范欽文，顧愛軍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫214035）

1 引言

光刻工藝是集成電路制造中的關(guān)鍵工藝，在整個(gè)集成電路制造過程中需要進(jìn)行多次光刻，光刻費(fèi)用占據(jù)集成電路制造總成本的30%[1]。隨著光刻工藝的發(fā)展，器件的特征尺寸不斷縮小，工作速度、集成度和生產(chǎn)能力大幅提高，生產(chǎn)成本不斷下降。

進(jìn)入21 世紀(jì)，半導(dǎo)體工業(yè)按照摩爾定律持續(xù)快速發(fā)展，超大規(guī)模集成電路的光刻次數(shù)大于20 次，深紫外光刻機(jī)和深紫外化學(xué)放大光刻膠大量替代紫外光刻機(jī)和紫外光刻膠[2]。對(duì)比g 線和i 線紫外光刻機(jī)，深紫外光刻機(jī)采用KrF 準(zhǔn)分子激光器和ArF準(zhǔn)分子激光器作為光源，光源波長(zhǎng)分別縮短到248 nm和193 nm。

光刻工藝中，首先在硅片表面均勻涂布光刻膠，經(jīng)光刻機(jī)曝光把掩模版圖形縮小投射到光刻膠上，通過顯影在光刻膠上形成掩模版圖形。與紫外光刻膠相比，深紫外光刻膠為化學(xué)放大光刻膠，容易受工藝環(huán)境中空氣分子污染物的影響而出現(xiàn)胺中毒等問題[3]。與紫外光刻機(jī)相比，深紫外光刻機(jī)使用波長(zhǎng)為248 nm或193 nm 的準(zhǔn)激光光源，其照明系統(tǒng)更容易受空氣分子污染物、顆粒、溫濕度波動(dòng)和振動(dòng)的影響，從而造成光線閃耀、均勻性差、透光率低和鏡片變形等問題，直接影響光刻工藝質(zhì)量[4-6]。深紫外光刻機(jī)使用的波長(zhǎng)為193 nm 的深紫外光還會(huì)使光路周圍環(huán)境空氣中的氧氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧，從而帶來更多問題[7-9]，因而對(duì)超凈空氣和氮?dú)獾氖褂锰岢隽烁訃?yán)苛的要求。深紫外光刻機(jī)采用掃描步進(jìn)的工作方式，相比于步進(jìn)式紫外光刻機(jī)，對(duì)防微振也提出了更高的要求。

上述有關(guān)深紫外光刻工藝環(huán)境控制的問題必須得到有效解決，才能保證深紫外光刻工藝質(zhì)量穩(wěn)定。本文通過研究室外環(huán)境、凈化廠房環(huán)境和光刻機(jī)設(shè)備內(nèi)部環(huán)境的空氣顆粒污染物、空氣分子污染物和振動(dòng)問題以及對(duì)深紫外光刻工藝環(huán)境的影響，總結(jié)形成解決方案。

2 光刻工藝環(huán)境模型

圖1 為光刻工藝環(huán)境模型圖，光刻工藝環(huán)境包括室外環(huán)境、凈化廠房環(huán)境和設(shè)備內(nèi)部微環(huán)境3 個(gè)層面。第一層室外環(huán)境對(duì)光刻工藝的影響因素包括大氣環(huán)境中的空氣顆粒污染物、空氣分子污染物、溫濕度變化和廠房周圍的各種振動(dòng)源；第二層凈化廠房環(huán)境對(duì)光刻工藝的影響因素包括廠房?jī)?nèi)部生產(chǎn)設(shè)備、動(dòng)力設(shè)施、原材料供應(yīng)系統(tǒng)、各類人員帶來的空氣顆粒污染物、空氣分子污染物、溫濕度變化和振動(dòng)；第三層設(shè)備內(nèi)部微環(huán)境對(duì)光刻工藝的影響因素包括光刻設(shè)備內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件、發(fā)熱部件和原材料帶來的空氣顆粒污染物、空氣分子污染物、溫濕度變化和振動(dòng)[10-12]。

