Siliziumbasierte Halbleiterkomponenten werden auf hochglanzpolierten Wafern hergestellt. Kratzer und andere Fehler auf atomarer Ebene auf dem Wafer können die Qualität und Funktionalität des Endprodukts beeinträchtigen. Daher ist die Oberflächenvorbereitung ein wichtiger Schritt, um saubere, polierte und unbeschädigte Siliziumoberflächen zu erhalten.
Die chemische Reinigung ist eine bewährte Methode, um Verunreinigungen von der Waferoberfläche zu entfernen. Ein gebräuchliches Verfahren, die "RCA clean"-Reinigung, reinigt Wafer mit zwei aufeinanderfolgenden Standardlösungen. Das „Standard Clean 1“, oder auch SC1 bzw. „APM“ – Bad (Ammoniak-Peroxid-Gemisch) genannte Standardreinigungsbad besteht aus NH4OH (NH3, welches in Wasser NH4OH bildet) und H2O2. Das Standardreinigungsbad 2 "SC2" wird aus Salzsäure (HCl) und Wasserstoffperoxid (H2O2) hergestellt. Die Schlüsselfaktoren für eine effiziente Waferreinigung sind die Badverweilzeit der Wafer und die optimale chemische Konzentration in den Reinigungsbädern. Der Einsatz der Nahinfrarotspektroskopie zur Inline-Überwachung der SC1/SC2-Badbestandteile gewährleistet einen höheren Waferdurchsatz durch weniger Stillstandzeiten und eine höhere Prozesssicherheit durch kontinuierliche und genaue Kenntnisse über die Badzusammensetzung.
Eine effiziente Reinigung von Siliziumwafern erfordert eine optimale und Prozesssteuerung und Echtzeitmessung, um die Produktsicherheit (optimale Verweilzeit und Reinigungsleistung) zu erhöhen und den Produktdurchsatz zu maximieren mit der Sicherstellung, dass keine Defekte oder Rückstände auf der Waferoberfläche verbleiben.
Das SC1-Bad entfernt Partikel, Filme und organische Rückstände vom Wafer und bildet eine dünne Oxidschicht auf der Oberfläche. Es können jedoch auch Hydroxide mancher Übergangsmetallen auf der Waferoberfläche zurückbleiben. In diesem Fall ist das SC2-Bad als weitere Reinigungssequenz (z. B. auch nach der chemischen mechanischen Planarisierung, „CMP“) unerlässlich.
SC2-Bäder sind säurehaltig und tragen dazu bei, Alkali- und Übergangsmetalle von der Oberfläche zu entfernen. Dieser Reinigungsprozess hinterlässt eine dünne Passivierungsschicht auf der Oberfläche des Wafers, um zukünftige Verunreinigungen zu vermeiden.
Je kleiner das Halbleiterbauelement ist, desto schwieriger ist es, Partikel von der Oberfläche des Siliziumwafers zu entfernen. Daher führen Halbleiterhersteller alle Ätz- und Reinigungsschritte, sowie die komplette Fertigung der Wafer in einer Nassbank in einem Reinraum durch. Meistens herrscht in diesen Umgebungen ein Platzmangel und bildet eine Herausforderung für die Installation eines Analysensystems. Darüber hinaus sollte jegliche Handhabung von Chemikalien innerhalb des Reinraums vermieden werden, um die Sicherheit des Personals und der Produktion zu gewährleisten.
Eine sicherere, effizientere und schnellere Methode zur gleichzeitigen Überwachung mehrerer Parameter in Standardreinigungsbädern ist die Inline-Analyse mit reagenzienfreier Nahinfrarotspektroskopie (NIRS), wie in Abbildung 1 dargestellt.
Der 2060 The NIR-R Analyzer von Metrohm Process Analytics (Abbildung 2) ermöglicht die „Echtzeit“-Bestimmung der qualitätsrelevanten Parameter entlang der gesamten Nassbank. Die Remote-Version des Analyzer ermöglicht die platzsparende Aufstellung des Systems, optimal für die Reinraumbedingungen.
Verwendeter Wellenlängenbereich: 800-1300 nm. Referenzmethode: Ionenchromatographie bzw. Titration.
Wenn der Platz im Reinraum begrenzt ist, kann das Spektrometer-Kabinett des 2060 The NIR-R Analyzer außerhalb des Reinraums in einer passenden Umgebung montiert werden. Bis zu fünf Messstellen sind mit einem NIR-Kabinett möglich mit der Erweiterungsmöglichkeit um ein weiteres Spektrometer-Kabinett, welches parallele Analysen zulässt. Der Abstand zwischen dem Prozessanalysator und den Messpunkten kann Hunderte von Metern betragen und erfolgt durch Verwendung von glasfaserbasierten Lichtleitern.
