AMC 모니터링에서, 간단한 디자인이 오래 갑니다

In AMC Monitoring, Simple Designs Go A Long Way (189.6 KB)

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AMC 역사

지난 5년 동안, 공중 분자 오염(AMC)은 반도체 산업에서 뜨거운 토픽 중 하나로서 전면에 등장하였습니다. 300 mm 웨이퍼를 가공하고 노광공정을 위한 193 nm 노출 파장을 이용하는 선도적이고 경쟁력이 있는 반도체 제조회사들은 가스 형태의 오염으로부터 불쾌한 효과에 직면하고 있습니다. 193 nm 광학 소자와 레티클을 흐리게 하는 황산 암모늄은 효과적으로 모니터링할 수 있고 이러한 오염 형태를 감소함으로써 얻어지는 경쟁적 우위에 해를 가합니다.

지난 수년 동안, 다양한 센서 및 감지 기술이 효율적인 AMC 모니터링에 필요한 요구조건을 충족하기 위하여 복잡성의 증가로써 적응해왔습니다. 화학발광, 색층분석, 펄스 형광발광, 캐비티 링다운 및 이온 이동 질량분석은 AMC 감지 기술에 도입된 몇 가지 기술에 불과합니다. 각각의 이러한 기술들이 강점과 약점을 갖고 있는데, AMC 모니터링 기술을 고려할 때 하나의 중요한 특성이 있습니다: 단순성. 복잡한 설계는 감지 전에 샘플이 변경될 수 있는 기회를 가져오거나 규칙적인 예방적인 유지관리를 요구하는 잠재적인 하드웨어 실패를 가져옴으로써 측정에 있어서 불확실성을 더하기만 합니다. AMC 모니터링 장비를 위해, Occam 레이저 원리는 모든 다른 것이 같게 보이지만, 가장 단순한 솔루션이 최고입니다.

AMC 모니터의 설계 특성

이러한 각각의 AMC 모니터링 기술의 단순성 평가에서, 오염 모니터의 관련 설계 특성의 직접적이고 편리한 비교를 제공하는 간단한 표가 만들어질 수 있습니다. 여러 개의 AMC 모니터에 대한 한 예가 아래 있습니다.

표 1 AMC 모니터링 기술의 설계 특성
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지난 10년 동안, Particle Measuring Systems는 전자산업에 AMC 모니터 설계와 제공에서 선도적이었습니다. 이 기간 동안, 저희는 위의 특성이 AMC 모니터링 선택할 때 고려할 매우 중요한 지를 이해하는 중요한 통찰하게 되었습니다. 다양한 설계 특성을 고려합시다:

감지기 전에 샘플 튜빙

가스 형태 분자들은 표준 온도와 압력에서 끊임없이 움직입니다. 이들은 끊임없이 충돌하고, 반응하고, 또는 다른 분자들이나 포함하고 있는 용기와 상호작용하여, 이 경우에, 모니터의 샘플 튜빙 업스트림이 될 수 있습니다. 샘플 튜빙의 주어진 사이즈 직경을 위해, 보다 긴 튜빙이 분자 오염을 위한 보다 큰 표면을 갖고 벽 표면에 모이거나(붙거나), 튜브가 만들어진 물질과 반응하거나, 튜브 벽에 모인 다른 오염과 반응합니다. 100m의 1/4" 외부 직경 튜빙을 사용하여 샘플 매니폴드에서 풀링하는 분자 분석기와 비교되는 1/8" 외부 직경 튜빙의 6인치를 사용하는(IMS 분석기 같은) 모니터를 고려하십시오. IMS 분석기의 내부 표면은 하나의 샘플 매니폴드와 100 m 튜빙의 분석기를 위해 약 1.2 in2 대 2326.4 in2의 표면입니다. 이러한 크기 차이의 세가지 종류는 분석기의 예상 보고 결과의 품질에 해로운 영향을 미칠 수 있습니다.

모니터 관점에서는, 보다 긴 샘플 튜빙, 또는 보다 넓은 표면은 결국 보다 긴 응답 및 제거 시간으로 이끌거나, 심지어 오염 발생을 놓칩니다. 예를 들어, AMC 모니터에 가져온 0.5 ppbv 주위 NH3 농도를 생각하십시오. 이러한 주위 공기가 0.5 ppbv NH3 오염에서 15 ppbv NH3 오염으로 빠르게 바뀌면, 모니터는 15 ppbv를 즉시 읽어야 합니다. 그렇지만, 감지기의 샘플 튜빙 업스트임이 새로운 조건에 평형을 잡을 시간이 필요하기 때문에, 모니터에 감지된 것은 15 ppbv 수준까지 농도의 급격한 감소일 것입니다. 이것은 샘플 튜빙의 길이와 비례할 것입니다. 그러므로 보다 긴 샘플 튜빙은, 고농도 발생에 대한 반응이나 보다 청결한 환경으로 인한 제거에서 올 수 있든지, 오염 변화에 대한 지연된 반응을 야기할 것입니다.