圖1 光刻工藝環(huán)境模型

3 室外環(huán)境的影響因素及控制手段

日常生產(chǎn)和生活中的燃料燃燒、交通、工業(yè)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)均會(huì)排放大量的污染物，常見的有一氧化碳、臭氧、二氧化硫、氨氧化物、PM2.5和PM10等?？諝獾臏囟?、濕度、風(fēng)速、氣壓和降水等氣象條件因素又影響了污染物的分布。

3.1 室外環(huán)境的影響因素

室外環(huán)境對(duì)光刻工藝環(huán)境的影響因素包括空氣顆粒污染物、空氣分子污染物、溫濕度變化以及自然和人為帶來的振動(dòng)污染。

3.1.1 空氣顆粒污染物

空氣顆粒污染物主要以物理方式影響光刻工藝環(huán)境，造成集成電路產(chǎn)品的短路、表面缺陷等問題，隨著技術(shù)的發(fā)展，器件特征尺寸不斷縮小，相應(yīng)地，要求控制的空氣顆粒污染物尺寸也越來越小[13-14]。

通常所說的十級(jí)、百級(jí)和千級(jí)凈化等級(jí)，采用美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)FED-STD209E（英制）。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14644-1（公制）因其適用的范圍更廣而更多地被采用。ISO 14644-1 定義，不同尺寸的固態(tài)或液態(tài)顆粒物為空氣顆粒污染物，其中直徑小于0.1 μm 的為超細(xì)空氣顆粒污染物，大于5 μm 的為超大空氣顆粒污染物[15-16]。ISO 14644-1 對(duì)0.1～5 μm 的空氣顆粒污染物進(jìn)行了控制等級(jí)劃分，共分為9 級(jí)，每一級(jí)再依據(jù)空氣顆粒污染物的尺寸計(jì)算出單位體積內(nèi)控制的空氣顆粒污染物數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)，ISO 14644-1 空氣顆粒污染物凈化等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示，具體算法為

表1 ISO 14644-1 空氣顆粒污染物凈化等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[17]

式中，Cn為每立方米空氣內(nèi)允許的空氣顆粒污染物數(shù)量，N 為凈化等級(jí)數(shù)，D 為空氣顆粒污染物尺寸。

3.1.2 空氣分子污染物

空氣分子污染物主要以化學(xué)方式影響光刻工藝環(huán)境和光刻工藝質(zhì)量，工藝環(huán)境中空氣分子污染物尺寸在2 nm 以下，由于其尺寸太小而無法被激光顆粒儀檢測(cè)到。國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)與材料協(xié)會(huì)根據(jù)空氣分子污染物的化學(xué)性質(zhì)和對(duì)工藝質(zhì)量的危害性，把集成電路凈化廠房環(huán)境的空氣分子污染物分為酸性、堿性、可凝性和摻雜性4 大類[18-19]。

凈化間黃光區(qū)深紫外光刻工藝敏感的空氣分子污染物主要有揮發(fā)性酸性物質(zhì)、揮發(fā)性堿性物質(zhì)、可凝固性和非凝固性有機(jī)物，其來源有光刻膠、顯影液、增黏劑、化學(xué)試劑、油漆、塑料、環(huán)氧樹脂和人員等。酸性污染物主要腐蝕設(shè)備金屬表面，堿性污染物影響化學(xué)放大光刻膠顯影，有機(jī)污染物直接影響掩模版和光學(xué)鏡片表面[20-22]。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14644-8 建立了有關(guān)空氣分子污染物的空氣化學(xué)污染物凈化等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，ISO 14644-8 空氣化學(xué)污染物凈化等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示，該等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)代表在單位體積空氣中指定的化學(xué)成分或者一組化學(xué)成分的最大允許濃度。這里不包括歸入空氣顆粒污染物的大分子和微生物?？諝饣瘜W(xué)污染物凈化等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法為

表2 ISO 14644-8 空氣化學(xué)污染物凈化等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[23]

