I semiconduttori sono i componenti fondamentali dei moderni prodotti elettronici. La pulizia è fondamentale all'interno di un impianto di fabbricazione di semiconduttori, considerando la scala delle superfici di lavoro (nanometri). I contaminanti di tutti i tipi possono causare difetti, portando i produttori ad implementare procedure di controllo della produzione estremamente rigorose e precise con elevata riproducibilità, in particolare durante una delle fasi di produzione più importanti: il trattamento superficiale del wafer con incisione e bagni di pulizia per la rimozione delle impurità e la testurizzazione superficiale. Questo articolo evidenzia i vantaggi per i produttori di semiconduttori nell'implementare la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) nei processi di pretrattamento dei wafer per l'analisi in tempo reale, la tracciabilità al 100%, la sicurezza ottimale del prodotto e la massima produttività del vettore di wafer.

Equipaggiamento di banchi bagnati semicon con 2060 The NIR Analyzer

In un impianto di fabbricazione di semiconduttori, una tipica unità a banco umido è costituita da diversi bagni individuali con scopi specifici (ad esempio, attacco chimico, pulizia e risciacquo). Per queste attività, ogni linea di processo richiede diverse miscele di acidi o basi o vari componenti organici. La Figura 1 illustra la configurazione tipica di un banco umido con una delle diverse configurazioni disponibili per il 2060 The NIR Analyzer di Metrohm Process Analytics.

Questo esempio include il bagno di mordenzatura HF Dip (acido fluoridrico con un certo livello di concentrazione basato su una velocità di mordenzatura specifica), SC1 (trattamento pulito standard costituito da idrossido di ammonio e perossido di idrogeno in acqua), SC2 (trattamento pulito standard costituito da acido cloridrico acido e perossido di idrogeno in acqua), HotPhos (acido fosforico in acqua) e altri (fasi di risciacquo non monitorate con NIRS).

I prodotti chimici vengono fatti circolare utilizzando pompe con alcuni filtri integrati che mirano a prevenire la contaminazione dei wafer semicon. Il porta wafer viene immerso in ciascun bagno per un certo periodo di tempo, a seconda della concentrazione di sostanze chimiche. Poiché il supporto contiene molti wafer di grande valore, la conoscenza esatta delle condizioni di processo in qualsiasi momento è fondamentale. Il monitoraggio del processo in tempo reale viene eseguito utilizzando sensori della cella a flusso clamp-on implementati nella linea di circolazione di ciascun bagno (Figura 1).

I risultati di questo monitoraggio in tempo reale sono disponibili all'interno di un sistema di controllo del processo (PCS) per un intervento rapido e il controllo se i parametri misurati non rientrano nelle specifiche.

I sensori sono collegati a 2060 The NIR Analyzer, il fulcro e l'unità di valutazione intelligente, che forniscono una tecnica di misurazione rapida e affidabile in grado di analizzare tutti i parametri di qualità rilevanti in pochi secondi. Questo analizzatore di processo ad alta tecnologia è ideale per monitorare la composizione del bagno su banco umido:

• il multiplexing consente agli utenti di misurare una varietà di parametri in un massimo di cinque flussi di processo con un singolo analizzatore
• capacità plug and play significa integrazione perfetta e avvio più rapido
• fibre ottiche di alta qualità collegate alle sonde e all'analizzatore trasmettono i dati in modo rapido e affidabile anche su lunghe distanze dal banco umido
• risultati di un'intera unità a banco umido in meno di cinque minuti, il che significa monitoraggio del processo in tempo reale
• controllo di processo intelligente, ad es. per dare priorità ai flussi di campioni da parte del PCS per frequenze di misurazione più elevate quando necessario

Se lo spazio è limitato, ad esempio nelle camere bianche di difficile accesso, il 2060 The NIR-R Analyzer può essere montato all'esterno dell'area della camera bianca. La distanza tra il cabinet NIR e il/i punto/i di campionamento può arrivare fino a centinaia di metri, ottenibile con l'uso di fibre ottiche a bassa dispersione. Inoltre, è possibile monitorare e controllare fino a due diverse unità wet bench con un'interfaccia umana. Ciò è estremamente vantaggioso quando lo spazio è prezioso e i costi di analisi devono essere risparmiati, poiché questa configurazione può monitorare fino a dieci punti di campionamento (Figura 3).

Maggiore sicurezza di prodotti e processi grazie alla disponibilità di dati critici e al monitoraggio delle condizioni di processo

La manutenzione predittiva e la disponibilità dei dati vitali sono frasi usate spesso quando si parla di Process Analytical Technology (PAT). Oltre alla misurazione della concentrazione effettiva, il 2060 The NIR Analyzer pfornisce informazioni di processo secondarie che possono essere utilizzate come condizioni per ulteriori azioni. Ad esempio, a seconda della temperatura di processo misurata, l'analizzatore di processo potrebbe utilizzare automaticamente uno specifico modello di calibrazione NIR o inviare un avviso a un DCS/PLC/Scada in caso di variazione di temperatura indesiderata. Tuttavia, ci sono molti altri punti da considerare che possono portare insieme a una maggiore sicurezza del prodotto e del processo, nonché a una migliore comprensione del processo. Questi includono:

• utilizzo di standard tracciabili per la calibrazione interna automatizzata degli strumenti e l'autodiagnosi
• calibrazione automatizzata dello strumento e test delle prestazioni dell'hardware (controlli sanitari) entro intervalli definiti o per verificare la validità delle misurazioni
• stato delle esigenze di manutenzione
• parametri chemiometrici aggiuntivi per controllare la qualità del bagno oltre alle misurazioni della concentrazione (ad es. rilevamento dei valori anomali)
• utilizzo di uno spettrometro a temperatura stabilizzata per condizioni stabili e la massima precisione
• implementazione di un power buffer e di una sequenza di spegnimento controllata per mantenere la disponibilità dei dati

Scopri di più sui vantaggi della Process Analytical Technology (PAT) nella nostra serie di blog.

