用于光学平版印刷的优化分子沾染监测 (305.2 KB)
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摘要
一种崭新的监测光学平版印刷中分子沾染的方法诞生了。科学技术的新发展使人们能够进行连续实时监测，并大大提高了监测的灵敏度和稳定性，同时最大程度地减小了采样管对分子监测产生的影响。这些进步归功于一种便宜的小型监测仪，这种监测仪专门用于监测单一点。相对于常规的多点采样系统来说，这种专用的使用点监测仪具有以下优点：能够进行连续监测、不会遗漏分子沾染事件、采样导管长度从20~30米缩短到2~3米、监测灵敏度提高5~10倍。使用这种专用的分子沾染监测仪，使监测的灵敏度和稳定性都有了很大的提高。监测仪在同一个环境中连续采样，因而采样的平均值具有较高的有效性，可以降低监测极限。这种方法对监测化学过滤环境特别有用，因为化学过滤环境中的粒子浓度通常很低、很稳定。自动监测软件包可以同时显示单个的一分钟数据点和长周期运行平均数据。一分钟数据点用于及时发现分子沾染事件，而长周期运行平均值用于监测最低水平的分子沾染背景。
关键字：分子沾染, 离子迁移谱痕量气体监测分析系统（IMS）, 气体悬浮物分子沾染（AMC）, 氨, NH3,二氧化硫，SO2
简介
一种崭新的监测光学平版印刷中分子沾染的方法诞生了。科学技术的新发展使人们能够进行连续实时监测，并大大提高了监测的灵敏度和稳定性，同时最大程度地减小了采样管对分子监测产生的影响。这些进步归功于一种便宜的小型监测仪，即 AirSentry II 型监测仪，这种监测仪专门用于监测单一点。在此之前，对大面积的分子沾染进行连续监测是非常昂贵的，是用户无法负担的。
常规的分子沾染监测系统使用连接到分析仪的多点气体采样系统。这种监测方法之所以成为常规监测方法，是由于人们需要对众多点进行费用相对低廉的监测。然而，目前的193nm半导体生产环境发生了重大变化，而人们目前采用的监测技术具有限制性，已经开始显示其缺点。常规监测方法最大的缺点是：
- 每天在各个监测点所进行的实际监测和记录监测的时间较短
- 采样导管过长，对监测产生影响
- 分析仪对相邻取样点浓度的反应和清除时间差别太大
- 进行抽样平均以增加灵敏度的能力较低
例如，60点位的采样系统以10分钟为采样周期（9分钟排空，1分钟检测样本），将需要600分钟或10个小时来完成所有点位的采样。每10个小时对各个点位进行1分钟的监测，则每个点都会有9个小时59分钟的无监测时间。这种监测方法显然不适用于质量控制。
相对于常规的多点采样系统来说，专用的使用点监测仪具有以下优点：
- 连续监测
- 不会遗漏分子沾染事件
- 采样导管的长度从20~30米缩短到2~3米。导管长度的缩短能够最大程度地减少沾染物分子和导管表面之间的相互作用。
- 监测灵敏度提高5~10倍
使用这种专用的分子沾染监测仪，使监测的灵敏度和稳定性都有了很大的提高。监测仪在同一个环境中连续采样，因而采样的平均值具有较高的有效性，可以降低监测极限。例如，在某项应用中，1分钟的样本监测极限是120 ppt，60分钟的滚动平均监测极限是8.2 ppt。这种监测方法对监测化学过滤环境特别有用，因为化学过滤环境中的粒子浓度通常很低、很稳定。自动监测软件包可以同时显示单个的一分钟数据点和长周期运行平均值。一分钟数据点用于及时发现分子沾染事件，而长周期运行平均值用于监测最低水平的分子沾染背景。
方法原理
几十年来，离子迁移谱痕量气体监测分析系统（IMS）始终是人们用于监测空气中和物体表面上化学品沾染的技术。IMS虽然最常用于机场安全检查系统和防化检测系统，但也成功地应用于半导体、平板显示器、计算机硬盘、制药、石油化工等领域的微沾染监测。本文提供了AirSentry II IMS监测系统的监测结果，该系统经过系统优化，完全能够满足光刻工程师对氨水、总胺、总酸等沾染物的监测要求。