式中，M 為空氣化學(xué)污染物凈化等級(jí)，Cx為在單位體積空氣中指定的化學(xué)成分或者一組化學(xué)成分的最大允許濃度。

3.1.3 溫濕度變化

空氣溫度的變化主要受季節(jié)、氣候和日照情況的影響?？諝鉂穸仁侵缚諝庵兴魵獾暮?，影響空氣濕度的主要因素包括氣溫、氣壓、風(fēng)速、地形等。氣溫升高，水蒸氣增加，濕度隨之升高，所以夏季氣溫高、濕度大，冬季氣溫低、濕度小。氣壓升高，空氣中的水蒸氣減少，濕度降低，相反，濕度升高。風(fēng)速也會(huì)影響空氣濕度，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)空氣中的水蒸氣被吹散，空氣濕度降低，相反，空氣濕度升高。海邊或湖邊起風(fēng)時(shí)空氣濕度相對(duì)較低。

3.1.4 振動(dòng)源

廠房周圍的振動(dòng)源包括自然振動(dòng)和人為振動(dòng)，自然振動(dòng)一般由地震、火山爆發(fā)等自然現(xiàn)象引起，嚴(yán)重的會(huì)造成房屋倒塌、人員傷亡，生產(chǎn)中斷。人為振動(dòng)包括廠房振動(dòng)、工程振動(dòng)、道路交通振動(dòng)和低頻空氣振動(dòng)。振動(dòng)經(jīng)土壤傳播到周圍建筑物基礎(chǔ)處，引起建筑物的振動(dòng)響應(yīng)，可能導(dǎo)致墻壁龜裂、地基變形，威脅到建筑物的安全。由于共振放大作用，其放大倍數(shù)可由數(shù)倍到幾十倍，振動(dòng)帶來的危害性會(huì)更加嚴(yán)重。

3.2 對(duì)室外環(huán)境影響因素的控制手段及要求

控制室外環(huán)境影響因素中的空氣顆粒污染物、空氣分子污染物和溫濕度變化主要是通過廠房?jī)艋照{(diào)的新風(fēng)機(jī)組來實(shí)現(xiàn)，新風(fēng)機(jī)組的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中，活性炭吸附器、水浴裝置和化學(xué)過濾器用于消除空氣分子污染物，高效過濾器用于消除空氣顆粒污染物，預(yù)熱盤管、冷盤管和加濕器用于控制溫濕度。通過新風(fēng)機(jī)組的處理，送入室內(nèi)的新風(fēng)空氣的潔凈度和溫濕度達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)有效去除大氣環(huán)境中的各種空氣分子污染物。

圖2 新風(fēng)機(jī)組的結(jié)構(gòu)

根據(jù)廠房所在工程地質(zhì)的《巖土工程勘察報(bào)告》的數(shù)據(jù)，依據(jù)現(xiàn)行的GB 50011《建筑抗振設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50223《建筑工程抗振設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50007《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》等設(shè)計(jì)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，凈化廠房設(shè)計(jì)為丙類廠房，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，深埋鋼筋混凝土防微振實(shí)體墻，加大梁柱和防微振平臺(tái)等措施，以消除凈化廠房周圍工程建設(shè)和交通設(shè)施等振動(dòng)源的影響。

4 凈化廠房環(huán)境的影響因素及控制手段

4.1 凈化廠房環(huán)境的影響因素

凈化廠房?jī)?nèi)安裝了工藝設(shè)備、公用設(shè)施、化學(xué)試劑配送系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)尾氣處理裝置和大量管道，現(xiàn)場(chǎng)還有作業(yè)人員，日常工作中會(huì)產(chǎn)生空氣顆粒污染物、空氣分子污染物和振動(dòng)污染，還會(huì)引起溫濕度變化。

4.1.1 空氣顆粒污染物

集成電路制程長(zhǎng)、工藝環(huán)節(jié)多，其中干法刻蝕、干法去膠和化學(xué)氣相沉積等工藝環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生空氣顆粒污染物，影響凈化間的潔凈度，從而影響工藝質(zhì)量，降低成品良率。

