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全新 FabVantage 服務改善設備性能

By Roman Mostovoy, PhD

隨著器件變得更小,封裝更密集,集成電路日益復雜,缺陷降低也變得更難,但仍然是芯片制造商保持競爭力的關鍵。晶圓代工廠、存儲器件和邏輯器件制造廠需要一套方法、多樣化的技能和專業化的工具來有效降低缺陷水平,同時最大程度減少對生產的干擾。應用材料公司 FabVantage™ 咨詢團隊推出了全新的缺陷降低服務,提供專業化的方法、工藝專業知識、數據分析技術和診斷儀器來簡化根本原因的識別過程。

最大程度減少生產晶圓的缺陷數量是晶圓制造廠保持生產效率和競爭力的關鍵。理解缺陷降低流程,對於成功實施並驗証糾正措施至關重要。要實現 14nm技術節點及更小器件所要求的個位數缺陷數量,制造廠家必須採取結構化方式開展根本原因偵測和糾正工作,除了一流的度量、檢測和分析外,需要利用缺陷知識庫、廣泛的設備設計和工藝專業知識,以及已知最佳做法 (BKM)。

缺陷降低並非一項“一勞永逸”的工作。無數因素都會造成缺陷,包括硬件配置和部件整潔度、工序和參數設置、運行和維護程序、校准以及系統軟件。這些因素會以不同程度影響各個晶圓制造廠,即使它們採用相同的工藝。這些差異造成了各個晶圓制造廠都有自己特定的缺陷類別,其在類型上可能相似,但根本原因卻不同,有時還有多個根本原因。例如,造成缺陷式偏移事件的故障模式可能與造成每片晶圓上原生缺陷的根本原因有所不同。結果是,診斷造成缺陷或偏移的根源會是一項耗時耗力的工作,涉及預防性維護 (PM)、部件更換、硬件校准和配方微調,可能連續數天打亂生產計劃。

缺陷降低方法

鑒於每種缺陷情形都是獨特的,要快速發現根本原因就有賴於以結構化的方式在每項調查中運用相同的步驟(見圖 1)。應用材料公司 FabVantage 咨詢團隊與公司的工藝部門及現場支持人員合作,開發了一套減少缺陷的系統方法,已有效用於改善基准性能、降低缺陷失控 (OOC) 事件發生率、縮短 PM 操作恢復時間,並延長平均清洗時間間隔 (MTBC)。

圖 1. 通過合適的方法確定缺陷及根本原因,是制定糾正措施的關鍵第一步。

一般情況下,技能嫻熟的工程師利用 FabVantage 360™ 評估,在無圖樣的監控晶圓(基准)上對當前系統性能開展初始基准衡量(見圖 2)。基准衡量根據多個指標測量設備的性能,並將其與 BKM 及業內最佳水平進行比較。這項評估可體現總體的性能差距,並支持對解決方案進行優先性排序,對益處進行量化。在評估的單位制程環節,對配方、顆粒表現以及故障偵測和分類 (FDC) 的實施進行評分;這些數據成為圖 2 所示評估步驟的基礎。在數周內定期運行監控晶圓,以捕捉隨時間變化的缺陷機制。因為運行監控晶圓通常是晶圓制造廠標准程序的組成部分,收集這一數據並不會明顯減少加工設備的正常運行時間。

圖 2. 應用材料公司 FabVantage 缺陷降低方法的評估步驟用於識別根本原因;客戶隨后可選擇由團隊實施糾正措施並保持改善后的設備性能。

FanVantage 專家利用常規的和專業化的工具來獲取缺陷增加數量及其在晶圓上的圖樣。然后,根據晶圓數量和關鍵事件將這些數據集繪制成圖表,進而幫助制作帕累托圖,顯示導致缺陷的各個特定因素的相對權重(見圖 3)。

圖 3. 設施狀況、設備、材料以及部件清潔度是造成設備基准性能中的高缺陷的主要原因。

如果缺陷帕累托圖顯示 PM 是重大權重因素,則使用專業化的工具開展 PM 診斷。晶圓制造廠的多個腔室將接受檢測,以確定關鍵腔室組件和進料部件上的顆粒分布密度,驗証濕法清洗程序與應用材

一旦生成了設備特定的缺陷帕累托圖,獲取基准運行性能, FabVantage團隊就會編制項目特定的改進“路線圖”(見圖 4)。缺陷首先按照位置、尺寸、外觀和構成進行分類。然后對每類缺陷進行分析,分析時結合運用檢測與分析技術;團隊成員對設備和工藝的透徹知識和經驗;客戶特定的因素;以及旨在評估不同缺陷源的權重情況的實驗。根本原因的識別,是所有這些因素相結合的共同 結果。

圖 4. 如本例所示,缺陷降低“路線圖”以對缺陷成因的權重為順序系統化解決缺陷問題。(資料來源:應用材料公司)

