Chất bán dẫn là thành phần cơ bản của các sản phẩm điện tử hiện đại. Mức độ sạch sẽ là yêu cầu quan trọng bên trong nhà máy sản xuất bán dẫn, đặc biệt là xem xét phạm vi của các bề mặt làm việc (nanomet). Tạp chất bẩn sẽ dẫn đến lỗi thành phẩm. Vì vậy, các nhà sản xuất phải thực hiện các quy trình kiểm soát sản xuất cực kỳ nghiêm ngặt và chính xác với độ tái lặp cao, đặc biệt là trong giai đoạn sản xuất quan trọng nhất: xử lý bề mặt tấm bán dẫn bằng dung dịch khắc và làm sạch để loại bỏ tạp chất và tạo kết cấu bề mặt.

Bài viết này trình bày cách triển khai giải pháp quang phổ cận hồng ngoại (NIRS) trong các quá trình tiền xử lý tấm bán dẫn, lợi ích áp dụng công nghệ trong sản xuất chất bán dẫn để phân tích theo thời gian thực, truy xuất dữ liệu 100%, an toàn sản phẩm tối ưu, tăng năng suất sản xuất và ứng dụng 2060 The NIR trong công nghiệp bán dẫn.

1. Tích hợp thiết bị quang phổ 2060 The NIR vào chuyền dung dịch xử lý
2. Tăng cường độ an toàn cho sản phẩm và quá trình bằng bảo mật nghiêm ngặt dữ liệu quan trọng và giám sát trạng thái của quá trình
3. Tăng độ tin cậy của quy trình và tuổi thọ bể với giám sát thời gian thực
4. Các ứng dụng tiêu biểu trên thiết bị phân tích 2060 The NIR trong công nghiệp bán dẫn
5. Kết luận

1. Tích hợp thiết bị quang phổ 2060 The NIR vào chuyền dung dịch xử lý

Trong nhà máy chất bán dẫn, một chuyền dung dịch xử lý  (wet bench) điển hình sẽ bao gồm các bể riêng lẻ có nhiệm vụ khác nhau (ví dụ: khắc hóa học, làm sạch và tráng rửa). Đối với những nhiệm vụ này, mỗi dây chuyền quy trình yêu cầu các hỗn hợp acid hoặc baz khác nhau hoặc các thành phần phụ gia khác nhau. Hình 1 minh họa cách thiết lập điển hình của một chuyền dung dịch xử lý tích hợp với thiết bị phân tích quang phổ 2060 The NIR từ Metrohm Process Analytics.

Ví dụ này bao gồm bể ăn mòn HF Dip (fluorhydric acid)  có nồng độ nhất định dựa trên tốc độ ăn mòn cụ thể), SC1 (xử lý sạch tiêu chuẩn bao gồm ammonium hydroxide và hydrogen peroxide trong nước), SC2 (xử lý sạch tiêu chuẩn bao gồm acid chlorhydric acid  và hydro peroxide trong nước), HotPhos (Phosphoric acid trong nước) và các loại khác (các bước rửa không được giám sát bằng NIRS).

Hóa chất được tuần hoàn trong bể nhờ một số bơm tích hợp với bộ lọc nhằm ngăn chặn các tấm bán dẫn bị nhiễm bẩn. Tấm mang chất bán dẫn được nhúng vào mỗi bể trong một khoảng thời gian nhất định, phụ thuộc vào nồng độ thuốc thử. Vì tấm mang chất bán dẫn chứa nhiều tấm bán dẫn có giá trị cao nên sự am hiểu về thông số của quá trình trong bất cứ thời điểm có ý nghĩa quan trọng. Giám sát quá trình theo thời gian thực được thực hiện bằng cách sử dụng các đầu dò cắm trong các ngăn đo có đèn hiệu được kết nối trong đường ống tuần hoàn của mỗi bể (Hình 1).

Kết quả giám sát theo thời gian thực tích hợp vào trong Hệ thống kiểm soát quy trình (PCS) để có thể can thiệp kịp thời và kiểm soát nếu có bất kỳ thông số đo vượt ngưỡng yêu cầu.

