Halbleiter sind die grundlegenden Komponenten moderner elektronischer Geräte. In einer Anlage zur Halbleiterfertigung ist die Reinheit der Waferoberflächen entscheidend für die Produktqualität, vor allem wenn man die Größenordnung (Nanometer) der Sensorherstellung betrachtet. Kleinste Verunreinigungen können, weshalb Hersteller äußerst strenge und präzise Verfahren zur Qualitätssicherung der Produktionsprozesse mit hoher Reproduzierbarkeit implementieren.  Zu den wichtigsten Produktionsschritten gehört die Oberflächenbehandlung der Wafer mit Ätz- und Reinigungsbädern, die der Entfernung von Verunreinigungen und der Oberflächentexturierung dienen. Dieser Artikel zeigt, welche Vorteile sich für Halbleiterhersteller ergeben, die die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) in die Prozesse der Wafervorbehandlung für Echtzeitanalysen, 100 % Rückverfolgbarkeit, optimale Produktsicherheit und maximalen Durchsatz implementieren.

2060 The NIR Analyzer: Integrationsmöglichkeiten der Nahinfrarotspektroskopie in Nassprozessanlagen

In einer Halbleiterfertigungsanlage besteht eine typische Nassbank aus mehreren einzelnen Bädern mit spezifischen Zwecken (z.B. chemisches Ätzen, Reinigen und Spülen). Für diese Aufgaben benötigt jede Prozesslinie unterschiedliche Säure- oder Basenmischungen bzw. organische Komponenten. Abbildung 1 zeigt den typischen Aufbau einer Nassbank mit einer von mehreren verfügbaren Konfigurationen für den 2060 The NIR Analyzer von Metrohm Process Analytics.

Dieses Beispiel zeigt das Prozessbad HF-Dip (DHF, Flusssäure/Wasser in gewisser Konzentration zur Generierung einer gewissen Ätzrate), SC1 (Standard Clean, ein Reinigungsbad aus Ammoniumhydroxid, Wasserstoffperoxid und Wasser), SC2 (Standard Clean, ein Reinigungsbad bestehend aus Salzsäure und Wasserstoffperoxid in Wasser), HotPhos (Phosphorsäure in Wasser) und andere Spülschritte, die nicht mit NIRS überwacht werden.

Die Chemikalien werden mittels Pumpen ständig umgewälzt, die über integrierte Filter verfügen, um Kontaminationen der Prozessbäder und damit der Wafer zu vermeiden. Der Waferträger (Carrier) wird in jedes Bad für eine definierte Zeit eingetaucht, abhängig von der Chemikalienkonzentration und des Prozessschrittes. Da der Carrier viele hochwertige Wafer enthält, ist präzises Wissen über die Prozessbedingungen zu jeder Zeit entscheidend. Die kontinuierliche Echtzeit-Prozessüberwachung erfolgt durch den Einsatz von Clamp-on-Durchflusszellen, die an die Zirkulationsleitung jedes Bades angebracht werden (Abbildung 1). Die Messung erfolgt komplett ohne Medienkontakt.  

Die Ergebnisse dieser Echtzeit-Überwachung stehen im Prozessleitsystem (PLS) zur Verfügung, um bei Über- oder Unterschreitung der Spezifikationsgrenzen schnell intervenieren und gegensteuern zu können. Dies erhöht die Anlagenverfügbarkeit und den Durchsatz der Carrier. 

Die Sonden werden über Lichtleiter mit dem 2060 The NIR Analyzer verbunden. Der Analyzer ist das Herzstück mit intelligenter Auswerteeinheit und bietet eine schnelle und zuverlässige Messtechnik, die alle relevanten Qualitätsparameter innerhalb von Sekunden analysiert. 