4.1.2 空氣分子污染物

凈化廠房?jī)?nèi)大量使用的化學(xué)試劑、有機(jī)溶劑、特種氣體和固體液態(tài)摻雜源等原材料，工藝產(chǎn)生的各種工藝廢物、廢液和廢氣，以及現(xiàn)場(chǎng)人員活動(dòng)過程，都會(huì)產(chǎn)生空氣分子污染物，進(jìn)而影響工藝環(huán)境。

綜合考慮深紫外光刻機(jī)設(shè)備內(nèi)部微環(huán)境的專用化學(xué)過濾器的使用壽命和長(zhǎng)期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，凈化間黃光區(qū)分子污染物指標(biāo)應(yīng)達(dá)到表3 的要求，為深紫外光刻工藝建立一個(gè)基礎(chǔ)環(huán)境條件。

表3 凈化間黃光區(qū)分子污染物指標(biāo)

4.1.3 溫濕度變化

凈化廠房?jī)?nèi)的氧化爐和高溫工藝墻體等熱源以及清洗工藝大量使用的純水和化學(xué)試劑液體的揮發(fā)，都會(huì)引起凈化廠房?jī)?nèi)環(huán)境溫濕度的變化，影響產(chǎn)品表面薄膜質(zhì)量，引起金屬表面的氧化腐蝕。

4.1.4 振動(dòng)源

凈化廠房?jī)?nèi)的振動(dòng)來源包括輸送管道、真空泵、機(jī)械手、電動(dòng)機(jī)、快沖槽、物料搬運(yùn)和人員活動(dòng)等。凈化間設(shè)備對(duì)于振動(dòng)的敏感程度可以用常見的振動(dòng)大小來衡量，對(duì)振動(dòng)要求最苛刻的是檢測(cè)、測(cè)量和光刻機(jī)等設(shè)備區(qū)域。

4.2 對(duì)凈化廠房環(huán)境影響因素的控制手段及要求

在凈化間新風(fēng)口和黃光區(qū)循環(huán)風(fēng)口處安裝純水噴淋器和活性炭化學(xué)過濾器，可以高效去除空氣中的分子級(jí)污染物。在凈化間黃光區(qū)超高效空氣過濾器上方再安裝化學(xué)過濾器，可以進(jìn)一步降低凈化間黃光區(qū)空氣中分子級(jí)污染物的含量[24-26]。

評(píng)估凈化間設(shè)備的防振技術(shù)要求，統(tǒng)籌考慮工藝設(shè)備和公用設(shè)施的布局和防振設(shè)計(jì)方案，合理選用架空地板、隔離件和消音裝置等防振手段。針對(duì)深紫外光刻機(jī)的特殊防振需求，選擇的設(shè)備機(jī)架應(yīng)在明確環(huán)境振動(dòng)以外的承受力參數(shù)基礎(chǔ)上，增加加速度、遷移率和力學(xué)剛性等專門的承受力參數(shù)的要求。

5 設(shè)備內(nèi)部微環(huán)境的影響因素及控制手段

深紫外光刻機(jī)設(shè)備由準(zhǔn)分子激光器、光路、透鏡、版庫(kù)系統(tǒng)、硅片系統(tǒng)和工作臺(tái)等部分組成。準(zhǔn)分子激光器作為光源，產(chǎn)生的激光經(jīng)過光路照射到掩模版上，再通過透鏡等比例縮小后照射到硅片表面涂布的深紫外化學(xué)放大光刻膠上。版庫(kù)系統(tǒng)含版庫(kù)和上版系統(tǒng)，版庫(kù)用于存放掩模版，上版系統(tǒng)用于掩模版的取放、對(duì)準(zhǔn)和輸送。硅片系統(tǒng)含硅片盒和傳片系統(tǒng)，硅片盒用于存放硅片，傳片系統(tǒng)用于硅片的取放、對(duì)準(zhǔn)和輸送。工作臺(tái)用于承載硅片，完成光照過程中的掃描和步進(jìn)功能。

