摘要：残留气体分析（ＲＧＡ）在化学工艺监控和异常情况检测中具有很长的应用历史．本文将详细描述300mm全自动fab对RGA系统的开发及其在金属PVD气体去除腔生产控制中的应用。　

　　残留气体分析器（residual gas analysis, RGA）具有很高的化学选择性和灵敏度，因此在半导体制造中具有很长的应用历史，用于化学工艺过程的监控和异常情况的检测。从1990年代开始，IBM公司微电子部（IBM Microelectronic division, IMD）开始深入研究RGA系统在200mm金属沉积气体去除腔中的应用，以防止金属沉积反应器受到外来物质（例如残留光刻胶）的污染。众所周知，如果金属沉积之前光刻胶去除不彻底，晶圆上过多的光刻胶残留物不仅会导致金属薄膜和晶圆之间的附着力很差，而且会污染金属溅镀靶，最终使金属沉积反应器由于外来物质的污染不能正常工作。原位（in-situ）残留气体分析有两大优点和用途：保护金属溅镀靶和反应器配套部件;缩短设备出现故障不能正常工作的时间。RGA系统很快就成为IBM半导体制造厂金属沉积之前气体去除工艺的标准配备和记录参数。
　　为了将RGA系统和工艺设备整合在一起，IMD将RGA系统的PLC真空系统控制器和气体去除腔气体阀门的耐压真空管连接在一起，并通过真空开关将气体阀门的真空压力信息转换成电子信号传递给RGA，使其自动工作。与此类似，通过真空系统控制器和工艺设备数字I/O卡之间的数据线，RGA可以控制工艺设备，在参数异常时禁止设备运行。实践证明这种整合方式非常有效。但是，这种整合方式仅限于单个工艺设备内部，RGA系统无法得到更多的信息，例如产品类型和工艺条件等等。对于同时生产多种产品的fab来说，这会带来很大的问题。
　　幸运的是，还有其它整合方法可供选择。对于200mm fab来说，增加SECS接口的使用是其中一个有效办法，它可以为RGA系统提供工艺、设备和其它信息。与真空开关和I/O接口整合方式相比，增加SECS接口的使用取得了重大的进展。然而，SECS仍然面临它自己的一些问题。例如，增加一个SECS接口并不能支持同时进行多项并行工作，也不能在RGA和制造执行系统（manufacturing execution system, MES）之间建立清晰和有效的信息共享路径。为了增强RGA系统的功能和RGA数据（或其它类似传感器数据）的价值，我们需要更新的整合方式。新的RGA整合方式不仅要使RGA系统可以获取设备端的数据（历史记录、异常情况、工艺条件等），而且还能得到范围更广（例如全厂）的信息以及晶圆本身的一些信息。IBM最先进的300mm fab成功开发了一套全新的整合和数据信息通讯技术。通过这项技术，RGA成功地在300mm全自动fab金属沉积（PVD）工艺中得到了应用，用于控制金属沉积之前气体去除腔的生产和工艺控制

　　RGA整合系统
　　图1所示为IBM 300mm fab计算机整合制造（CIM）和RGA系统的的主要组成和框架结构。其中，RGA传感器被连接到金属沉积气体去除腔中，然后通过RGA服务器和高速fab TCP/IP网络进行数据交换与通讯。其构架核心是先进工艺控制界面（APC 3rd-party interface），该界面是基于XML的信息交换系统，其中详细定义了XML信息的相关内容以及进行系统通讯时所使用的主题。界于APC界面和MES系统之间的是IBM WebSphereMQ信息系统，通过它可以在fab内不同设备和系统之间进行XML文件的共享。
　　通过对APC界面的精心设计，工程师可以对各种APC系统按照不同的规模和层次进行调整，并且可以携带，简单方便。只需要做最小的修改就可以将各种APC应用系统和SiView MES系统整合在一起。当RGA系统进行通讯和数据信号传递时，可以将各种信息或XML文件上传给某些已经定义好的MQ上。图2为工艺控制时RGA系统XML信息的传递顺序。以下为这些关键信息的简单描述和总结：

　　● APCRunTimeCapability
　　要求RGA系统在进行工艺控制之前给MES系统一个响应。这样MES系统就可以对RGA进行功能查询（例如工艺条件的修改），并且保证RGA系统在进行工艺处理之前已经为工艺监控做好准备了。
　　● ControlJobInformation和Evenet/Trace Data

