8.4 从表面分子污染 (SMC) 到缺陷

固体表面与气体之间平面上的相互作用不同现象如图 8.7 所 示。 气体分子撞击在固体上，沿表面扩散，并从其上解吸或 吸附在表面。 固体表面是主体材料与外部世界之间的边界。 由于原子或分子最后一层待定的悬空键， 所以该表面的能量 高于主体材料。每个待定的悬空键就是一个潜在的吸附点。 表面的自由能取决于材料粘合的性质，即金属、离子或共价 键。 从良好有序的晶体表面到多晶和无定形聚合物材料，吸 附点数量逐渐增加。 任何不规则性都会增加吸附点的数量。

水蒸气对表面处理有特殊的作用。在 25 °C 和 50 % 的相对 湿度时， 空气中含有 16 hPa (1.58 %) 的水蒸气。任何表面 接收的水分子流量大约为 5 · 10²¹ cm^-2 s^-1。 在大约 200 ns 内， 单层水分子可以覆盖 Si (100) 表面。由于水分子的极性 性质， 第一层将紧密地结合到表面上，并形成水分子与水分 子紧密结合的附加层， 产生堆叠的水分子层。与暴露于大气 条件下的表面接触的酸分子将与水分子相遇， 以促进进一步 的反应。 FOUP 由聚合物材料制成，如聚碳酸酯 (PC)、聚醚醚酮 (PEEK) 以及丙烯腈·丁二烯·苯乙烯 (ABS)。在环境条件下， 这些材料分别可以吸附 0.12 %、0.5 % 和 0.7 % 的水分，产 生 6 l、25 l 和 35 l 的水蒸气。 光致抗蚀剂掩模也是聚合物材 料，也将吸附水分。

在等离子条件下，表面接收气体分子、高能离子和活性粒子 流量。 离子有助于解吸蚀刻副产物，并通过建立表面缺陷提 高蚀刻速率。 蚀刻后，表面完全充满活性粒子。在使用 Cl₂ + HBr 化学作用的复晶矽蚀刻中，已出现 1.5 至 2.5 nm 的卤化 层 [38]。 在蚀刻后，晶圆表面将释放副产物和活性分子至 FOUP 的封闭环境中，此外，还提供水蒸气，以促进化学反 应。

从吸附和解吸过程的原理，可以通过下面形式得出 $\Theta$

其中， $p$ 是压力，且 $C = C(T)$ 为温度函数。这被称为 Langmuir 吸附等温线/等压线。平衡覆盖 $\Theta_{eq}$ 将在一组给定的压力 和温度下确立。图 8.9 中给出了 $\Theta$ 形式 $p$ v $T$ 的依赖关系。 其显示，通过低压和高温可以实现固体表面的低覆盖 率

图 8.9: 蚀刻后的表面

吸附和解吸是动态的过程。非极性分子因其较低的结合能而 具有更快的脱附速率。 每个离开表面的非极性分子会提供新 的吸附点。该新的吸附点可以被具有更强结合能和更低解吸 率的极性分子占据。随着时间的推移，表面上的极性分子浓 度将增加，从而增加缺陷积聚的概率， 这是 AMC D 剂量的 结果:

其中， $c_{AMC}$ 是空气分子污染物的浓度， $\Delta t$ 是晶圆表面在晶 圆传送盒中暴露于大气环境的时间。

图 8.10: 晶圆模型边缘的晶体生长

SMC 是等待时间内晶体生长的起源。晶圆等待下一道工序的 时间越长， 它们接收的活性极性分子剂量越高，从而晶体生 长的概率增加， 随后将产生缺陷和产量损失。