5.1 設(shè)備內(nèi)部微環(huán)境的影響因素

深紫外光刻機(jī)內(nèi)部環(huán)境需要保持恒定的溫度和濕度，運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的顆粒物需要及時(shí)清除干凈，發(fā)熱元件需要冷卻，在設(shè)備內(nèi)部關(guān)鍵區(qū)域需要形成空氣層流從而產(chǎn)生超凈的微環(huán)境[27-29]。

5.1.1 空氣顆粒污染物

根據(jù)超大規(guī)模集成電路對(duì)應(yīng)的器件特征尺寸，深紫外光刻工藝設(shè)備內(nèi)部微環(huán)境的空氣顆粒污染物凈化等級(jí)選擇ISO 14644-1 1 級(jí)。

深紫外光刻機(jī)設(shè)備內(nèi)部微環(huán)境中各種部件的材料會(huì)散發(fā)空氣顆粒污染物，各種電機(jī)、絲杠和氣缸等運(yùn)動(dòng)部件在工作過程中會(huì)摩擦產(chǎn)生空氣顆粒污染物。

準(zhǔn)分子激光器采用的準(zhǔn)分子是非穩(wěn)定的分子，由激發(fā)態(tài)和基態(tài)兩種狀態(tài)混合而成，基態(tài)極不穩(wěn)定，在10-13s 內(nèi)會(huì)分解，而激發(fā)態(tài)比較穩(wěn)定，在10-8s 內(nèi)會(huì)出現(xiàn)結(jié)合態(tài)，并通過輻射衰減。準(zhǔn)分子激光器的諧振腔內(nèi)充入不同的稀有氣體和鹵素氣體混合物，可產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的脈沖激光[30-31]。減小光源波長(zhǎng)可以提高光刻分辨率，而減小激光光源波長(zhǎng)主要通過研發(fā)更短波長(zhǎng)的準(zhǔn)分子激光器。

20 世紀(jì)90 年代，248 nm 波長(zhǎng)的KrF 準(zhǔn)分子激光器在光刻工藝中開始實(shí)現(xiàn)商用化，滿足0.18～0.10 μm線寬光刻工藝的要求。隨著集成電路制造技術(shù)要求的不斷提高，193 nm 波長(zhǎng)的ArF 準(zhǔn)分子激光器開始大量使用，滿足90～45 nm 線寬光刻工藝的要求[32-34]。深紫外光刻機(jī)所用的ArF 準(zhǔn)分子激光器功率達(dá)到40 W 以上，產(chǎn)生的193 nm 波長(zhǎng)激光脈沖能量達(dá)到10 mJ，可以使周圍空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為臭氧，臭氧能與光刻膠反應(yīng)形成顆粒，附著在鏡片表面會(huì)縮短光路維護(hù)保養(yǎng)周期，或懸浮在空氣中直接影響光路的透光性[35-37]。

5.1.2 空氣分子污染物

深紫外光刻工藝使用了光刻膠、抗反射涂料、去邊劑和眾多有機(jī)化學(xué)試劑，它們會(huì)產(chǎn)生各種空氣分子污染物。

1995 年，集成電路制造線寬進(jìn)入0.25 μm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)，化學(xué)放大光刻膠開始應(yīng)用，直至現(xiàn)在還被應(yīng)用到7 nm 甚至5 nm、3 nm 等更先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)中?；瘜W(xué)放大光刻膠含一定比例的感光性光酸產(chǎn)生劑和大量聚合物，經(jīng)深紫外光刻機(jī)曝光后，光子引起感光性光酸產(chǎn)生劑分解生成少量酸，在加熱條件下，酸會(huì)催化聚合物分子鏈發(fā)生反應(yīng)，使聚合物的溶解性能發(fā)生變化，并重新釋放出酸，而釋放出的酸又能繼續(xù)催化聚合物發(fā)生變化，生成水基顯影液的基團(tuán)聚合物，從而改變光刻膠的溶解度?；瘜W(xué)放大光刻膠內(nèi)的聚合物酸解使聚合物完全反應(yīng)所需要的能量變小，這就降低了曝光所需要的能量，從而大幅度提高了光刻膠的光敏性。

