Los semiconductores son los componentes fundamentales de los productos electrónicos modernos. La limpieza es crucial dentro de una instalación de fabricación de semiconductores, considerando la escala de las superficies de trabajo (nanómetros). Los contaminantes de todo tipo pueden provocar defectos, lo que lleva a los fabricantes a implementar procedimientos de control de producción extremadamente estrictos y precisos con alta reproducibilidad, especialmente durante uno de los pasos de producción más importantes: el tratamiento de la superficie de la oblea con baños de grabado y limpieza para eliminar las impurezas y texturizar la superficie. Este artículo destaca los beneficios para los fabricantes de semiconductores al implementar la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) en los procesos de pretratamiento de obleas para el análisis en tiempo real, el 100 % de trazabilidad, la seguridad óptima del producto y el máximo rendimiento del portador de obleas.

Equipar bancos húmedos semiconductores con un 2060 The NIR Analyzer

En una instalación de fabricación de semiconductores, una unidad típica de banco húmedo consta de varios baños individuales con fines específicos (es decir, grabado químico, limpieza y enjuague). Para estas tareas, cada línea de proceso requiere diferentes mezclas de ácidos o bases o varios componentes orgánicos. Figura 1 ilustra la configuración típica de un banco húmedo con una de varias configuraciones disponibles para el 2060 The NIR Analyzer de Metrohm Process Analytics.

Este ejemplo incluye el baño de grabado HF Dip (ácido fluorhídrico con un cierto nivel de concentración que se basa en una tasa de grabado específica), SC1 (tratamiento estándar de limpieza consistente en hidróxido de amonio y peróxido de hidrógeno en agua), SC2 (tratamiento estándar de limpieza consistente en ácido clorhídrico y peróxido de hidrógeno en agua), HotPhos (ácido fosfórico en agua), y otros (pasos de enjuague que no son monitoreados con NIRS). 

Los productos químicos circulan mediante bombas con algunos filtros integrados que tienen como objetivo evitar que las obleas de semiconductores se contaminen. El portador de la oblea se sumerge en cada baño durante un cierto período de tiempo, dependiendo de la  concentración de productos químicos. Dado que el soporte contiene muchas obleas muy valiosas, es fundamental tener un conocimiento exacto de las condiciones del proceso en todo momento.. El monitoreo del proceso en tiempo real se realiza mediante el uso de sensores de celda de flujo con abrazadera que se implementan en la línea de circulación de cada baño (Figura 1).

Los resultados de este monitoreo en tiempo real están disponibles dentro de un Sistema de control de procesos (PCS) para una intervención rápida y controlar si algún parámetro medido no cumple con las especificaciones.

Los sensores están conectados al 2060 The NIR Analyzer – la pieza central y la unidad de evaluación inteligente – que proporciona una técnica de medición rápida y confiable que puede analizar todos los parámetros de calidad relevantes en segundos. Este analizador de procesos de alta tecnología es ideal para monitorear la composición del baño de banco húmedo:

• la multiplexación permite a los usuarios medir una variedad de parámetros en hasta cinco flujos de proceso con un solo analizador
• la capacidad plug and play significa una integración perfecta y una puesta en marcha más rápida
• las fibras ópticas de alta calidad conectadas a las sondas y al analizador transmiten datos de manera rápida y confiable incluso a largas distancias desde el banco húmedo.
• monitoreo de resultados de una unidad de banco húmedo completa en menos de cinco minutos, lo que significa monitoreo de procesos en tiempo real
• control de procesos inteligente, p. ej., para priorizar flujos de muestra por parte del PCS para frecuencias de medición más altas cuando sea necesario

Si el espacio es limitado, como en áreas de sala blanca de difícil acceso, el 2060 The NIR-R Analyzer se puede montar fuera del área de la sala limpia. La distancia entre el gabinete NIR y los puntos de muestreo puede ser de hasta cientos de metros, lo que se puede lograr con el uso de fibras ópticas de baja dispersión. Además, hasta dos unidades de banco húmedo diferentes se puede monitorear y controlar con una interfaz humana. Esto es extremadamente beneficioso cuando el espacio es escaso y los costos de análisis deben ahorrarse, ya que esta configuración puede monitorear hasta diez puntos de muestreo (figura 3).

Mayor seguridad de productos y procesos mediante la disponibilidad de datos críticos y el monitoreo de la condición del proceso

El mantenimiento predictivo y la disponibilidad de datos vitales son frases que se usan a menudo cuando se habla de tecnología analítica de procesos (PAT). Además de la medición de la concentración real, el 2060 The NIR Analyzer proporciona información secundaria del proceso que se puede utilizar como condición para otras acciones. Por ejemplo, según la temperatura del proceso medida, el analizador de procesos podría utilizar automáticamente un modelo de calibración NIR específico o enviar una advertencia a un DCS/PLC/Scada en caso de un cambio de temperatura no deseado. Sin embargo, hay muchos más puntos a considerar que pueden conducir a una mejor seguridad del producto y del proceso, así como a una mejor comprensión del proceso. Éstos incluyen:

• uso de estándares rastreables para la calibración automática de instrumentos internos y el autodiagnóstico
• calibración automática de instrumentos y pruebas de rendimiento del hardware (comprobaciones de estado) dentro de intervalos definidos o para comprobar la validez de las mediciones
• estado de los requisitos de mantenimiento
• parámetros quimiométricos adicionales para verificar la calidad del baño además de las mediciones de concentración (p. ej., detección de valores atípicos)
• usando un espectrómetro de temperatura estabilizada para condiciones estables y la más alta precisión
• implementación de un búfer de energía y una secuencia de apagado controlado para mantener la disponibilidad de los datos

Obtenga más información sobre las ventajas de la tecnología analítica de procesos (PAT) en nuestra serie de blogs.