　　为RGA提供关键的工艺控制相关信息以及控制算法所需的异常情况/历史记录等数据（见表1）。异常情况数据公布由SiView系统根据S6F11 SECS信息生成，并通过SiView 数据收集服务器对数据收集报告进行相关定义。对于S6F1记录数据来说，MES系统会提供一个通用的数据收集计划，生成S2F23信息进行相关记录数据的收集。其中，晶圆编号由设备处理数据提供，通过它可以进行晶圆加工历史的追踪和确定产品类型。
　　● ProcessDisposition
　　出现RGA警告信息后，可以按照预先定义的规则对工艺设备进行控制，并且通过MES电子邮件和寻呼系统提醒制造部工程师。当RGA系统确定污染程度超过预设阈值时，可以在一秒钟之内将工艺设备停下来。同时，RGA报警电子邮件和寻呼信息可以为制造工程师提供与故障或异常情况相关的详细资料，例如警告的严重程度以及晶圆的编号和基材的编号等。制造工程师将根据这些详细信息判断出现RGA警告的可能原因并且决定应该如何处置那些受影响的晶圆。此外，这些数据信息中还嵌有与RGA原始数据相连的HTTP链接，通过它可以在必要时对RGA信息进行深入的研究。
　　● SPC界面
　　将RGA相关数据传递给MES，并且以SPC图表的形式公布在网页上。通过SPC图表，工艺和制造工程师可以获取经过总结的RGA数据，并且与其它传感器或测试数据进行比较。更重要的是，必要时可以将各种SPC规则应用于RGA数据分析中。
　　APC界面是一种全新的整合方式，由于具有以上数据通讯和控制功能，因此比以前的整合方法要先进得多。

　　图1还显示了RGA系统的另一重要特征-采用了SQL数据库系统。SQL数据库大大简化了大型RGA系统的管理工作。例如，通过RGA系统设置表格（见表2）可以对气体去除腔监测所需的取样阀门进行定义。同时，该数据库还可以存储有关晶圆和工艺的RGA数据总结以及其它相关信息（见表1）。通过SQL数据库，我们可以根据不同的查询标准（例如产品类型和光罩层次）对不同设备的RGA数据进行查询，分析过去几个月以来的数据分布趋势等。在下一节进行实际案例介绍时，我们会更加深刻地体会到通过该数据库系统进行数据分析时所带来的方便。
　　实际案例介绍
　　从1990年代初期开始，人们就已经普遍认识到APC对于半导体制造的重要性。而今的300mm fab的一个重要发展趋势是实现工艺过程的全自动化，尽可能减少手动操作所带来的人为失误/错误。由于这个原因，300mm发展初期还引起了全自动fab是否需要异常检查（例如RGA光刻胶残留检测）的争论。实践证明，这样的工艺控制方法是非常必要的。过去两年的使用结果显示将RGA用于气体去除结果的监测大大超出了预期的投资回报率（return on investment, ROI）。它可以很快地检测到各种污染物质和工艺方面的问题，这对于提高产品良率、延长工艺设备使用时间、增加300mm fab的利润率来说是非常重要的。尽管残留光刻胶的检测是高ROI的主要原因，RGA系统的作用已经远远超出了这一应用，我们将在后面进行更加详尽的讨论。
　　残留光刻胶的检测
　　有很多原因会造成被残留光刻胶污染的晶圆继续进入PVD设备。对于全自动300mm fab来说，其中有些因素的影响仍然存在，因此对残留光刻胶进行检测仍然十分重要：
　　● 刻蚀工艺出现问题后没有正确处理，带有残留光刻胶的晶圆进入了后续金属沉积设备。
　　● 光刻工艺出现问题，例如重复涂布光刻胶。
　　● 上游工艺出现异常，光刻胶涂布不均匀，厚度较大的地方光刻胶去除不干净。
　　● 光刻胶去除工艺出现偏差，特别是进行新产品或新工艺的开发时。
　　● 处理有问题的工艺/设备时造成的人为失误，光刻胶没有去除就进入下一道工序。
　　非光刻胶污染
　　产品类型不同时，气体挥发的性质也不一样。例如，使用低k电介质的晶圆比使用氧化硅电介质的晶圆更容易挥发出气体。因此，务必要使RGA能够自动识别产品类型并调整算法。在200mm fab中，由于RGA不能获取与工艺相关的信息（例如产品类型），只能为所有类型的晶圆设置一个共同的警告线。而且为了防止出现太多的误报警，必须将警告线设置得很高。
　　该方法的一个主要问题是会漏过一些轻微的污染或工艺变动异常情况。IBM 300mm fab使用的APC界面控制法为解决这个问题给出了一个很好的答案。该系统不仅可以获取工艺设备的各种追踪数据而且可以得到MES系统提供的工艺控制信息，因此RGA系统可以根据产品类型采用不同的控制算法，使RGA系统的使用远远超出残留光刻胶检测的范围。图3为RGA检测非光刻胶污染的两个例子，这些污染也是影响良率的“杀手”。