化學(xué)放大型光刻膠的高曝光靈敏度可以減小對(duì)準(zhǔn)分子激光器光源輸出能量的依賴，還可以通過控制曝光后烘烤的溫度與時(shí)間來更加精密地調(diào)節(jié)成像質(zhì)量，提升對(duì)比度、焦深和側(cè)壁輪廓垂直度。但是，化學(xué)放大光刻膠在曝光后烘烤期間，若空氣分子污染物中的胺、氨等堿性物質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入光刻膠表面，會(huì)導(dǎo)致附近的酸發(fā)生酸堿中和反應(yīng)形成氨鹽，導(dǎo)致化學(xué)放大光刻膠作用減弱。這種氨鹽一方面會(huì)使酸催化反應(yīng)的效率受到影響，導(dǎo)致曝光區(qū)膠膜在顯影液中的溶解性質(zhì)未產(chǎn)生足夠大的變化，另一方面在堿性顯影液中無法溶解，從而導(dǎo)致部分頂層的光刻膠變得不可溶解。當(dāng)堿性污染物數(shù)量足夠多時(shí)，頂層的光刻膠會(huì)變得完全不可溶解，導(dǎo)致無法順利完成掩模版上圖形的轉(zhuǎn)移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，化學(xué)放大光刻膠曝光后處在堿性物質(zhì)的質(zhì)量濃度大于10-8g·m-3的環(huán)境時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)化學(xué)放大光刻膠表層不溶解的情況[38-39]。

5.1.3 溫濕度變化

深紫外光刻機(jī)作為大型超精密機(jī)器，由眾多的功能模塊搭建而成。其中，電氣控制箱安裝了控制電路板，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作會(huì)產(chǎn)生大量熱量；傳送系統(tǒng)的電機(jī)線圈和對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)采用的激光器在長(zhǎng)時(shí)間工作后也會(huì)發(fā)熱。設(shè)備內(nèi)部的各種熱源引起溫濕度的變化，進(jìn)而引起光學(xué)鏡片的變形，導(dǎo)致光線變化，無法正常工作。

5.1.4 振動(dòng)源

光刻過程運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生振動(dòng)會(huì)給深紫外光刻機(jī)的工作造成致命的影響，導(dǎo)致光刻圖形誤差增大和工藝窗口下降。深紫外光刻機(jī)照明系統(tǒng)對(duì)于振動(dòng)特別敏感，振動(dòng)使得光強(qiáng)均勻性變差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)光線閃爍效應(yīng)，無法進(jìn)行曝光。工作臺(tái)的振動(dòng)會(huì)造成光刻圖形關(guān)鍵尺寸的均勻性、線條邊緣粗糙度和套刻精度等指標(biāo)超標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)不能完成掩模版和硅片的自動(dòng)定位[40-41]。

衡量振動(dòng)響應(yīng)的指標(biāo)有振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度。振動(dòng)位移適用于低頻振動(dòng)，振動(dòng)加速度適用于高頻振動(dòng)，振動(dòng)速度兼顧低頻和高頻振動(dòng)，以此衡量容許振動(dòng)更加合理[42-43]。3 個(gè)指標(biāo)可以相互轉(zhuǎn)換，振動(dòng)指標(biāo)采用振動(dòng)位移或振動(dòng)加速度衡量時(shí)，若需要可以轉(zhuǎn)換為振動(dòng)速度。在已知振動(dòng)頻率的情況下，振動(dòng)位移U、振動(dòng)加速度A 和振動(dòng)速度V 存在如下關(guān)系：