샘플 매니폴드

위의 표와 같이, 샘플 매니폴드는 지난 몇 년 동안 AMC 모니터링 기법으로 발전되었습니다. 샘플 포인트 당 비용을 감소하는 것 같은 샘플 매니폴드에 이점이 있는 반면에, 불리한 점도 많습니다. 대부분의 샘플 매니폴드는 많은 다른 지점에서 연속적으로 샘플링하기 위해 하나의 밸브 또는 복합 밸브를 이용합니다. 각각의 샘플은 AMC 모니터가 있는 중앙으로 옮겨지고, 다음 지점으로 옮겨지기 전에 그 샘플 지점에서 소프트웨어가 오염 농도를 출력합니다. 하나의 약점은 모니터 장비 중지시간(예정된 또는 예정되지 않은) 입니다. 중앙 분석기를 갖는 것에 의하여, 분석기가 장비 실패 또는 예방적인 유지관리로 인하여 정지될 때, 어떠한 샘플 포인트도 모니터링될 수 없습니다. 이러한 중앙 분석기 기술 중 많은 것들의 고비용은 “핫 스왑”을 위한 예비 분석기를 허용하지 못합니다. 사용시점 분석기는 실제의 관심 포인트에 위치합니다. 만약 사용시점 모니터 수리가 필요하면, 중요한 포인트가 항상 모니터될 수 있도록 또 하나의 분석기로 간단히 대체될 수 있습니다. 게다가, 사용시점 분석기의 저비용은 필요가 발생하면 언제든 교체할 수 있습니다.

추가적으로, 샘플 매니폴드가 전형적으로 연속적이므로, 하나의 샘플 포인트에서 다음 포인트로 바뀔 때 일반적인 샘플 라인을 없애는 것을 가능하게 합니다. 이것은 고농도 샘플 지역에서 저농도 샘플 지역으로 이동할 때 특히 중요합니다. 모든 샘플이 어떤 샘플 포인트가 활발하게 샘플링되는 것에 상관없이 돌아 다니는 매니폴드와 감지기 사이에 항상 “일반적인” 샘플 라인의 일부 양일 것이기 때문에, 제거에 쓰인 시간은 매니폴드 시스템에서는 인내되어야 합니다. 각각의 샘플 포인트에서 전형적인 제거 시간은 일반 라인과 감지 시스템의 배출과 평형을 통해 허용될 9분 이하입니다. 측정이 이전 샘플 위치에서 잔존 오염물을 포함할 수 있으므로, 제거에 들인 시간은 의미가 없으며 샘플 위치에서 진정한 AMC 농도를 대표하지 않습니다. 제거 후, 하나의 샘플이 1분 동안 전형적으로 분석됩니다. 이 후, 매니폴드는 다음 샘플 포인트로 이동하여 제거/샘플 연속을 지속합니다.

매니폴드 샘플링 시스템과 비교된 실시간 사용시점 모니터 샘플링 시간은 아래에 확실하게 보여 주고 있습니다. 예를 들어, 60 포인트 매니폴드는, 남은 시간을 다른 위치의 샘플 라인 또는 샘플링을 제거하는데 소비하면서, 하루에 3분 동안만 진정한 대표 샘플을 잡을 것입니다. 16 포인트 매니폴드는 하루에 9분 동안 만 진정한 대표 샘플을 잡을 것입니다. 한편 지속적인 사용시점 모니터는 하루에 1440분 동안 특정 위치에서 샘플링합니다; 다른 위치들도 또한 전용 사용시점 모니터로 하루에 1440분 동안 모니터링됩니다.

그림 1: 지속적인 분석기 대 매니폴드 분석기의 분석 시간
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업스트림 구성요소

많은 AMC 모니터가, 약점을 보완하기 위해 장소에 놓여진 점점 더 복잡한 시스템으로, 오래된 모니터링 기법에서 진화했습니다. 흔히, 하드웨어가 샘플이 적합한 조건으로 되거나 감지 메커니즘에 들어가기 전에 설치하기 위해 감지 시스템의 업스트림을 설치되어야 합니다. 위의 표에서 보인 것처럼, 이 하드웨어는 밸브, 펌프, 촉매 변환장치 등으로 구성되었습니다. 이 구성요소들과 모든 하드웨어는 모니터 내에서 잠재적인 실패 포인트이며 종종 예방적인 유지관리가 필수적입니다. 실패 평균 시간(MTTF)와 실패 사이의 평균 시간(MTBF)는 종종 추가적인 업스트림 하드웨어로 훨씬 보다 짧고 평균 수리 시간(MTTR)은 정상적으로 훨씬 더 깁니다. 이러한 실패에 대비하고 예방적인 유지관리를 위한 서비스 비용을 더하는 것은 AMC 모니터 보유 비용을 상당히 증가시킵니다. 하드웨어의 각각의 이러한 부분과 상호작용하는 샘플로, AMC 모니터에 도달하기 전에 샘플을 교환하는 또 다른 기회가 존재합니다. 게다가, 이러한 추가적인 하드웨어 항목은 공중 샘플에서 감지된 오염에 기여할 수 있습니다. 본질적으로, 업스트림 구성요소로, AMC 모니터에 들어가는 샘플은 AMC 감지 시스템의 추가적인 하드웨어 업스트림에 의한 효과 때문에 이 환경에서 실제의 공중 샘플을 거의 대표하지 않습니다.