IMS监测系统包含一个IMS单元，用于分析样本，能够处理单元输出信号，能够混合选择性电离控制剂和样本流，来抑制非分析物离子的形成。IMS单元大都包含有产生离子的电离源，控制离子进入分离区或漂移区的电子快门，产生漂移区电场梯度的高压电供应，以及连接到放大器以产生时间功能信号的离子采集器。数据分析在大气压力的情况下进行，在20毫秒内即可完成一次离子扫描。
当离子快门瞬间打开时，样本离子将被释放到漂移区。在漂移区，离子在电场的作用下加速移向离子采集器。具有不同离子迁移率的离子（K）以不同的特性漂移时间到达离子采集器（td）。离子迁移率可以根据漂移管的长度（L）、漂移管的电压互感（V）以及迁移时间来计算（1）。
因此，离子的迁移时间越长，其迁移率就越低。反之，离子的迁移时间越短，其迁移率就越高。假设碰撞动量转移，假定离子呈波尔兹曼型分布，碰撞为二进制，离子的能量大多为热能量，离子处于低电场中，则离子的迁移率可估算如下：（2）
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在此，K为离子迁移率，q为电子电荷，E为电场梯度，N为漂移管的总密度，碰撞横截面积，M为离子质量，k为波尔兹曼常数，T为温度。对方程（1）和（2）的检查表明，对于给定的IMS系统来说，离子或离子簇的大小和质量是用来区分其特性漂移时间的参数。离子的这两种独特的性质使得IMS单元能够区分和监测特定的分析物。
监测系统的性能优化还包括样本输送系统。样本输送系统的设计应当有利于最大程度地减少在监测点上输送系统和气体样本的相互作用。应将输入管线尽量缩短，管材和接头应采用PFA或PTFE等惰性材料，以确保快速反应时间和精准监测。去除IMS单元上游的所有阀门、歧管和泵，能够最大程度地减少设备表面和样本之间的相互作用。
向样品流中加入电离控制剂，可以进一步增强系统的分析功能。电离控制剂可以抑制不需要的非分析物离子的形成，从而提高监测的灵敏度，减少潜在的干扰因素（2）。图1为使用电离控制剂监测实验室空气中的氨水的实例。虽然空气中含有多种化学粒子，但离子扫描中只显示氨水的离子峰和电离控制剂离子峰。
图1：使用电离控制剂提高监测的灵敏度，减少潜在的干扰因素。在清洁空气中，只有电离控制剂离子峰。当空气样本中含有氨水，则可检测出氨水的离子峰。
数据和结果
- 1 连续监测和非连续监测的比较
典型的多重采样分子沾染监测仪选择采样线路，用 9分钟排空，1分钟检测粒子浓度，每10分钟便可完成一个点的监测。表1为60个点的多重监测系统、16个点的多重监测系统以及使用点监测仪的监测覆盖面的比较。随着采样点数的增加，每日监测单点所需的时间会缩短。例如，若使用60个点的多重监测系统，则每日平均仅需要2.4分钟来监测各个采样点。如图2和图3所示，分子沾染的长周期变化需要采用多重监测方法进行监测，而很多需要采用连续监测方法进行监测的短期沾染事件则无法通过多重监测系统监测出来。
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表1：采用连续使用点监测方案的优点
图2：同步跟踪实时数据和平均运行数据能够对粒子事件进行实时监测，并提供监测长周期粒子趋势的高灵敏度。用使用点监测仪进行连续监测，能够确保不会遗漏粒子事件，而使用重监测系统，许多瞬时事件就无法被检测出来。
图3：连续监测能够检测出瞬时沾染事件，能够在低沾染水平下跟踪粒子趋势。在此例中，氨水的浓度在7天内从0.075ppb增加到0.170ppb。第一天监测出2个粒子事件。图中显示的60个点的多重监测系统的模拟数据用于比较。这说明，在监测期内氨水的浓度有所提高，但由于监测次数的减少，监测噪音使得用户很难准确测算出浓度的变化幅度。
反应和清除时间