其中，f 為振動(dòng)頻率。

Colin Gordon 公司提出的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)被美國(guó)環(huán)境科學(xué)與技術(shù)學(xué)會(huì)采納并推薦為通用環(huán)境微振的等級(jí)，該振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)含有從VC-A 到VC-G 的7 條曲線，覆蓋了振動(dòng)敏感設(shè)備儀器和納米技術(shù)設(shè)備的容許振動(dòng)限值，我國(guó)的GB51076—2015《電子工業(yè)防微振動(dòng)設(shè)計(jì)規(guī)范》也參考了此標(biāo)準(zhǔn)[44]。

深紫外光刻機(jī)的靜態(tài)振動(dòng)控制要求是：主機(jī)平臺(tái)高架地板振動(dòng)頻率處于1～100 Hz 時(shí)，容許振動(dòng)速度為3 μm/s；準(zhǔn)分子激光器安裝平臺(tái)振動(dòng)頻率處于1～100 Hz 時(shí)，容許振動(dòng)速度為6 μm/s。為此，需專門為深紫外光刻機(jī)主機(jī)配備阻尼諧振頻率小于100 Hz 的隔振平臺(tái)，以滿足靜態(tài)振動(dòng)的控制要求。

深紫外光刻機(jī)在光刻膠曝光過程中掩模版處于掃描運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，區(qū)別于紫外光刻機(jī)在光刻膠曝光過程中掩模版的靜止?fàn)顟B(tài)，因此深紫外光刻機(jī)在靜態(tài)容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，還專門引進(jìn)了動(dòng)態(tài)阻尼振動(dòng)的控制要求。

5.2 對(duì)設(shè)備內(nèi)部微環(huán)境影響因素的控制手段及要求

深紫外光刻機(jī)的微環(huán)境控制柜主要由微循環(huán)風(fēng)機(jī)、超高效空氣過濾器、化學(xué)過濾器組件、熱交換器和溫濕度控制器等組件組成。

深紫外光刻機(jī)的曝光區(qū)域、硅片傳送區(qū)域、硅片工作臺(tái)、版庫(kù)和上版區(qū)域分別形成了局部層流，建立各區(qū)域的凈化微環(huán)境，超高效過濾器出口氣流達(dá)到0.45 m/s；潔凈度達(dá)到ISO 14644-1 1 級(jí)，即微環(huán)境中每立方米空氣中直徑為0.1 μm 以下的顆粒不超過10顆、直徑為0.1～0.2 μm 的顆粒不超過2 顆、直徑為0.3 μm 以上的顆粒為0 顆；空氣分子污染物中酸性物質(zhì)的質(zhì)量濃度小于10-9g/m3、堿性物質(zhì)的質(zhì)量濃度小于10-9g/m3、可凝固有機(jī)物的質(zhì)量濃度小于2×10-8g/m3；環(huán)境溫度控制在（22±0.1）℃；環(huán)境相對(duì)濕度控制在45%±3%[45]。同時(shí)，為保證光刻機(jī)光學(xué)鏡片壽命和光刻工藝的穩(wěn)定性，選用低放氣率的深紫外光刻膠[46]。

掩模版庫(kù)采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口（SMIF）的方式與光刻機(jī)內(nèi)的環(huán)境連成一體，通過光刻機(jī)內(nèi)部的層流，形成溫濕度和潔凈度符合要求的微環(huán)境，確保掩模版在存放過程中處在一個(gè)超凈的安全環(huán)境里。深紫外光刻機(jī)選用前開式晶圓傳送盒（FOUP），F(xiàn)OUP 由超純聚碳酸酯材料制作而成，滿足空氣分子污染物的管控要求，能通過下降前開門把FOUP 與光刻機(jī)緊密連接為一體，通過上升前開門把FOUP 與光刻機(jī)分離，形成密封獨(dú)立空間，內(nèi)部充滿超凈惰性氣體，形成溫濕度和潔凈度符合要求的正壓微環(huán)境[47]。