¿Automatizar o no automatizar? Ventajas de PAT – Parte 1

Aplicaciones típicas para el 2060 The NIR Analyzer dentro de la industria de semiconductores

Los fabricantes de plantas personalizan sus bancos húmedos según las especificaciones de cada cliente final, al igual que Metrohm Process Analytics. Ofrecemos aplicaciones para una amplia gama de parámetros químicos críticos en cada combinación, concentración y rango de temperatura, incluso aquellos que aún no se han desarrollado. 

Mayor confiabilidad del proceso y vida útil del baño con monitoreo en tiempo real

Ahora, saber qué productos químicos se usan generalmente en una línea de producción inicial para el procesamiento de obleas lleva a la pregunta: ¿Por qué es obligatorio monitorear todos estos parámetros en tiempo real?

mirando hacia atrás Figura 1, los portadores que contienen múltiples obleas se sumergen en varios baños de grabado y limpieza. Al hacerlo, los productos químicos reaccionan con la superficie de la oblea, lo que da como resultado un cambio permanente de la composición química, principalmente una disminución de la concentración del agente de limpieza/grabado. En muy poco tiempo, la tasa de grabado ajustada con precisión (abrasión de la superficie de la oblea con el tiempo, directamente relacionada con la concentración de HF) ya no coincidiría con las especificaciones estrictas y se rechazaría todo el lote de obleas. Para evitar la renovación permanente de los baños y garantizar un proceso muy reproducible bajo especificaciones estrictas, la concentración de HF debe conocerse en todo momento para poder ajustarla correctamente. 

Figura 4 muestra un gráfico de tendencias de concentración medido por NIRS de un baño estándar limpio 1 (SC1) que consta de amoníaco (NH₃) y peróxido de hidrógeno (H₂O₂). Sobre la base de ciertos límites de concentración o límites de tiempo, se inducen los intercambios de baño. Es muy importante que estos dos parámetros sean monitoreados independientemente el uno del otro.

Una mirada más cercana al gráfico de tendencia en Figura 4 muestra cuán exactas y precisas son las mediciones NIRS. En este ejemplo, el objetivo era monitorear la dosificación de amoníaco dentro del baño SC1 para optimizar la recirculación para una mezcla rápida y homogénea. Cada NH₃ la dosis se detecta como un pico seguido de una ligera disminución de <0,10 % en peso en los cinco minutos siguientes. Incluso los pequeños cambios de concentración se pueden resolver. el 2060 los La repetibilidad de las mediciones del analizador NIR es excepcional. Depende de la aplicación y puede monitorear concentraciones químicas hasta <0.02% en peso. En última instancia, se puede lograr una dosificación química muy precisa en baños de obleas con análisis de datos en tiempo real: verdadera optimización y control del proceso. Un 2060 los El analizador NIR muestra todo su potencial al aumentar la vida útil de los baños, reducir los desechos químicos y minimizar la costosa pérdida de productos (es decir, lotes de obleas de semiconductores desechados).

Conclusión

Uno de los objetivos principales en una instalación de fabricación de semiconductores es lograr el mayor rendimiento de portadores de obleas en un banco húmedo sin demoras ni pérdida de producto; de lo contrario, hay repercusiones económicas significativas. Sin embargo, estas plantas de fabricación ya funcionan a su máxima capacidad y cada hora de inactividad genera una pérdida de cientos de miles de euros.

El monitoreo en tiempo real de la composición química es obligatorio para los baños de banco húmedo. el 2060 The NIR Analyzer de Metrohm Process Analytics fue desarrollado para situaciones como esta y ofrece a los usuarios mucho más que una simple medida de concentración:

1. Supervisión en tiempo real de hasta dos bancos húmedos completos para baños de grabado y limpieza de obleas de semiconductores
2. Software flexible para un control sencillo: tecnología inteligente de control de análisis de procesos de Metrohm (IMPACT), con análisis paralelo posible con un solo analizador de procesos
3. Opciones plug and play para casi cualquier composición química y requisito del usuario final

Tus conocimientos para llevar

Monitorización de los parámetros de calidad en los baños de limpieza normalizados: medir el hidróxido de amonio, el peróxido de hidrógeno y el ácido clorhídrico simultáneamente con el análisis inline

Folleto: 2060 The NIR Analyzer

Folleto: Soluciones de muestreo para analizadores de procesos NIRS

Folleto: Tecnología inteligente de control de análisis de procesos de Metrohm Software «IMPACT»