　　图3左图为SQL数据库提供的RGA统计数据曲线。每个数据点代表每片晶圆污染指数A的最大值。根据质谱强度，污染指数A可用于测量气体去除过程中检测到的某种有机污染物含量。当污染指数超出了预先设置的警告线时，可以激发控制系统，停止设备的运行。很明显，对于前面6000片晶圆来说，污染指数A保持了很低的基准，没有出现任何异常情况。然而，对于后面的晶圆来说，情况就不一样了。有些晶圆超出了（或接近）报警线。工艺工程师对异常晶圆进行了检查，发现晶圆背面有一些白色的污点（见图3右图）。他们还发现出现RGA报警的所有晶圆都具有相同的特征。经过进一步的光谱分析，他们确定了这些白色污点的组成，并确认这些污点是造成RGA报警的原因。改善背面冲洗（rinse）工艺条件后，这种污染的发生几率被降低到最低程度，几乎不再出现。
　　工艺整合问题的检测
　　RGA系统不仅可以防止工艺设备受到外来物质的污染，而且还可以检测到一些工艺整合方面的问题。通常，上游工艺的偏差或变动会在晶圆的气体挥发性上体现出来。对于这样的工艺变动，RGA监测系统是非常敏感的。RGA系统可以更早地检测到工艺整合发生的问题，而传统方法只能在数天甚至几个星期之后通过电性能测试数据反应出来，期间可能根本就不会有人意识到这些问题，更不用说纠正措施了。因为RGA系统可以在很短的时间内检测到这些问题，所以可以使更多的晶圆避免被报废。

　　图4所示就是这样一个例子，从RGA数据可见金属沉积设备突然出现了RGA报警信号。RGA数据的初步研究排除了光刻胶污染的可能性。在对晶圆进行检查时也没有发现之前讨论的两种污染情况。为了找到造成报警信号的真正原因，工程师首先按照产品类型和光罩层次对这些数据进行了分类，然后进行细致的分析。如图4左图所示，所有出现报警的晶圆都属于同一种产品类型和某一层光罩。图4右图则显示相同时期内其它产品或金属层却没有出现这样的情况。因此，RGA数据突然出现报警有可能是某一产品的某一工艺改变造成的。
　　根据这些信息，工艺整合工程师很快就确定RGA报警的原因与10天前某一工艺改变相关。深入分析的结果显示该工艺的改变使晶圆某层薄膜的内部压力发生了变化，压力到达一定值后，薄膜开始剥落，气体挥发量急剧上升。显微镜观察的结果证明了这一现象。
　　发展趋势
　　在过去几年里，RGA系统快速成熟和发展起来，并逐渐成为半导体制造的主流技术。将来，RGA技术的发展主要在以下三个方面。首先是异常情况分类。目前，大多数RGA系统缺乏异常情况自动分类功能。为了正确处置受影响晶圆，RGA终端用户通常要依靠传感器工程师确定报警原因。这就要求传感器工程师能提供7天24小时全时服务，大多数情况下这是不现实的。因此，我们非常希望RGA能够根据发生异常情况的原因进行自动分类并且将这些信息传递给终端用户。知道最可能导致RGA报警的原因后，终端用户就可以对受影响的晶圆进行正确的处置了。目前，人们正在考虑采用多变量分析技术实现RGA数据的自动分类。图5所示为某种物质污染造成RGA报警的初步分析结果

        RGA发展的另一趋势是实现“数据挖掘（data mining）”功能。通过数据挖掘技术对设备端或全厂数据（例如传感器数据、各种缺陷数据、最终测试数据）进行分析的相关报道越来越多。每个fab都有自己的数据库，其中包含各种各样与晶圆加工处理相关的大量数据。通过数据挖掘可以研究和发现这些数据之间的相关性、发展趋势以及分布方式等信息。它不只是在传感器数据和产品良率、设备性能之间进行简单的相关性分析，而是要挖掘出隐藏更深、与良率相关的因素。这一功能对于快速实现产品量产来说特别重要。
　　RGA发展的第三个趋势是能够实现每次生产之间的偏差控制以及工艺终点的控制。目前，大多数RGA系统只是用于异常情况的检测和工艺问题的诊断。早期的研究结果发现RGA系统还能用于控制每次生产之间的偏差和工艺终点的控制，以确保达到工艺目标，例如膜厚和晶体质量。为了在半导体生产中实现这一目标，还有很多的工作要做，从而确保系统能够7天24小时高效运作，并使用于不同的工艺和产品类型。
　　联系作者：Yiheng Xu  yihengxu@us.ibm.com