在线近红外光谱用于半导体晶片预处理中的质量控制

2022年12月12日

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Cleanliness is crucial inside of semiconductor fabrication facilities. Manufacturers implement extremely strict production control procedures, especially during wafer surface treatment with etching and cleaning baths. This article highlights the benefits for semicon manufacturers to implement near-infrared spectroscopy (NIRS) in wafer pretreatment processes for real-time analysis.

半导体是现代电子产品的基本部件。考虑到纳米级尺寸的工作表面，半导体制造设施内部的清洁度至关重要。所有类型的污染物都可能导致缺陷，这使得制造商实施极其严格和精确的生产控制流程，具有高重现性，尤其是在使用蚀刻和清洗液进行晶片表面处理，以去除杂质和表面纹理这一非常重要的生产步骤。这篇文章强调了半导体制造商在晶片预处理过程中利用近红外光谱仪（NIRS）实现实时分析、100%可追溯性、非常合适的产品安全性和非常大的晶片样品吞吐量的优势。

硅晶片的特写，每个微型正方形都是一个带有微型晶体管和电路的芯片

想了解更多关于近红外光谱的工作原理吗？请查看我们的其他博客文章：

第1部分：近红外光谱分析中的常见问题

第2部分：近红外光谱仪的优势

专为湿法工作台配备的2060近红外分析仪

在半导体生产设施中，典型的湿法工作台由几个具有特定用途（即化学蚀刻、清洗和冲洗）的独立槽组成。对于这些任务，每条生产线需要不同的酸或碱混合物或各种有机组分。图1是瑞士万通2060近红外分析仪用于湿法工作台浴槽的典型配置。

该实施案例可以解决包括HF-Dip蚀刻槽（具有特定蚀刻速率和特定浓度水平的氢氟酸）、SC1标准清洗液（由NH4OH和H2O2组成的水溶液）、SC2标准清洗液（由HCI和H2O2组成的水溶液）、HotPhos（磷酸水溶液），以及其他（例如未使用NIRS监测的冲洗步骤）。

图 1. 典型的湿法工作台设备，安装近红外流通池装置（橙色），用于连续监测浴槽的成分。

浴槽中的化学品是通过带有集成过滤器的泵进行循环使用，以防止半导体晶片受到污染。根据化学品的浓度，将晶片载体浸入每个浴槽中一定时间。由于载体上有许多价值非常高的晶片，因此在任何时候准确了解工艺条件都至关重要。通过使用安装在每个浴槽循环管路中的夹持式流通池传感器进行实时过程监控（图1）。

该实时监控的结果可在过程控制系统（PCS）中获得，用于快速干预和控制任何测量参数是否超出规范。

图 2. 非侵入式夹持式流通池，光纤（蓝色）连接至湿法工作台循环流。注意光纤周围的保护和清洗管，防止腐蚀。

在湿法工作台内部，每个工艺管线上都连接了一个传感器（图2）。这种夹持式流通池是与我们的半导体行业合作伙伴一起设计和定制的。给用户带来的主要好处如下：

全都无接触、无损，防止污染和停机
即插即用：易于实施，无需改造现有装置
适用于主工艺线，便于测量
聚四氟乙烯材料和光纤保护措施，防止腐蚀

传感器连接到2060近红外分析仪（核心和智能评估单元），分析仪提供快速、可靠的测量技术，可在10秒内分析所有相关质量参数。该先进的过程分析仪是监测湿法工作台浴槽成分的理想选择：

多路复用器，允许用户使用单个分析仪测量多达五个通道中的各种参数
•即插即用，意味着无缝衔接和更快的启动
•连接探头和分析仪的高质量光纤，即使在距离湿法工作台很长的距离内也能快速可靠地传输数据
•在不到五分钟的时间内对整个湿法工作台装置进行结果监控——即实时过程监控
•智能过程控制，例如，在需要时，通过PCS对样本流进行优先级排序，以获得更高的测量频率

如您空间有限，例如难以进入洁净室区域，2060-R近红外分析仪可安装在洁净室区域外。使用微光纤束光纤，近红外箱体和采样点之间的距离可达数百米。该机型分析仪允许连接两个近红外分析箱体到一个2060 HI人机界面，这样可扩展测量点到10个通道(每个箱体5个)。