Dieser hochmoderne Prozessanalysator eignet sich ideal zur Überwachung der Zusammensetzung von Prozessbädern in Nassbänken:

• Die Multiplexing-Funktion ermöglicht es den Benutzern, eine Vielzahl von Parametern in bis zu fünf Prozessströmen mit einem einzigen Analysator zu messen
• Die Plug-and-Play-Fähigkeit gewährleistet eine nahtlose Integration und schnelle Inbetriebnahme
• Hochwertige optische Fasern, die mit Sonden und Analysator verbunden sind, übertragen Daten schnell und zuverlässig, selbst über große Entfernungen hinweg
• Die Konzentrationsüberwachung aller Komponenten einer kompletten Nassbankeinheit ist in weniger als fünf Minuten möglich – ganz im Sinne der Prozessüberwachung in Echtzeit
• Intelligente Prozesssteuerung, z. B. zur Priorisierung von Probenströmen durch das PLS für höhere Messfrequenzen bei Bedarf

Bei beengten Platzverhältnissen in schwer zugänglichen Reinraumbereichen wird die Auswerteinheit (2060 Human Interface) des 2060 The NIR-R Analyzer außerhalb des Reinraumbereichs montiert. Die Entfernung zwischen dem NIR-Kabinett und der Messstelle kann aufgrund der Optiken aus hochwertigem Glasfasermaterial mit geringer Eigenabsorption mehrere Hundert Meter betragen. Zusätzlich können bis zu zwei verschiedene Nassbankeinheiten mit einem einzigen Human Interface überwacht und gesteuert werden, sodass anstatt fünf sogar bis zu zehn Messstellen möglich sind. Jeweils zwei Messtellen können dann parallel laufen, wodurch die Analysenfrequenz erhöht und Analysekosten eingespart werden (Abbildung 3).

Verbesserte Produkt- und Prozesssicherheit durch kontinuierliche Prozessüberwachung und Echtzeit-Verfügbarkeit qualitätsrelevanter Daten

Vorausschauende Wartung und die Verfügbarkeit qualitätsrelevanter Daten sowie Prozesskenndaten sind häufig verwendete Schlagworte, wenn es um die Prozessanalysentechnik (PAT) geht. Neben der eigentlichen Konzentrationsmessung liefert der 2060 The NIR Analyzer zusätzliche Prozessinformationen, die als Grundlage bedingungsbasierter Maßnahmen dienen können. Abhängig von der gemessenen Prozesstemperatur könnte der Prozessanalysator beispielsweise automatisch ein bestimmtes NIR-Kalibrierungsmodell verwenden oder im Falle einer unerwünschten Temperaturänderung eine Warnung an Prozessleitsystem senden. Die Möglichkeiten smarter, bedingungsbasierter Programmierungen, sind sehr vielfältig. Darüber hinaus gibt es viele weitere besondere Merkmale des 2060 The NIR Analyzer, die zu einer verbesserten Produkt- und Prozesssicherheit und einem tieferen Prozessverständnis führen. Dazu gehören:

• Verwendung rückführbarer Standards für die automatisierte interne Instrumentenkalibrierung und Selbstdiagnose
• automatisierte Gerätekalibrierung und Hardware-Performance-Tests in definierten Intervallen oder zur Überprüfung der Gültigkeit einer Messung
• Status der Wartungsanforderungen
• zusätzliche chemometrische Parameter zur Überprüfung der Badqualität neben der eigentlichen Konzentrationsmessung (z. B. Ausreißererkennung)
• Einsatz eines temperaturstabilisierten Spektrometers für stabile Bedingungen und höchste Präzision
• Implementierung eines Strompuffers und einer kontrollierten Abschaltsequenz, um die Datenverfügbarkeit jederzeit aufrechtzuerhalten

Erfahren Sie mehr über die Vorteile der Prozessanalysentechnik (PAT) in unserer Blogserie.

Automatisieren oder nicht automatisieren? Vorteile von PAT – Teil 1

Typische Anwendungen für den 2060 The NIR Analyzer in der Halbleiterindustrie

Anlagenhersteller passen ihre Nassbänke an die Spezifikationen jedes Endkunden an. Genauso passen wir von Metrohm Process Analytics uns den Kundenanforderungen und damit unsere maßgeschneiderten Prozessanalysatoren an. Wir bieten Anwendungen für eine Vielzahl kritischer chemischer Parameter in allen Kombinationen, Konzentrationen und Temperaturbereichen – auch für solche, die noch entwickelt werden müssen. 

Erhöhte Prozesssicherheit und Badstandzeiten durch Echtzeitüberwachung

Wenn man nun weiß, welche Chemikalien im Allgemeinen in einer Front-End-Produktionslinie für die Waferverarbeitung verwendet werden, stellt sich die Frage: Warum ist es zwingend erforderlich, alle diese Parameter in Echtzeit zu überwachen?