Các cảm biến được kết nối với thiết bị phân tích 2060 The NIR – bộ phận trung tâm và đánh giá thông minh – cung cấp kỹ thuật đo nhanh, đáng tin cậy có thể phân tích tất cả các thông số chất lượng liên quan trong vòng vài giây. Thiết bị phân tích quá trình công nghệ cao này lý tưởng để theo dõi thành phần bể của chuyền dung dịch xử lý:

• bộ chuyển kênh cho phép người dùng đo lường nhiều thông số khác nhau trong tối đa năm dòng mẫu chỉ với một thiết bị phân tích duy nhất
• tính năng plug and play cho phép khởi động nhanh và vận hành liên tục
• sợi quang chất lượng cao liên kết cảm biến và thiết bị quang phổ kế giúp truyền dữ liệu nhanh chóng, trọn vẹn ngay cả ở một khoảng cách xa chuyền dung dịch xử lý
• giám sát kết quả của chuyền dung dịch xử lý chưa đến năm phút – nghĩa là giám sát quá trình theo thời gian thực
• kiểm soát quy trình thông minh, ví dụ: có thể thiết lập ưu tiên bằng PCS cho những dòng mẫu yêu cầu tần suất đo cao

Nếu không gian bị hạn chế chẳng hạn như ở những khu vực phòng sạch khó tiếp cận, thiết bị phân tích 2060 The NIR-R có thể được đặt bên ngoài khu vực phòng sạch. Khoảng cách giữa quang phổ kế NIR và (các) điểm đo có thể lên tới hàng trăm mét nhờ sử dụng các sợi cáp quang tán sắc thấp . Ngoài ra, có thể theo dõi và điều khiển tối đa hai chuyền dung dịch xử lý khác nhau chỉ với một giao diện máy tính . Điều này cực kỳ có lợi trong không gian hạn chế và tiết kiệm chi phí phân tích, vì thiết kế này có thể mở rộng giám sát tối đa mười điểm lấy mẫu (Hình 3).

2. Tăng cường độ an toàn cho sản phẩm và quá trình bằng bảo mật nghiêm ngặt dữ liệu quan trọng và giám sát trạng thái của quá trình

Bảo trì định kì và tính sẵn sàng của dữ liệu thiết yếu  là những khái niệm được đề cập khi bàn về Công Nghệ Phân Tích Quy Trình (PAT). Bên cạnh kết quả phép đo thực tế, thiết bị 2060 The NIR còn được cung cấp thông tin thứ cấp của quá trình được dùng làm điều kiện cho những tác vụ khác. Chẳng hạn như tùy vào nhiệt độ đo được của quá trình mà thiết bị có thể  sử dụng đường chuẩn dựng sẵn tương ứng hay phải gửi cảnh báo đến hệ thống DCS/PLC/Scada khi nhận thấy sự thay đổi nhiệt độ không mong muốn.  Tuy nhiên, có nhiều điểm khác cần xem xét khi thúc đẩy gia tăng mức độ an toàn của quá trình và sản phẩm đồng thời với những hiểu biết thấu đáo hơn về quá trình. Bao gồm:

• sử dụng chuẩn được chứng nhận để thực hiện nội hiệu chuẩn tự động thiết bị và tự chẩn đoán
• hiệu chuẩn thiết bị tự động và phép thử kiểm tra hiệu năng phần cứng (kiểm tra trạng thái thiết bị) trong khoảng thời gian xác định hoặc dùng để thẩm định phép đo
• những yêu cầu của trạng thái bảo trì
• các thông số hóa học bổ sung để kiểm tra chất lượng bể dung dịch bên cạnh các thông số đo nồng độ (ví dụ: phát hiện vượt ngưỡng)
• sử dụng quang phổ kế đuợc ổn nhiệt cho điều kiện đo ổn định và độ chính xác cao nhất
• trang bị bộ đệm nguồn và kiểm soát trình tự tắt thiết bị để duy trì tính khả dụng của dữ liệu

Tìm hiểu thêm về những ưu điểm của Công nghệ Phân tích Quy trình (PAT) trong loạt blog của chúng tôi.

To automate or not to automate? Advantages of PAT – Part 1

3. Tăng độ tin cậy của quy trình và tuổi thọ bể với giám sát thời gian thực

Giờ đây, khi biết hóa chất nào thường được sử dụng trong dây chuyền sản xuất đầu cuối để xử lý tấm bán dẫn sẽ nảy sinh thắc mắc: Tại sao bắt buộc phải theo dõi tất cả các thông số này theo thời gian thực?

Nhìn lại Hình 1, các tấm mang bán dẫn chứa nhiều tấm bán dẫn được nhúng vào các bể khắc và làm sạch khác nhau. Bằng cách đó, các hóa chất phản ứng với bề mặt tấm bán dẫn, dẫn đến sự thay đổi vĩnh viễn thành phần hóa học – chủ yếu là giảm nồng độ chất khắc/chất làm sạch. Trong một thời gian rất ngắn, tốc độ khắc được điều chỉnh chính xác (độ mài mòn của bề mặt tấm bán dẫn theo thời gian, tương ứng trực tiếp với nồng độ HF) sẽ không còn phù hợp với các thông số kỹ thuật nghiêm ngặt và toàn bộ lô tấm bán dẫn sẽ bị loại bỏ. Để tránh thay mới dung dịch trong bể và đảm bảo điều kiện sản xuất được tái lập như thông số kỹ thuật, nồng độ dung dịch HF phải được hiển thị bất cứ lúc nào để có thể được điều chỉnh đúng cách.

