• Ruang khidmat / Service bays
• Double-door pass-throughs
• Kawalan statik
• Pencuci kasut
• Pencuci sarung tangan.
Service Aisle
Access to Maintain Equipment
Factory
Gowning
Area
Air Shower
Fab Area
Lockers
Pass-through for Chemicals
Service Aisle
Rajah : Kawasan fabrikasi
• Pencucian wafer
– Pencucian wafer adalah penting dilakukan bagi semua
langkah proses fabrikasi terutama sekali sebelum proses
pada suhu tinggi.
– Terdapat beberapa cemaran utama yang terdapat pada
permukaan wafer; iaitu
•
•
•
•
zarahan
Bakian organik - sebatian yang mengandungi unsur C
Bakian bukan organik - sebatian yang tidak mengandungi C
Lapisan oksida yang tidak diperlukan
– Semua cemaran di atas perlu dikeluarkan tanpa
memunarkan atau merosakan permukaan wafer.
• Pencucian wafer menggunakan larutan kimia
– Juga dikenali sebagai pencucian basah ( wet cleaning )
– Terdapat beberapa teknik iaitu
• Pencucian menggunakan asid sulfurik
• Pencucian menggunakan asid sulfurik dan hidrogen
peroksida
– Juga dikenali sebagai Carro’s acid dan piranha
etch
• Ozon
• Pencucian RCA ( Radio Coorporation of America )
• Pencucian RCA
– Terbahagi kepada dua larutan piawai utama, iaitu
• Larutan piawai 1 - 5 : Air DI
1 : H2O2
1 : NH4OH
• Bertujuan untuk menyingkirkan bakian organik; juga
logam2 kumpulan IB dan IIB; dan unsur lain seperti
emas,kuprum,perak, nikel, zink …
- membentuk kompleks amino
cth Cu(NH3)4+2
• Larutan piawai 2 - 6 : Air DI
1 : H2O2
1 : HCl
• Bertujuan untuk menyingkirkan ion2 alkali seperti
Al+3, Fe+3 dan Mg+3, yang telah membentuk campuran
NH4OH-hidroksida tak larut dalam larutan beralkali.
• Langkah ini juga menyingkirkan kontaminasi logam,
spt emas yang tak disingkirkan sepenuhnya oleh
larutan pertama.
– Langkah2 pencucian RCA
– Pertama
• Larutan 1 dipanaskan kepada suhu 80 -85oC.
• Wafer direndam dalam larutan ini selama 10 - 15 min,
dengan mengekalkan suhu tidak melebihi 85oC.
• Wafer dibilas dengan air DI selama I min
– Kedua
• Wafer direndam dalam campuran HF : H2O , 1 : 100,
selama 20 - 30 saat shj.
• Kemudian bilas dengan air DI.
• Bertujuan menyingirkan lapisan oksida ( native okside ) di
atas wafer.
– Ketiga
• Larutan 2 dipanaskan ke suhu 80 - 85oC.
• Masukan wafer yang masih basah dari langkah 2 dan
rendam ke dalam larutan ini selama 10 - 15 minit
• Wafer dibilas dengan air selama 2 - 3 min.
– Keempat
• Wafer dikeringkan dengan aliran gas nitrogen ( 4 N ) untuk
mengeluarkan zarahan dari permukaan wafer.
• Teknik-teknik alternatif
–
–
–
–
–
Teknik pengosokan ( Brush scrubbing )
Jet bendalir ( Fluid jet )
Megasonik
Pencucian klorin
Pelbagai teknik pencucian kering
• Pencucian plasma
• Pencucian UV-ozon