Rückblickend auf Abbildung 1 werden Träger mit mehreren Wafern in verschiedene Ätz- und Reinigungsbäder getaucht. Dabei reagieren die Chemikalien mit der Waferoberfläche, was zu einer dauerhaften Veränderung der chemischen Zusammensetzung des Prozessbads führt (Konzentrationsveränderung der Parameter). Innerhalb kürzester Zeit würde die genau eingestellte Ätzrate (Abrieb der Waferoberfläche über die Zeit, direkt korreliert mit der HF-Konzentration) nicht mehr den strengen Vorgaben entsprechen und die gesamte Wafercharge würde aussortiert werden müssen. Um eine ständige Erneuerung der Bäder zu vermeiden und einen sehr reproduzierbaren Prozess unter strengen Vorgaben zu gewährleisten, muss die HF-Konzentration jederzeit bekannt sein, damit eine kontinuierlich Dosierung erfolgen kann und sich das Bad jederzeit innerhalb strenger Grenzen bewegt.

Abbildung 4 zeigt einen mit NIRS aufgenommenen Prozesstrendchart aus einem SC1-Bad, das aus Ammoniak (NH₃) und Wasserstoffperoxid (H₂O₂), besteht. Basierend auf bestimmten Konzentrationsgrenzen oder Zeitgrenzen werden Badwechsel eingeleitet. Alle Parameter müssen dabei unabhängig voneinander überwacht werden. 

Ein genauerer Blick auf das Trenddiagramm in Abbildung 4 zeigt, wie genau und präzise die NIRS-Messungen sind. In diesem Beispiel bestand das Ziel darin, die Ammoniakdosierung im SC1-Bad zu überwachen, um die Rezirkulation für eine schnelle und homogene Mischung zu optimieren. Jede NH₃-Dosierung wird als Peak erkannt, gefolgt von einer leichten Abnahme von < 0,10 Gew.-% innerhalb der nächsten fünf Minuten. Dies verdeutlicht, dass auch minimale Konzentrationsänderungen zeitlich aufgelöst werden können. Die Wiederholgenauigkeit des 2060 The NIR Analyzer ist hervorragend. Sie ist anwendungsspezifisch und ermöglicht die Überwachung von Konzentrationen bis zu <0,02 Gew.-% in diesen Bädern. Letztendlich kann eine sehr präzise Chemikaliendosierung durch die Echtzeit-Datenanalyse erreicht werden – eine echte Prozessoptimierung und -kontrolle. Ein 2060 The NIR Analyzer entfaltet sein volles Potenzial, indem er die Lebensdauer der Bäder verlängert, die Chemikalienabfälle reduziert und den kostspieligen Produktverlust minimiert (d. h. Ausschuss von Halbleiter-Wafer-Chargen). 

Fazit

Eines der Hauptziele in einer Halbleiterfertigungsanlage ist es, den höchstmöglichen Durchsatz von Wafer-Carriern in einer Nassbank zu erreichen, ohne Verzögerungen oder Produktverluste zu erleiden - andernfalls drohen erhebliche wirtschaftliche Auswirkungen. Gleichzeitig laufen diese Fertigungsanlagen bereits auf Hochtouren und jede Stunde Stillstand führt zu einem Verlust von Hunderttausenden von Euro.

Daher ist die Echtzeitüberwachung der chemischen Zusammensetzung zwingend erforderlich. Der 2060 The NIR Analyzer von Metrohm Process Analytics wurde genau für solche Situationen entwickelt und bietet Anwendern viel mehr als nur eine Konzentrationsmessung:

1. Echtzeit-Überwachung von bis zu zwei kompletten Nassbänken für das Wafer-Ätzen und -Reinigen
2. Flexible Software für eine unkomplizierte Steuerung: IMPACT – Intelligente Metrohm Process Analytics Control Technology – ermöglicht parallele Analysen mit einem einzigen Prozessanalysator
3. Plug-and-Play-Optionen für nahezu jede chemische Zusammensetzung und Anforderung

Ihr Wissen zum Mitnehmen

Prospekt: Geeignete Messtellen für NIRS Prozess-Spektrometer

Prospekt: Intelligent Metrohm Process Analytics Control Technology «IMPACT» Software