图 3. （左图）使用远程控制的2060近红外分析仪（有两个并行工作的光谱仪箱体），易于实施和访问。（右图） 2060近红外分析仪和2060-R近红外分析仪。

通过关键数据采集和过程条件监控增强产品和工艺安全

预防性维护和重要数据监控是讨论过程分析技术（PAT）时经常使用的短语。除了实际浓度测量之外，2060近红外分析仪还提供了二级过程信息，可作为进一步行动的条件。例如，根据测量的过程温度，过程分析仪可以自动使用特定的近红外校准模型，或者在不希望的温度变化情况下向DCS/PLC/Scada发送警告。然而，还有许多问题需要考虑，这些问题可以提高产品和过程的安全性，并提高对工艺的理解。其中包括：

使用可追溯标准品进行自动仪器内部校准和自我诊断
在规定的时间间隔内进行自动仪器校准和硬件性能测试（健康检查），或检查测量的有效性
维护要求状态
除浓度测量（例如异常值检测）外，用于检查槽浴质量的其他参数
使用温度稳定的光谱仪以确保稳定的条件和非常适合的精度
内置缓冲电源和自动受控关机，确保数据受到保护

在我们的博客系列中了解更多有关过程分析技术（PAT）优势的信息。

第1部分–自动化还是非自动化？PAT的优势

2060近红外光谱分析仪在半导体行业的典型应用

半导体制造商根据每个终端客户的要求定制他们的湿法工作台，瑞士万通也是如此。我们为各种组合、浓度和温度范围内的各项关键苛刻的化学参数提供应用，甚至包括尚未开发的参数。

表1. 湿法工作台的典型蚀刻液和清洗液组成。

Bath name	Composition
HotPhos	H₃PO₄ / H₂O
HF Dip/DHF	HF / H₂O
BOE	NH₄F / HF / H₂O
PETCH	HF / HNO₃ / H₂O
SC1/APM	NH₄OH / H₂O₂
SC2	HCl / H₂O₂ / H₂O
SPM	H₂O₂ / H₂SO₄
TMAH	TMAH / H₂O
HCl	HCl / H₂O
HF / HNO₃ / CH₃COOH	HF / HNO₃ / CH₃COOH
IPA	C₃H₈O / H₂O
NaOH	NaOH (In addition to semiconductor applications, NaOH is mainly used for glass etching processes.)
KOH	KOH

通过实时监控提高工艺可靠性和浴槽寿命

现在知道了晶圆加工的前端生产线通常使用哪些化学品，这就引出了一个问题：为什么必须实时监控所有这些参数？

回顾图1，将含有多个晶片的载体浸入各种蚀刻和清洗槽中。通过这样做，化学物质与晶片表面发生反应，导致化学成分的长久性变化——主要是蚀刻/清洗液浓度的降低。在很短的时间内，微调变化的蚀刻液（晶片表面随时间的磨损，与氢氟酸浓度直接相关）将不再符合严格的规范，整个批次的晶片将被拒收。为了避免浴槽因失效造成的浪费，并确保在严格规范下进行可重复的工艺，须随时了解氢氟酸的浓度，以便进行适当调整。

图4显示了由NH3和H2O2组成的标准清洗液1（SC1）通过NIRS测量的浓度趋势图。在特定的浓度限制或时间限制内，减少浴槽的变化。所以对这两个参数独立地进行监控是非常重要的。

Figure 4. Real-time monitoring of ammonia and hydrogen peroxide in SC1 (L), with a closer look at the ammonia concentration trend (R).

仔细看图4中的趋势图，可以看出NIRS测量是多么准确和精确。在本案例中，目标是监测SC1槽内的氨浓度，以优化再循环，实现快速均匀混合。每当氨浓度被检测为峰值，五分钟内必然会下降＜0.10 wt%。即使是很小的浓度变化也可以解决。2060 近红外光谱分析仪的测量重复性很出色。它依赖于应用，能够监测低至0.02wt%的化学浓度。末了，通过实时数据分析，可以实现晶圆浴中非常精确的浓度监测，从而实现真正的过程优化和控制。通过增加浴槽寿命、减少化学废物和非常大限度地减少昂贵的产品损失（即废弃的半导体晶片批次），2060在线近红外光谱分析仪充分展示了其潜力。