193 nm 深紫外光刻機(jī)的光路區(qū)域采用超凈氮?dú)庑纬杀Ｗo(hù)氣氛[48]，可以避免臭氧的生成，同時(shí)保護(hù)光路區(qū)域的光學(xué)鏡片安全。氮?dú)鉃槎栊詺怏w，若大量泄露到環(huán)境中，會(huì)造成窒息性安全隱患，必須安裝氧含量?jī)x，在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。

193 nm 深紫外光刻機(jī)的鏡頭區(qū)域用超凈壓縮空氣形成吹掃氣流[48-49]，可以避免因臭氧的累積引起光路通透率下降，同時(shí)保護(hù)鏡頭的安全。

深紫外光刻機(jī)內(nèi)部使用的超凈氮?dú)獾奈廴疚锖恐笜?biāo)要求見表4，使用的超凈壓縮空氣指標(biāo)要求見表5。

表4 超凈氮?dú)獾奈廴疚锖恐笜?biāo)要求[50]

表5 超凈壓縮空氣的指標(biāo)要求[51]

在凈化間深紫外光刻機(jī)內(nèi)部微環(huán)境和外部上方超高效空氣過濾器出風(fēng)面分別安裝化學(xué)發(fā)光實(shí)時(shí)堿性分子污染物檢測(cè)儀，實(shí)時(shí)在線監(jiān)控環(huán)境中堿性分子污染物的含量，確保深紫外光刻機(jī)內(nèi)部微環(huán)境堿性分子污染物的含量符合要求?；瘜W(xué)發(fā)光實(shí)時(shí)堿性分子污染物檢測(cè)儀包括總氮轉(zhuǎn)換器、臭氧發(fā)生器、真空泵和尾氣處理裝置等部件，可用于含氮的堿性分子污染化合物檢測(cè)，由于其具有濃度檢測(cè)范圍大、抗干擾性強(qiáng)、能區(qū)分氣態(tài)氨和銨鹽、儀器調(diào)試簡(jiǎn)單、響應(yīng)時(shí)間短（僅為1 min）、日常維護(hù)費(fèi)用低和在線信號(hào)穩(wěn)定性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，適用于深紫外光刻工藝質(zhì)量控制在線檢測(cè)[52-54]。

為了進(jìn)一步隔絕設(shè)備內(nèi)部微振源的影響，深紫外光刻機(jī)設(shè)備內(nèi)部的硅片工作臺(tái)需安裝防微振氣墊，在設(shè)備內(nèi)部形成穩(wěn)定的環(huán)境[55-57]。表6 是某集成電路制造工廠采用的深紫外光刻機(jī)工藝環(huán)境控制方案，在實(shí)際運(yùn)行中可以達(dá)到環(huán)境控制要求。

表6 某集成電路制造工廠的深紫外光刻機(jī)工藝環(huán)境控制方案

6 結(jié)論

通過研究現(xiàn)有文獻(xiàn)成果，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)形成深紫外光刻工藝的環(huán)境控制要求，歸納提出深紫外光刻工藝的環(huán)境控制措施：空氣顆粒污染物的控制措施是安裝新風(fēng)機(jī)組和凈化間高效過濾器、微環(huán)境超高效過濾器，采用SMIF 和FOUP 連接；空氣分子污染物的控制措施是安裝新風(fēng)機(jī)組和循環(huán)風(fēng)水浴、活性炭吸附、化學(xué)過濾器、凈化間和微環(huán)境化學(xué)過濾器組件；溫濕度的控制措施是安裝新風(fēng)機(jī)組和循環(huán)風(fēng)熱冷盤管、加濕器、微環(huán)境溫濕度控制柜，采用壓空冷卻、熱排風(fēng)等裝置；振動(dòng)的控制措施包括深埋防微振實(shí)體墻，加大梁柱，統(tǒng)籌布局和防振設(shè)計(jì)，合理選用架空地板、隔離件，安裝設(shè)備工作臺(tái)防微振氣墊。方案從外部環(huán)境、凈化間環(huán)境和設(shè)備內(nèi)部微環(huán)境3 個(gè)層面實(shí)施控制措施，可以達(dá)到深紫外光刻工藝環(huán)境的控制要求。