在评估监测系统时，分析仪的反应和清除时间是非常重要的考虑因素。影响反应和清除时间的三个最大因素是：采样管的长度、浸湿材料的化学相容性、采样管的使用时间或使用历史。如表2所示，采样管的长度能够影响反应时间。表2中显示的是新的1/4"直径PFA管路的数据。您能够看出，暴露在高沾染水平下的较老旧的管道所产生影响要明显得多。例如，如果硫酸和磷酸等低蒸气压酸吸附到长采样管的内壁，那么监测氨水的反应时间就会变得非常差。图4为AirSentry II氨监测仪的反应和清除时间。
表2：采样管长度能够影响分析仪的反应时间。表中为新PFA管路的数据。
图4：尽量缩短气体样本管线的长度，慎重选择系统的“浸湿”材料，就能够确保快速的反应和清除时间。
噪音和监测极限
在评估监测系统时，有一个重要的考虑因素，就是噪音。监测系统的监测极限始终由噪音水平决定，而不是由监测仪对沾染的反应或输出数据的清晰度决定。由于大多数的照相平版印刷工具都非常清洁，其清洁度接近或低于大多数监测系统的监测极限，因此噪音就成为监测此类环境的一个非常重要的考虑因素。监测系统的一个有用的噪音度量就是监测清洁或零级空气气流时的噪音水平。图5为噪音监测的一个实例。噪音水平较低的监测系统，其监测极限也较低。总的来说，监测极限以3*x的形式表现，其中x为噪音监测的标准偏差。
图5：噪音监测的标准偏差决定了监测仪的监测下限。总的来说，监测极限应为噪音标准偏差的3x倍。
您如果打算用使用点监测仪或者多重监测系统进行连续监测，那么评估统计数据就变得非常重要。任何监测都会产生误差或噪音，误差的可能来源有：电子噪声、环境噪声、表面化学效应等等。如果噪音是随机的，那么平均多次监测可以降低噪音水平。如果监测偏差是随机的，那么利用监测次数的平方根可以降低系列监测的标准偏差。在此例中，一次监测的监测误差要比100次监测的平均监测误差高出10倍。图6和图7显示了平均统计对计算区域内分子沾染浓度所产生的影响。相对于多重监测系统而言，使用专用的使用点监测仪具有这样的优点：特定单位时间内的监测次数多，从而降低了监测误差，能够在较短的时间内更精确地计算出沾染浓度。
图6：进行连续使用点监测时，信号平均能够显著提高监测的灵敏度。
图7：信号平均提高监测灵敏度的实例。
未来的挑战
近年来，IMS分析仪技术和化学工业有了长足的发展，从而扩大了粒子监测范围，改善了监测的稳定性，但同时也产生了新的技术挑战。未来需要生成低ppb和ppt级别的校准气体，以便能够充分利用新型分析仪系统的功能。制定稳定的ppt级活性气体标准是非常困难的事情。图9显示了在低浓度气体标准上生成氨的初步尝试。请比较零、1 ppb和2 ppb的数据稳定性。在1 ppb和2 ppb上的数据远不如在零上的数据稳定。这说明，数据的稳定性并不取决于分析仪，而取决于低浓度校准气体的生成和分配系统。可以预料，在ppt级浓度上，物体表面上的相互作用更为显着。目前已经设计出新型的校准气体生成和分配系统，并将进行低浓度校准和测试的优化。
图9：在分子沾染监测领域，生成低ppb和ppt级活性校准气体浓度是一项新的挑战。
结论
监测关键光刻区域内的分子沾染的最佳方法是使用专用的使用点监测仪对每个监测点进行连续实时监测。这种监测方法能够保证不遗漏沾染事件，还能通过采样平均来极大地提高监测的灵敏度。用户可以将分析仪放在使用点上，从而最大程度地减小了采样管对监测产生的影响。新型、低成本、高灵敏度的IMS系统使得这种连续监测方法行之有效。单台监测仪利用软件来同步追踪实时沾染数据和运行平均沾染数据，从而能够及时监测出沾染事件，检测出10 ppt级左右的背景沾染水平的长周期变化。
作者
Dan Rodier，粒子监测系统公司
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参考资料
- G. A. Eiceman 和 Z. Karpas，离子迁移谱痕量气体监测分析系统，CRC Press，Boca Raton，1994年
- A. G. Harrison，化学电离质谱，CRC Press，Boca Raton，1992年
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