8.4 Von der molekularen Oberflächenverunreinigung SMC (Surface Molecular Contamination) zu Defekten

Die verschiedenen Phänomene bei der Interaktion zwischen einer festen Oberfläche und einem Gas werden in Abbildung 8.7 gezeigt. Gasmoleküle treffen auf den Festkörper, diffundieren entlang der Oberfläche und desorbieren oder werden adsorbiert. Eine feste Oberfläche ist die Grenze zwischen dem Grundmaterial und der Außenwelt. Diese Oberfläche hat aufgrund der freien Bindungen in der letzten Schicht der Atome oder Moleküle eine höhere Energie als das Grundmaterial. Jede freie Bindung ist eine potenzielle Adsorptionsstelle. Die freie Energie der Oberfläche hängt von der Beschaffenheit der Bindungen ab, d. h., ob sie metallisch, ionisch oder kovalent sind. Die Anzahl der Adsorptionsstellen steigt von geordneten Kristalloberflächen zu polykristallinen und amorphen Polymermaterialien. Jede Unregelmäßigkeit erhöht die Anzahl an Adsorptionsstellen.

Wasserdampf spielt eine wichtige Rolle bei Oberflächenprozessen. Bei 25 °C und einer relativen Feuchtigkeit von 50 % enthält die Luft 16 hPa (1,58  %) Wasserdampf. Jede Oberfläche empfängt einen Strom an Wassermolekülen von etwa 5 · 1021 cm^-2 s^-1. In etwa 200 ns kann eine Monoschicht aus Wasser eine Si-(100)-Oberfläche bedecken. Aufgrund der polaren Eigenschaft des Wasser-moleküls geht die erste Schicht eine enge Bindung mit der Oberfläche ein und eine weitere Schicht aus Wasser-Wasser-Bindungen entsteht, sodass sich eine Doppelschicht bildet. Ein Säuremolekül, das auf eine Oberfläche trifft, die atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt ist, kommt mit Wassermolekülen zusammen, die weitere Reaktionen begünstigen.

Jedes Material, das Wasser absorbieren kann, wie Kunststoff oder Elastomere, wird gesättigt, wenn die Einwirkung lange genug dauert.

FOUPs bestehen aus Polymerstoffen wie Polycarbonat (PC), Polyetheretherketon (PEEK) oder Acrylonitrilbutadienstyrol (ABS). Diese Stoffe können zu einem Anteil von 0,12 %, 0,5 % und 0,7 % Wasser absorbieren, was zu einer Wasserdampfmenge von jeweils 6 l, 25 l und 35 l bei Umgebungsbedingungen führt. Fotolackmasken bestehen ebenfalls aus Polymerstoffen und absorbieren Wasser.

Unter Plasmabedingungen trifft ein Strom an Gasmolekülen, energiereichen Ionen und reaktiven Stoffen auf Oberflächen. Ionen helfen, Ätznebenprodukte zu desorbieren, und erhöhen die Ätzgeschwindigkeit durch die Erzeugung von Defekten auf der Oberfläche. Nach dem Ätzen ist die Oberfläche mit reaktiven Stoffen vollständig gesättigt. Eine Halogenierungsschicht von 1,5 bis 2,5 nm wurde beim Poly-Ätzen mit Cl₂ + HBr-Chemie beobachtet [38]. Nach dem Ätzen setzt die Waferoberfläche Neben-produkte und reaktive Moleküle in der geschlossenen Atmosphäre des FOUP frei, die darüber hinaus Wasserdampf enthält und chemische Reaktionen begünstigt.

Basierend auf der Theorie von Adsorptions- und Desorptionsprozessen, kann die Menge des adsorbierten Gases $\Theta$ mit folgender Formel angegeben werden:

Hierbei ist $p$ der Druck und $C = C(T)$ eine Funktion der Temperatur. Dies ist bekannt als die Langmuir-Adsorptionsisotherme/-isobare. Eine gleichmäßige Abdeckung $\Theta_{eq}$ stellt sich bei gegebenen Druck- und Temperaturbedingungen ein. Die Abhängigkeit von $\Theta$ von $p$ und $T$ ist in Abbildung 8.9 dargestellt. Sie zeigt, dass eine geringe Abdeckung einer festen Oberfläche mit Gas bei niedrigem Druck und hoher Temperatur erreicht werden kann.

Abbildung 8.9: Oberfläche nach dem Ätzen

Adsorption und Desorption sind dynamische Prozesse. Unpolare Moleküle weisen aufgrund ihrer niedrigen Bindungsenergie eine schnellere Desorptionsgeschwindigkeit auf. Jedes unpolare Molekül, das die Oberfläche verlässt, bietet eine neue Adsorptionsstelle. Diese neue Stelle kann von einem polaren Molekül mit einer stärkeren Bindungsenergie und einer niedrigeren Desorptionsrate besetzt werden. Mit der Zeit steigt die Molekülkonzentration auf der Oberfläche und erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Defektbildung, die das Ergebnis der Dosis D einer AMC ist:

Dabei ist $c_{AMC}$ die Konzentration der luftgetragenen molekularen Kontaminanten und $\delta t$ die Zeit, in der die Waferoberfläche der FOUP-Atmosphäre ausgesetzt ist.

Abbildung 8.10: Kristallwachstum an der Kante einer Struktur

Die molekulare Oberflächenverunreinigung SMC ist der Auslöser des Kristallwachstums in der Wartezeit. Wenn die Wafer länger auf den nächsten Prozessschritt warten, erhalten sie eine höhere Dosis an reaktiven polaren Molekülen. Damit steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Kristalle auf eine Größe anwachsen, die danach zu Defekten und Ertragsausfall führt (Abbildung 8.10).