조정

공중 분자 오염은 공중에서 발생한 것입니다. AMC 오염은 가스 형태로 존재합니다. AMC 모니터는 가스 형태로 오염이 감지되며, 그러므로 AMC 모니터 조정은 추적가능한 가스 형태 오염 기준으로 이뤄져야 합니다. 이온 색층분석(IC) 또는 질량 분광(MS) 같은 기법은 조정을 위해 액체 표준을 사용하고, 공기 샘플을 모니터에 들어갈 수 있는 액체 샘플로 변환하는데 사용되는 기법의 수집 효율에 상관하지 않습니다.

샘플링 시간

AMC 모니터가 공기 샘플을 감지하는데 시간이 적게 걸릴수록 좋습니다. 과도한 시간은 공기 샘플에 오염이 자체적으로 상호작용을 할 추가적인 기회를 줄 뿐입니다. 반응으로 실제의 공기 샘플을 대표하지 않은 새로운 분자가 생길 수 있고, 샘플 안에 오염물질이 퇴화할 수 있어 모니터가 실제로 있는 요소들을 감지하지 못하거나, 다시 공기 샘플이 담긴 용기가 샘플이 채집된 환경과 잘못 회합한 스트림에 오염에 기여할 수 있습니다. 이러한 우려는, 장 시간 매체에 공기를 잡아 수집하는 집진장치나 흡입 튜브에 특히 유효합니다. 탈이온(DI)수는 일반적인 집진 매체이고, 탄소는 흡입 튜브에 일반적입니다. 각각의 이러한 기법은, 샘플을 수집하는 것뿐만 아니라, 분석을 위해 실험실로 이동하고, 분석을 위해 대기하는 긴 시간 때문에 샘플이 변경될 가능성이 매우 높습니다.

IMS 설계 단순성

이온 이동 분석(IMS)는 반도체 산업에서 AMC 오염 모티터링을 위해 가장 넓게 사용되는 기법입니다. AMC 오염 모니터링을 위한 IMS 사용을 선호하는 이유는 지속적인 실시간 기법, 고감도(< 70 pptv 감지 한계) 그리고 간단한 설계입니다. 여기 그림은 Particle Measuring Systems의 AirSentry II IMS 분석기의 기체 및 감지 다이어그램을 보여줍니다.

그림 2: AirSentry II AMC 모니터

그림 3: AirSentry II IMS 분석기의 샘플 라우팅을 보여주는 AirSentry II 분석기 이미지

IMS 감지 셀의 하드웨어 구성요소 업스트림이 없고 분석기 내부에 단지 최소한의 샘플 튜빙 양(1/8" PFA 튜빙의 6 in.)만 있으므로 AirSentry II 제품이 간단하게 설계된 것은 확실합니다. AirSentry II는 사용시점 모니터이므로, 관심 영역에 놓여지고 샘플을 한 위치에서 다른 곳으로 보내기 위한 추가적인 샘플 튜빙에 의존하지 않습니다. 실패 포인트로 작용할 수 있는 불필요한 하드웨어 구성요소가 없고, 이 설계는 사실상 예방적인 유지관리가 필요 없게 합니다. 이 간단한 설계로 AirSentry II는 다른 모니터링 기법에 비해서 몇 가지 독특한 장점이 있습니다. 최소한의 업스트림 샘플 튜빙과 하드웨어로, AirSentry II은 70 pptv 이하의 감지 한계를 달성할 수 있습니다. 이 감지 한계는 제로 노이즈의 3배이고, 제로 노이즈는 전형적으로 20 pptv 이하입니다. 게다가, AirSentry II에만 5년 주기로 교환이 필요한 소모품이 있으므로 기계적인 하드웨어 실패와 최소한의 서비스 요구가 없습니다.

