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300mm晶圆传送盒氮气填充理论分析及动态仿真：
考虑水气渗入及吸附对填充效率之影响
郭中权
贸立工程有限公司
摘 要：
随着半导体之制造线径有越來越微小化之趋势，污染防治重点也从粉尘微粒(particle)扩展到气狀分子污染物AMC(Airborne Molecular Contamination)上，本文针对晶圆传送盒FOUP(Front Opening Unified Pod)内部环境的影响，以氮气填充为研究对象。FOUP主要作为晶圆储存及传输之用，但FOUP内的空气仍存有对晶圆危害性，故针对此排除AMC的方法之一：使用惰性气体填充于300mm晶圆传送盒FOUP(Front Opening Unified Pod)的净化过程，为目前最主要的研究方向。填充氮气主要目的为排除氧气与水气，以防止这两个物种在晶圆表面生成氧化物，降低制程良率。本文即针对实验数据，利用计算机软件FLUENT进行仿真加以比对分析，同时针对不同设计参数加以模拟分析，进而找出内部最佳的填充方式。同时藉由理论及数值分析比对实验数据，发现水气渗入及吸附对填充效率仍具有影响，故可知分析类似问题时，仍需将此效虑充份考虑而非省略。
关键词：
晶圆传送盒FOUP、氮气填充、吸附、计算流体力学
1、前言
空气中的分子污染物在晶圆表面容易与氧气及水气结合形成，为防止此现象发生须减少晶圆表面氧化物的含量。在一密闭的容器中，若可填充不易与晶圆反应之惰性气体，能够保存已清洗过之晶圆表面的完整性，使晶圆表面不会因与空气中的AMC接触而产生栅栏状氧化物。事实上，加载盒仍包含一些程度污染浓度，可能对晶圆造成损害。举例来说，在密闭加载箱所存在的湿气接触到晶圆会造成如原生氧化层的成长、侵蚀及薄膜破裂等现象。由于散布之有机化合物的存在，会导致晶圆上电路物理性质之劣化。净气清理FOUP为一广泛接受的方法，以消除任何不被允许之污染，其中氮气即为一被广泛应用来防止原生氧化层沉积及有机污染的一种惰性气体 [1,2]。
随着晶圆装置精密度的提升及电子电路的微细化，空气中的微粒子加上分子狀分子物质（AMCs：Airborne Molecular Contaminants）也成为被控制的主要对象。洁净室内空气之AMCs产生源主要有：(1)外气、(2)人体、(3)制造设备、(4)制造用气体或药液蒸气建筑物及(5)洁净室内的建材等，如图1所示，这些产生源当中制程装置使用的气体或药液蒸气成分，不仅是从洁净室特定制程，亦可能从其它之广泛范围被检查出來。本文的目的乃为以解析及数值模拟的方法分析分析氮气填充FOUP过程中，影响水气排除的各种因素进而提出增进填充效率的方法。
2、研究方法
本文以理论推导以及数值模拟的方式，探讨填充氮气过程中水气的影响，以下就两种方式之架构加以說明。
2.1 理论分析
假设填充(Purge)气体充灌进入FOUP后完全与气体混合，此时FOUP内水气的大小X与浓度C的关系为
C=X/V (1)
其中V为FOUP体积。而FOUP内水气总量随浓度变化可表示为
dX=VdC
考虑FOUP本体对水气附及脱附量可表示如下
-K CA+K MA (2)
其中 Ka & Kd 分别表示为吸附及脱附水气，A为FOUP内表面积，以及M为由外界渗入之水气量。另外因换气产生之水气变化为
(C-C )Qdt (3)
其中 Co 为填充气体之水气浓度。由质量守恒，FOUP内污染物总量随浓度之变化则为
DX=VdC=-kCA+KMA-(C-C)Qdt (4)
对(4)两边积分
由(5)式得到
由起使条件
代入 (6) 式
 ，并重新帶回(6)式得到
假设 C0=0，便可得到(7)式的一般形式
2.2 數值模拟
本研究之數值模拟主要为计算三维瞬时之欧拉守恒方程式(Eulerian Conservation Equation)。为简化问题的分析，氮气在填充过程时假设为均质(homogeneous)、绝热(adiabatic)以及不可压缩(incompressible)。又重力于本问题影响因素甚小，其效应忽略不计。
气体在FOUP内流动可用以下方程式描述
其中 φ 代表每速度分量(u, , ) ，紊流動能(turbulence kinetic energy, k) ， 紊流動能耗散(dissipation rate of the turbulence kinetic energy ,ε) 以及物种(species m ) ， 则为每一变數φΓφ
之有效交换系數(传递系數)， Sφ代表源项。求解多种纯量场(Multi Specious，如氮气浓度及含水量)如以下张量表示：
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