Alle Prozessbäder verfügen über einen Zirkulationskreislauf, in dem die Medien in PFA-Schläuchen geführt werden. Die Durchflusszelle, die von Metrohm Process Analytics speziell für die Halbleiterindustrie und deren Anforderungen entwickelt wurde, kann zur einfachen Installation auf diese Rohre geklemmt werden, so dass keine Änderungen an der bestehenden Einrichtung erforderlich sind (Abbildung 1). Die Messung erfolgt komplett berührungslos, sodass keinerlei Kontaminationsrisiko des Prozessbads besteht.
Abbildung 3 zeigt ein Trenddiagramm, das mittels NIRS für ein Standard Clean 1 (SC1) Bad mit Ammoniak (NH3) und Wasserstoffperoxid (H2O2) erstellt wurde. Badwechsel werden auf der Grundlage vordefinierter Konzentrations- oder Zeitgrenzen ausgelöst, was die Bedeutung der Überwachung beider Parameter verdeutlicht. Die kontinuierliche Überwachung der NH3- und H2O2- Konzentrationen ist entscheidend für die Aufrechterhaltung Spezifikationen des Reinigungsprozesses innerhalb der vorgegebenen Grenzen.
Bei dieser Anwendung bestand das Ziel darin, die NH3-Dosierung im SC1-Bad zu überwachen, um die Rezirkulation zu verbessern und eine schnellere und gleichmäßigere Durchmischung zu gewährleisten. Jede NH3-Injektion zeigt einen eindeutigen Peak, gefolgt von einer geringen Konzentrationsabnahme in Höhe von < 0,10 Gew.-% (Abbildung 3). Dies zeigt, wie präzise der 2060 The NIR Analyzer selbst kleinste Konzentrationsunterschiede in kurzer Zeit detektieren kann.
Im Vergleich zu herkömmlichen Analysemethoden bietet der 2060 The NIR-R Analyzer erhebliche Vorteile in Bezug auf Präzision der Messungen und Analysenfrequenzen, die eine kontinuierliche Überwachung und präzise Überwachung und Steuerung bzw. Nachdosierung der Reinigungsbäder ermöglichen.
Tabelle 1. Parameter zur Messung der Reinigungsbäder.
| Parameter | Temperatur [°C] | Messbereich [Gew. %] | |
|---|---|---|---|
| SC1 | NH4OH | 65 ± 3°C | 0–1 |
| H2O2 | 65 ± 3°C | 0–2 | |
| SC2 | HCl | 35 ± 3°C | 0–1.5 |
| H2O2 | 35 ± 3°C | 0–5 | |
| SC2 | HCl | RT–70°C | 1–5 |
| H2O2 | RT–70°C | 1–10 | |
Für die Erstellung der Kalibriermodelle werden Proben benötigt, die die Prozessvariationen und Messbereiche abdecken. Diese Proben werden mit NIRS und mit einer Referenzmethode analysiert. Für die Anwendung im Halbleiterbereich verfügt Metrohm Process Analytics über eine Reihe Startmodelle, die im Prozess angepasst werden. Metrohm Process Analytics bietet die komplette chemometrische Methodenentwicklung an, unterstützt durch die kundenseitige Bereitstellung der Referenzanalysenergebnisse.
Weitere Prozessanwendungen sind für die Halbleiterindustrie verfügbar, sodass die komplette Nassbank mit einem 2060 The NIR Analyzer überwacht werden können, z. B.: Flusssäure-Ätzmischungen (HF, HF / NH4F oder auch HNO3 / HF / Si), Phosphorsäure (HotPhos), H2SO4 / H2O2 (Piranha bzw. SPM), TMAH, und viele weitere.
Die NIRS-Analyse ermöglicht die simultane Analyse mehrerer Parameter innerhalb einer Nassbank durch Aufnahme von "Echtzeit"-Spektraldaten aus dem Prozess üner ein einfaches und robustes Kalibriermodell. Die Kalibriermodelle werden über den Vergleich mit einer Primärmethode (z. B. Titration oder IC) erstellt und decken Messbereiche und Prozessvariationen ab. Mit dem 2060 The NIR Analyzer von Metrohm Process Analytics lassen sich so die Prozesssicherheit erhöhen und kontinuierliche qualitätsrelevante Parameter im Prozess entlang der gesamten Nassbank überwachen. Dies reduziert Fehldosierungen und erhöht den Produktdurchsatz sowie die Anlagenverfügbarkeit.
- Erhöhter Produktdurchsatz, Reproduzierbarkeit, Produktionsraten und Rentabilität (weniger Wafer-Verwurf).
- Effizienter Wafer-Reinigung durch kontinuierliche Überwachung der Reinigungsbäder.
- Mehr Einsparungen pro Messpunkt, wodurch die Messung kosteneffizienter wird und eine gesamte Anlage mit einem einzigen Prozessanalysator überwacht werden kann.
- Sicherere Produktion durch "Echtzeit"-Überwachung und Vermeidung der Exposition des Bedienpersonals gegenüber chemischen Stoffen.
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