결론

요약으로서, 주어진 AMC 모니터의 특성은 분자 오염 제어를 위한 모니터링 전략을 수행할 때 고려되어야 합니다. 보단 간단한 설계는 하드웨어 실패 포인트가 더 적고, 예방적인 유지관리가 덜 필요하고 샘플 에어가 모니터의 감지 시스템으로 가기 전에 변경할 기회가 적습니다. 중요한 속성 고려사항 요점

- 감지기 전에 샘플 튜빙
*보다 긴 샘플 튜브 길이는 AMC가 상호작용하거나 반응하는데 보다 큰 표면을 제공합니다.
*보다 긴 샘플 튜브 길이는 오염 발생에 대한 대응을 느리게 할 것입니다.
*튜빙이 거의 없는 사용시점 모니터가 AMC 모니터에 소개되기 전에 잠재적인 샘플 변경을 최소화합니다.

- 샘플 매니폴드
*하나의 샘플 위치를 모니터링할 때, 모든 다른 위치들은 모니터되지 않습니다(모든 오염 발생을 감지 못함)
*연결된 매니폴드 시스템 또는 분석기가 실패 또는 예방적인 유지관리 때문에 중지될 때 모든 샘플 포인트는 데이터를 수집할 수 없습니다.
*매니폴드 시스템에서 샘플 포인트 사이에 변경을 할 때, 정화 시간은 주어진 위치를 샘플링하는데 소비된 시간의 상당한 기간이 됩니다(전형적으로 실제 대표 샘플 데이터를 취하기 위해 단지 10%만 남기면서 주어진 위치에서 소비된 샘플 시간의 90%)
*저비용, 콤팩트, 사용시점 모니터는 중요한 샘플 포인트에서 사용하기 위한 것입니다. 이러한 사용시점 모니터의 많은 것들이 크린룸이나 중요한 장비(193 nm 스텝퍼/스캐너 및 트랙과 같은)에 널리 보급되므로 매니폴드기 필요 없습니다.

- 업스트림 구성요소
*감지 시스템의 어떠한 구성요소도 상호작용하여 샘플 스트림에 기여하는 오염의 샘플 스트림에서 오염물질을 변경합니다.
*추가적인 기계적인 구성요소는 항상 실패하기 쉽고, 전형적으로 규칙적인 주기로 예방적인 유지관리가 필수적입니다. 실패할 수 있고 서비스가 요구되는 구성요소는 모니터링 시스템의 보유 비용을 크게 증가시킵니다.
*감지 시스템의 최소한의 구성요소(하드웨어) 업스트림을 가진 AMC 모니터는 관심 모니터링 위치에서 대표적인 공기 샘플을 진정으로 측정하는 최선의 기회를 제공합니다.

- 샘플 시간
*모니터링 환경에서 감지 시스템으로 샘플을 옮기는 시간이 길수록 샘플 변경 또는 오염 가능성이 큽니다.
*하나의 매체에서 장기간 공기 샘플을 채집하는 샘플 기법은 미디어, 미디어 용기 물질, 또는 미디어 내에 갇힌 오염물질과 샘플의 반응으로 샘플 손상을 받기 쉽습니다.
*실험실로 옮겨져야 할 샘플들은 분석 중 또는 대기하는 동안에 샘플 변경, 반응 및 쇠퇴가 될 수 있습니다.

- 조정
*AMC는 가스 형태로 존재하는 오염입니다. 그러므로 AMC 모니터의 조정은 추적가능한 가스 형태 조정 기준으로 이뤄져야 합니다.
*경우에 없는 100% 수집 효율을 가정해서, 액체 조정 기법은 가스 형태 조정을 대표하지 않습니다.
*DI 워터에서 수집 효율 또는 흡입 매체는 AMC 오염에 따라 40 - 98% 범위일 수 있습니다. 예를 들면, SO2의 수집 효율은 특히 빈약합니다. 낮은 수집 효율은 모니터링 환경에서 실제로 존재하는 것 보다 더 낮은 농도를 보일 것이므로, 보고된 출력은 부정확하게 낮습니다.

AMC 모니터링 전략을 고려할 때, 많은 AMC 모니터링 회사들은 감지 한계를 집중할 주요 기술 포인트라고 크게 말합니다. 그렇지만, 감지 한계가 한 요소이지만 설계 특성을 포함하여, 주어진 모니터의 모든 면을 고려하는 것 또한 필수적입니다. 간단한 설계는 흔히 모니터링 솔루션의 효율을 증가하고, 가동중지시간을 감소하고, 중요한 리쏘그라피 장비, 공정실 또는 크린룸 시설에서 진정한 AMC 수준의 보다 정확한 표시를 제공합니다.

저자

Steven Rowley는 Particle Measuring Systems의 분자 오염 제품 라인 매니저이면 Particle Measuring Systems, Texas Instruments, 그리고 Research Electro-Optics 에서 오염 제어에 분야에 10년 이상 관여해 오고 있습니다. Steven은 Colorado School of Mines에서 화학 공학 학사와 University of Colorado에서 MBA를 취득했습니다.

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