Automatizzare o non automatizzare? Vantaggi di PAT – Parte 1

Applicazioni tipiche per 2060 The NIR Analyzer nell'industria dei semiconduttori

I produttori di impianti personalizzano i loro banchi umidi per le specifiche di ciascun cliente finale, e così fa Metrohm Process Analytics. Offriamo applicazioni per un'ampia gamma di parametri chimici critici in ogni combinazione, concentrazione e intervallo di temperatura, compresi quelli che non sono ancora stati sviluppati.

Maggiore affidabilità del processo e durata del bagno con monitoraggio in tempo reale

Ora, sapere quali sostanze chimiche sono generalmente utilizzate in una linea di produzione front-end per la lavorazione dei wafer porta alla domanda: Perché è obbligatorio monitorare tutti questi parametri in tempo reale?

Guardando indietro alla Figura 1, i supporti contenenti più wafer vengono immersi in vari bagni di incisione e pulizia. In tal modo, le sostanze chimiche reagiscono con la superficie del wafer, determinando un cambiamento permanente della composizione chimica, principalmente una diminuzione della concentrazione dell'agente di incisione/pulizia. Entro un tempo molto breve, il tasso di incisione regolato con precisione (abrasione della superficie del wafer nel tempo, direttamente correlata alla concentrazione di HF) non corrisponderebbe più alle rigide specifiche e l'intero lotto di wafer verrebbe scartato. Per evitare il rinnovo permanente dei bagni e per garantire un processo molto riproducibile sotto specifiche rigorose, la concentrazione di HF deve essere nota in qualsiasi momento per poter essere adeguatamente regolata.

La Figura 4 mostra un grafico dell'andamento della concentrazione misurato mediante NIRS da un bagno standard pulito 1 (SC1) costituito da ammoniaca (NH₃) e perossido di idrogeno (H₂O₂). Sulla base di determinati limiti di concentrazione o limiti di tempo, vengono indotti gli scambi di bagni. È molto importante che entrambi questi parametri siano monitorati indipendentemente l'uno dall'altro.

Uno sguardo più attento al grafico di tendenza nella Figura 4 mostra quanto siano accurate e precise le misurazioni NIRS. In questo esempio, l'obiettivo era monitorare il dosaggio di ammoniaca all'interno del bagno SC1 al fine di ottimizzare il ricircolo per una miscelazione rapida e omogenea. Ciascuna dose di NH3 viene rilevata come un picco seguito da una leggera diminuzione di <0,10% in peso entro i successivi cinque minuti. Anche piccoli cambiamenti di concentrazione possono essere risolti. La ripetibilità delle misurazioni  del 2060 The NIR Analyzer è eccezionale. Dipende dall'applicazione ed è in grado di monitorare le concentrazioni chimiche fino a <0,02% in peso. In definitiva, è possibile ottenere un dosaggio chimico molto preciso nei bagni di wafer con analisi dei dati in tempo reale: vera ottimizzazione e controllo del processo. Il 2060 The NIR Analyzermostra tutto il suo potenziale aumentando la durata del bagno, riducendo i rifiuti chimici e riducendo al minimo la costosa perdita di prodotto (ad esempio, lotti di wafer semiconduttori scartati).

Conclusione

Uno degli obiettivi primari in un impianto di fabbricazione di semiconduttori è quello di ottenere la massima produttività di porta wafer in un banco umido senza ritardi o perdite di prodotto, altrimenti ci sarebbero significative ripercussioni economiche. Tuttavia, questi impianti di produzione funzionano già alla massima capacità e ogni ora di inattività comporta una perdita di centinaia di migliaia di euro.

Il monitoraggio in tempo reale della composizione chimica è obbligatorio per i bagni su banco umido. Il 2060 The NIR Analyzer di Metrohm Process Analytics è stato sviluppato proprio per situazioni come questa e offre agli utenti molto più di una semplice misurazione della concentrazione:

1. Monitoraggio in tempo reale di un massimo di due interi banchi umidi per bagni di pulizia e incisione di wafer semiconduttori
2. Software flessibile per un controllo diretto – Intelligent Metrohm Process Analytics Control Technology (IMPACT) – con analisi parallela possibile con un singolo analizzatore di processo
3. Opzioni plug and play per quasi tutte le composizioni chimiche e le esigenze dell'utente finale

La tua conoscenza "take-aways"

Monitoraggio dei parametri di qualità nei bagni di pulizia standard: misurazione simultanea di idrossido di ammonio, perossido di idrogeno e acido cloridrico con analisi in linea

Brochure: 2060 The NIR Analyzer

Brochure: Soluzioni di campionamento per analizzatori di processo NIRS

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