ABB WPA分析儀在半導體濕法過程監測的應用
清洗液: SC1, SC2, DHF, BOE, SPM
高品質、高產出、低成本是半導體生產行業所追尋的終極目標。生產流程的嚴格控測是實現該目標的必要條件,清洗生產流程中化學組份濃度監測是該目標實現的根本。
傅立葉變換紅外(FTIR)光譜儀是清洗生產流程監測的理想分析技術,并已得到廣泛應用。在清洗化學領域,該技術能提供快速、準確的、很高的重復性。
在FTIR技術方領域,ABB一直是全球的領先者。在過去的三十多年里,ABB一直致力于FTIR分析儀的研究與開發其所研發的清洗流程分析儀(WPA)是一項基于FTIR技術的方案,能夠滿足半導體生產行業的嚴格要求。
WPA是一種專為清洗流程在線、實時監控而設計的分析設備。該設備可對半導體生產流程的清洗、蝕刻、去光膠液過程中所采用的各種要求極為嚴格的溶液濃度進行監測,同時,一臺WPA分析儀可監測多達八種不同的流路。
本文對采用SC1, SC2, DHF, BOE 和 SPM化學組份的清洗流程優化問題進行重點探討。通過案例分析對WPA應用進行說明。
分析技術
電磁光譜的近紅外(NIR)部分介于中外紅(MIR)與可見光(VIS)之間。氫原子的基頻與合頻組合作用是該光譜區形成的主要機理。
ABB WPA分析儀利用FT-NIR光譜儀的優勢,并結合非介入型的Te?on ClippIR 專利技術對溶液進行實時監測。
WPA分析儀利用光纖傳導將來自光譜儀的NIR光傳送至監測點。該配置可將分析儀主機安裝在任何一般環境中,可與有害物質和環境相隔離,因此大大降低了濕法環境因素干擾。
采用NIR技術的檢測限主要取決于欲監測的化學組份的光譜性能。在液體狀態下,可檢測物質的濃度可低達100ppm (0.01%),這取決于化學組份構成。
系統說明
1 系統配置
WPA分析儀將FTIR光譜儀與特氟龍ClippIR 相結合可實現非介入式的監測功能。光譜儀包括一個多探頭模塊,該模塊可產生光波,足以同時照亮八路不同的監測點。通過光纜,每個監測點皆可在百米之外與分析儀相連。與機械多路切換儀器相比,該設計具有極高的重復性優點。圖2說明了一種系統配置,包括有五個探頭和三個預留空位。
2 取樣方法
ClippIR 專利技術 (見圖 3) 可通過現有的特氟龍管道實現在線、實時監測。安裝方便快捷,且不需要管道跨接合重新建造或安裝冷卻設備。每ClippIR 僅可鉗至當前特氟龍管道的外表。來自光譜儀的NIR光可通過特氟龍管道傳輸,然后返回至光譜儀的八個檢測器的其中一個檢測器上。
若不考慮每種流路組份數量,每個流路(一個ClippIR 監測一種溶液)的測量時間為51秒(相當于掃描精度為16 cm-1 的128個掃描譜圖)
3 安裝
ClippIR 可安裝在直徑為1?2 — 3?4 英寸的特氟龍管道上。安裝位置管體應無氣泡,以確保分析效能。當溫差控制在?5?C時,其測量精度最佳。該ClippIR 亦可測量200?C溶液。
過程控制軟件
ABB WPA分析儀具有FTSW 100 過程控制軟件,專為過程監測與控制而設計。該軟件具有較高的靈活性,可對清洗、蝕刻、剝離溶液中的每種化學組份濃度進行實時監測。如圖4所示,化學組份濃度及變化趨勢皆可實時顯示。
圖4 FTSW100 測量面板 六種液流監測: 兩種 SC1 , 兩種 SC2,和兩種 DHF
該分析儀可與DCS或PLC相連,實現過程自動化。控制系統的輸入/輸出(I/O)數據交換完全支持如下通訊協議:
n OPC 以太網連接 n ModBus 串口 (RS232-RS485) n CanOpen 離散型 I/O 模塊(4-20mA)
圖2 系統配置
圖3. ClippIR
實例分析結果 本實例所述清洗機臺配備有多功能自動操作系統,可向盒體自動加載硅片,然后再從化學溶液池中移出。 該機臺為一個50-晶片,其模塊化配置(化學步驟、濃度、溫度)匯總如下:
1. SPM/QDR 2. BOE/OFR (不用于 RCA 流程) 3. DHF/OFR 4. SC1/QDR 5. SC2/QDR 6. IPA (該應用說明中未加考慮)
其中: SPM: H2SO4/H2O2/O3 溫度為120?C, QDR- 傾倒清洗, BOE: NH4F/HF – 不使用, OFR – 溢流清洗, DHF - 100:1 = HF: H2O溫度 22?C, SC1 - 5:1:1 = H2O: NH4OH: H2O2 溫度50?C, SC2 - 5:1:1 = H2O:HCl: H2O2 溫度 50?C, IPA- 異丙醇.
所有清洗皆應預設時間(OFR)或傾倒/補充時間周期(QDR)。所有化學清洗液須定期更換,洗液配方在該應用說明稱為DU_RCA_NINE,其為一種典型的濃縮型化學清洗配方,可完成40 ?蝕刻。清洗槽傾倒頻率為24小時(SPM, BOE 和 DHF),SC1 和SC2為12小時。
化學用品及年度總成本見表2(以100%滿負荷計)。
化學計算過程均依據百分之百工時計,無閑置期,即每日近96次。表1說明了每加倫的化學用品價格。
表1 化學用品價格
表1 化學用品成本
化學用品及年度總成本見表2(以100%滿負荷計)。
表2 化學用品計算(100% 工時,滿負荷 – 無閑置期: 96次/日)
年度化學用品支出 = $ 267,629 1 資料來源: 《半導體雜志》2000

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