Contrôle de la qualité des processus de prétraitement des plaquettes de semi-conducteurs avec le NIRS en ligne

Les semi-conducteurs sont les composants fondamentaux des produits électroniques modernes. La propreté est cruciale à l'intérieur d'une installation de fabrication de semi-conducteurs, compte tenu de l'échelle des surfaces de travail (nanomètres). Les contaminants de tous types peuvent entraîner des défauts, ce qui conduit les fabricants à mettre en œuvre des procédures de contrôle de la production extrêmement strictes et précises, avec une reproductibilité élevée, en particulier lors de l'une des étapes de production les plus importantes : le traitement de la surface des plaquettes avec des bains de gravure et de nettoyage pour l'élimination des impuretés et la texturation de la surface. Cet article souligne les avantages pour les fabricants de semi-conducteurs de mettre en œuvre la spectroscopie proche infrarouge (NIRS) dans les processus de prétraitement des plaquettes pour une analyse en temps réel, une traçabilité à 100 %, une sécurité optimale des produits et un débit maximal des supports de plaquettes.

Equiper les bancs humides de semi-conducteurs d'un 2060 The NIR Analyzer

Dans une installation de fabrication de semi-conducteurs, un banc humide typique se compose de plusieurs bains individuels ayant des fonctions spécifiques (par exemple, gravure chimique, nettoyage et rinçage). Pour ces tâches, chaque ligne de traitement nécessite différents mélanges d'acides ou de bases ou divers composants organiques. La figure 1 illustre l'installation typique d'un banc humide avec l'une des configurations disponibles pour le 2060 The NIR Analyzer de Metrohm Process Analytics.

Cet exemple comprend le bain de gravure HF Dip (acide fluorhydrique avec un certain niveau de concentration basé sur une vitesse de gravure spécifique), SC1 (traitement de nettoyage standard composé d'hydroxyde d'ammonium et de peroxyde d'hydrogène dans l'eau), SC2 (traitement de nettoyage standard composé d'acide chlorhydrique et de peroxyde d'hydrogène dans l'eau), HotPhos (acide phosphorique dans l'eau), et d'autres (étapes de rinçage qui ne sont pas surveillées avec le NIRS).

Les produits chimiques sont mis en circulation à l'aide de pompes dotées de filtres intégrés qui visent à empêcher la contamination des plaquettes de semi-conducteurs. Le support de la plaquette est plongé dans chaque bain pendant un certain temps, en fonction de la concentration des produits chimiques. Comme le support contient de nombreuses plaquettes de grande valeur, il est essentiel de connaître précisément les conditions du processus à tout moment. Le contrôle du processus en temps réel est effectué à l'aide de capteurs à cellule de flux à pince qui sont intégrés dans la ligne de circulation de chaque bain (figure 1).

Les résultats de cette surveillance en temps réel sont disponibles dans un système de contrôle des processus (PCS) pour une intervention et un contrôle rapides si l'un des paramètres mesurés n'est pas conforme aux spécifications.

Les capteurs sont fixés au 2060 The NIR Analyzer - la pièce maîtresse et l'unité d'évaluation intelligente - qui fournit une technique de mesure rapide et fiable permettant d'analyser tous les paramètres de qualité pertinents en quelques secondes. Cet analyseur de processus de haute technologie est idéal pour contrôler la composition des bains humides :

• Le multiplexage permet aux utilisateurs de mesurer une variété de paramètres dans jusqu'à cinq flux de processus avec un seul analyseur.
• la capacité "plug and play" permet une intégration transparente et une mise en service plus rapide
• les fibres optiques de haute qualité connectées aux sondes et aux analyseurs transmettent les données rapidement et de manière fiable, même sur de longues distances à partir du banc humide
• contrôle des résultats d'une unité complète de banc humide en moins de cinq minutes - ce qui signifie un contrôle du processus en temps réel
• un contrôle intelligent du processus, par exemple pour donner la priorité aux flux d'échantillons par le PCS pour des fréquences de mesure plus élevées lorsque c'est nécessaire

Si l'espace est limité, par exemple dans les salles blanches difficiles d'accès, le 2060 The NIR-R Analyzer peut être monté à l'extérieur de la salle blanche. La distance entre l'armoire NIR et le(s) point(s) d'échantillonnage peut atteindre des centaines de mètres, ce qui est possible grâce à l'utilisation de fibres optiques à faible dispersion. En outre, il est possible de surveiller et de contrôler jusqu'à deux unités de banc humide différentes à l'aide d'une seule Human Interface. Cette configuration permet de contrôler jusqu'à dix points d'échantillonnage (figure 3), ce qui est extrêmement utile lorsque l'espace est restreint et que les coûts d'analyse doivent être réduits.