Hình 4 cho thấy biểu đồ xu hướng nồng độ được đo bằng thiết bị NIRS tại bể dung dịch làm sạch 1 (SC1) chứa thuốc thử ammonia (NH3) và hydrogen peroxide (H2O2). Dựa trên sự ổn định của các giới hạn nồng độ hoặc thời gian kiểm soát, việc chuyển đổi bể được tiến hành. Điểm quan trọng là những thông số này đều được giám sát độc lập với nhau.

Xem xét kỹ hơn biểu đồ xu hướng trong Hình 4 cho thấy mức độ chính xác và độ đúng của các phép đo NIRS. Trong ví dụ này, mục tiêu là theo dõi liều lượng ammonia trong bể SC1 nhằm tối ưu hóa chu trình tuần hoàn để sự phối trộn và đồng nhất nhanh hơn. Mỗi lượng NH3 được phát hiện ở mức cực đại, sau đó giảm nhẹ dưới 0,10% theo khối lượng trong vòng năm phút tiếp theo. Ngay cả sự thay đổi nồng độ nhỏ cũng có thể được phát hiện. Độ lặp lại phép đo trên thiết bị phân tích 2060 The NIR là điểm nổi bật. Nó phụ thuộc vào ứng dụng và có thể giám sát nồng độ hóa chất dưới 0,02% theo khối lượng. Sau cùng, có thể đạt được liều lượng hóa chất chính xác trong bể xử lý ứng với dữ liệu thời gian thực khi quá trình được kiểm soát và tối ưu hóa . Thiết bị phân tích 2060 The NIR cho thấy thế mạnh với việc cách tăng tuổi thọ của bể, giảm phát thải hóa học và giảm thiểu thất thoát chi phí do sản phẩm lỗi (tức là loại bỏ lô tấm bán dẫn kém chất lượng).

4. Các ứng dụng tiêu biểu trên thiết bị phân tích 2060 The NIR trong công nghiệp bán dẫn

Các nhà sản xuất thiết bị tùy chỉnh chuyền dung dịch xử lý mẫu theo thông số kỹ thuật của mỗi khách hàng sử dụng và Metrohm Process Analytics cũng vậy. Các ứng dụng được phát triển đảm bảo sự đa dạng thông số hóa học quan trọng kết hợp với những khoảng ở đo ở nhiệt độ và nồng độ khác nhau—thậm chí bao gồm những thông số chưa được phát triển.

5. Kết luận

Một trong những mục tiêu cơ bản tại một nhà máy sản xuất bán dẫn là đạt được sản lượng tấm mang chất bán dẫn cao nhất trong chuyền dung dịch xử lý mà không bị trì hoãn hoặc lỗi sản phẩm—nếu không sẽ có những hậu quả kinh tế đáng kể. Tuy nhiên, các nhà máy sản xuất này luôn vận hành ở công suất tối đa và mỗi giờ gián đoạn sản xuất dẫn đến tổn thất hàng trăm nghìn euro.

Giám sát thời gian thực những thông số hóa học là bắt buộc đối với chuyền dung dịch xử lí. Thiết bị phân tích 2060 The NIR từ Metrohm Process Analytics được phát triển đáp ứng những yêu cầu này và cung cấp cho người dùng nhiều tiện ích hơn không chỉ là đo nồng độ:

1. Giám sát thời gian thực lên đến hai chuyền dung dịch xử lí để làm sạch và khắc tấm bán dẫn
2. Phần mềm IMPACT (Intelligent Metrohm Process Analytics Control Technology) linh hoạt đơn giản hóa việc điều khiển –– có thể phân tích song song với một thiết bị phân tích duy nhất
3. Các tùy chọn cắm và chạy (plug and play) đáp ứng với mọi thông số hóa học cần đo và yêu cầu của khách hàng sử dụng

Your knowledge take-aways

Monitoring quality parameters in standard cleaning baths – Measure ammonium hydroxide, hydrogen peroxide, and hydrochloric acid simultaneously with inline analysis

Brochure: 2060 The NIR Analyzer

Brochure: Sampling solutions for NIRS Process Analyzers

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