一旦找出了設備缺陷帕累托圖中最大權重因素的根本原因, FabVantage 團隊就會提議解決這些根本原因的實施方案。如果晶圓制造廠同意該方案,則糾正措施可能涉及改進硬件、工藝、PM 或改進其中幾個方面。糾正措施的有效性通過一輪確認運行來驗証,該輪運行按照與初始基准評估相同的方式收集數據,並對數據進行分析研究以確保達成實施方案的目標。由此可生成體現性能改善后的新缺陷帕累托圖,成為新的生產基准,並作為未來缺陷降低的路線圖。經過確認運行驗証后,相同的糾正措施將在晶圓制造廠所有受影響的設備上實施。根據晶圓制造廠業主的願意,可由 FabVantage 團隊成員持續監控其運行。

有效性已經過驗証

以上方法已在多種情景中運用並驗証,我們在此重點介紹其中一些情景。

減少顆粒數量

在一個案例中,根據設備基准性能生成的缺陷帕累托圖表明,晶圓兩側所見顆粒主要來自設備本身。調查圖像、度量和設備運行實驗揭示,根本原因是晶圓轉移/搬運設備中所用的材料。它們通過以下方式生成了大量缺陷:

  • 由於晶圓長期接觸設備的粗糙表面,表面退化,形成顆粒,產生研磨作用,並進一步生成更多顆粒。
  • 設備材料相當堅硬,或強力附著於晶圓,導致晶圓背面發生刮擦。
  • 不導電的材料通了電,因為無法釋放電荷,造成靜電吸引/排斥效應,進而生成更多帶電顆粒。
  • 由顆粒產生的晶圓滑移,其發生原因是沒有對摩擦進行優化處理。

因此,要減少缺陷,就需要替換設備受影響部件所用的材料。新的機械手手臂、起模銷釘、基座和起模頂杆改用了更光滑的導電 材料,其硬度低於硅,並具有低附著/高摩擦屬性。圖 5 顯示了通過這些硬件升級措施實現的性能 改善。

圖 5. 實施硬件升級后,缺陷表現得到大幅改善。(資料來源:應用材料公)

增加正常運行時間

另一個案例處理了膜內缺陷隨時間增加的問題,該問題導致縮短了腔室 MTBC 和設備正常運行時間。對設備性能做基准衡量后,膜內監控缺陷帕累托圖顯示 Si/O 和 Si/O/Al/F 是主要的缺陷。對多個腔室其中一條輸氣管組件開展的詳細檢測和故障分析表明,這些缺陷在輸氣管的孔口和導孔上累積,其原因可能是腔室清洗期間 AlF 或 O 類源自由基回流。此外,源自由基也可能與殘留水氣發生反應,生成氧或臭氧自由基,造成 SiO 顆粒凝聚。

這一問題通過修改工藝配方得以糾正。首先,在清洗期間往輸氣管輸入氦氣,並在所有反應氣體導入和傳輸期間保持輸氣管內的正值氦氣流,從而減少自由基向相應輸氣管的回流。其次,進行長時間的惰性氣體清洗,以消除低壓狀態下工藝腔室的逸氣現象。完成兩輪長時間運行來評估缺陷降低措施的表現:在基准狀態下加工 2,000 片晶圓和用新配方加工 4,000 片晶圓。在后一輪運行中,抑制了主機的逸氣風險並改善了缺陷表現(見圖 6 和 7)。

圖 6. 實施缺陷降低措施前后的缺陷帕累托圖的比較結果表明,Si/O/Al/F 和 Si/O 缺陷分別改善 10 倍和 2 倍。(資料來源:應用材料公司)

圖 7. 實施缺陷降低措施前后的膜內缺陷數量比較。(資料來源:應用材料公司)

增加兩次清洗間的平均晶圓加 工量

還有一個例子涉及使用清潔度控制法來減少缺陷數量,增加正常運行時間和兩次清洗間的平均晶圓加工量。清洗不充分往往導致生產延誤,工藝腔室需要經過多輪清 洗/泵送才能通過缺陷評定。這種情況下,基准性能帕累托圖顯示遠程等離子源是造成晶圓缺陷的主要子系統之一。相應地,評估重點放在從不同清洗供應商收到的遠程等離子源部件的缺陷表現上。

對腔室和主機不同清洗劑的補充式評估表明,用去離子水 (DI) 和 DI/異丙醇混合物加濕來擦拭,能同樣有效地使表面顆粒減少 10 倍,從大約 2,500 個缺陷/平方英寸減至大約 250 個缺陷/平方英寸。但是,在這一步之后,用另一種專業溶劑做第二道擦洗能進一步提高清潔度(<50 個缺陷/平方英寸),如圖 8 所示。這個兩步程序使 PM 和 PM 后的恢復時間縮短一半以上,從 48 小時降至 20 小時,通過延長設備的正常運行時間提高了生產效率。

圖 8.工藝腔室清洗前后的表面顆粒偵測結果。(資料來源:應用材料公司)

總結

應用材料公司 FabVantage 咨詢團隊開發並成功証明了一套減少缺陷的方法,運用結構化的方式快速實施糾正措施。客戶隨后可選擇讓團隊持續監控生產設備,以保持改善后的性能水平。這套減少缺陷的方法通過縮短停機時間並提高晶圓制造廠的良率和產出而加快了產量攀升過程。

作者感謝 Suketu Parikh 的協助。

欲知詳情,請聯系
roman_mostovoy@amat.com