Amélioration de la sécurité des produits et des processus grâce à la disponibilité des données critiques et à la surveillance de l'état des processus

La maintenance prédictive et la disponibilité des données vitales sont des expressions souvent utilisées lorsqu'il est question de technologie analytique des procédés (PAT). En plus de la mesure de la concentration réelle, l'analyseur 2060 The NIR fournit des informations secondaires sur le processus qui peuvent être utilisées comme conditions pour d'autres actions. Par exemple, en fonction de la température mesurée du processus, l'analyseur de processus peut automatiquement utiliser un modèle d'étalonnage NIR spécifique ou envoyer un avertissement à un DCS/PLC/Scada en cas de changement de température indésirable. Cependant, il y a beaucoup d'autres points à prendre en compte qui peuvent conduire à une sécurité accrue des produits et des processus ainsi qu'à une meilleure compréhension des processus. Il s'agit notamment des points suivants :

• l'utilisation d'étalons traçables pour l'étalonnage interne automatisé des instruments et l'autodiagnostic
• l'étalonnage automatisé des instruments et les tests de performance du matériel (contrôles de santé) à des intervalles définis ou pour vérifier la validité des mesures
• état des besoins en matière de maintenance
• paramètres chimiométriques supplémentaires pour vérifier la qualité du bain en plus des mesures de concentration (par exemple, détection des valeurs aberrantes)
• l'utilisation d'un spectromètre à température stabilisée pour des conditions stables et une précision maximale
• la mise en œuvre d'un tampon d'alimentation et d'une séquence d'arrêt contrôlé pour maintenir la disponibilité des données

Découvrez les avantages de la technologie analytique des procédés (PAT) dans notre série de blogs.

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

Applications typiques de ll 2060 The NIR Analyzer dans l'industrie des semi-conducteurs

Les fabricants d'installations personnalisent leurs bancs humides en fonction des spécifications de chaque client final, et il en va de même pour Metrohm Process Analytics. Nous proposons des applications pour une large gamme de paramètres chimiques critiques dans toutes les combinaisons, concentrations et plages de température, y compris celles qui n'ont pas encore été développées.

Augmentation de la fiabilité des processus et de la durée de vie des bains grâce à la surveillance en temps réel

Sachant quels produits chimiques sont généralement utilisés dans une ligne de production frontale pour le traitement des plaquettes, on peut se poser la question suivante : Pourquoi est-il obligatoire de surveiller tous ces paramètres en temps réel ?

Si l'on se réfère à la figure 1, les supports contenant plusieurs plaquettes sont plongés dans différents bains de gravure et de nettoyage. Ce faisant, les produits chimiques réagissent avec la surface de la plaquette, ce qui entraîne un changement permanent de la composition chimique - principalement une diminution de la concentration de l'agent de gravure/nettoyage. En très peu de temps, le taux de gravure précisément ajusté (abrasion de la surface de la plaquette au fil du temps, directement corrélée à la concentration en HF) ne correspondrait plus aux spécifications strictes, et l'ensemble du lot de plaquettes serait rejeté. Afin d'éviter un renouvellement permanent des bains et d'assurer un processus très reproductible dans le cadre de spécifications strictes, la concentration en HF doit être connue à tout moment afin d'être correctement ajustée.

La figure 4 montre un diagramme de tendance de la concentration mesurée par NIRS à partir d'un bain standard clean 1 (SC1) composé d'ammoniac (NH3) et de peroxyde d'hydrogène (H2O2). En fonction de certaines limites de concentration ou de temps, des échanges de bain sont induits. Il est très important que ces deux paramètres soient contrôlés indépendamment l'un de l'autre.

Un examen plus approfondi du diagramme de tendance de la figure 4 montre à quel point les mesures NIRS sont précises et exactes. Dans cet exemple, l'objectif était de surveiller le dosage d'ammoniac dans le bain SC1 afin d'optimiser la recirculation pour un mélange rapide et homogène. Chaque dose de NH3 est détectée comme un pic suivi d'une légère diminution de <0,10 % en poids dans les cinq minutes suivantes. Même les petites variations de concentration peuvent être détectées. La répétabilité des mesures du 2060 The NIR Analyzer est exceptionnelle. Elle dépend de l'application et permet de surveiller les concentrations chimiques jusqu'à <0,02 % en poids. En fin de compte, il est possible d'obtenir un dosage chimique très précis dans les bains de gaufrettes avec une analyse des données en temps réel, ce qui constitue une véritable optimisation et un contrôle du processus. L'analyseur NIR A 2060 montre tout son potentiel en augmentant la durée de vie des bains, en réduisant les déchets chimiques et en minimisant les pertes de produits coûteux (c'est-à-dire les lots de gaufrettes semi-conductrices mis au rebut).

Conclusion

L'un des principaux objectifs d'une usine de fabrication de semi-conducteurs est d'atteindre le débit le plus élevé de supports de plaquettes dans un banc humide, sans retard ni perte de produit, faute de quoi les répercussions économiques sont importantes. Cependant, ces usines de fabrication fonctionnent déjà au maximum de leur capacité et chaque heure d'arrêt se traduit par une perte de centaines de milliers d'euros.

Le contrôle en temps réel de la composition chimique est obligatoire pour les bains humides. Le 2060 The NIR Analyzer de Metrohm Process Analytics a été développé pour des situations comme celle-ci, et offre aux utilisateurs bien plus qu'une simple mesure de concentration :

1. Surveillance en temps réel de jusqu'à deux bancs humides entiers pour le nettoyage et la gravure des plaquettes de semi-conducteurs
2. Logiciel flexible pour un contrôle simple - Intelligent Metrohm Process Analytics Control Technology (IMPACT) - avec possibilité d'analyse en parallèle avec un seul analyseur de processus
3. Options "plug and play" pour presque toutes les compositions chimiques et tous les besoins des utilisateurs finaux

Informations à retenir

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