Controle de qualidade de processos de pré-tratamento de wafers semicondutores com NIRS online

Os semicondutores são os componentes fundamentais dos produtos eletrônicos modernos. A limpeza é crucial dentro de uma instalação de fabricação de semicondutores, considerando a escala das superfícies de trabalho (nanômetros). Contaminantes de todos os tipos podem resultar em defeitos, levando os fabricantes a implementar procedimentos de controle de produção extremamente rigorosos e precisos com alta reprodutibilidade, especialmente durante uma das etapas de produção mais importantes: tratamento de superfície de wafer com banhos de ataque e limpeza para remoção de impurezas e texturização de superfície. Este artigo destaca os benefícios para os fabricantes de semicondutores implementarem espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) em processos de pré-tratamento de wafer para análise em tempo real, 100% de rastreabilidade, segurança ideal do produto e rendimento máximo do transportador de wafer.

Equipando bancos molhados semicon com um 2060 O Analisador NIR

Em uma instalação de fabricação de semicondutores, uma unidade típica de bancada úmida consiste em vários banhos individuais com finalidades específicas (ou seja, ataque químico, limpeza e enxágue). Para estas tarefas, cada linha de processo requer diferentes misturas de ácidos ou bases ou vários componentes orgânicos. figura 1 ilustra a configuração típica de uma bancada úmida com uma das várias configurações disponíveis para o 2060 O Analisador NIR da Metrohm Process Analytics.

Este exemplo inclui o banho de gravação AF Mergulhar (ácido fluorídrico com um determinado nível de concentração baseado em uma taxa de ataque específica), SC1 (tratamento de limpeza padrão que consiste em hidróxido de amônio e peróxido de hidrogênio em água), SC2 (tratamento de limpeza padrão que consiste em ácido clorídrico e peróxido de hidrogênio em água), HotPhos (ácido fosfórico em água) e outros (etapas de enxágue não monitoradas com NIRS). 

Os produtos químicos circulam por meio de bombas com alguns filtros integrados que visam evitar a contaminação dos wafers semicondutores. O transportador de wafer é mergulhado em cada banho por um determinado período de tempo, dependendo do  concentração de produtos químicos. Como o transportador contém muitos wafers altamente valiosos, o conhecimento exato das condições do processo a qualquer momento é crucial. O monitoramento do processo em tempo real é realizado usando sensores de célula de fluxo clamp-on que são implementados na linha de circulação de cada banho (figura 1).

Os resultados desse monitoramento em tempo real estão disponíveis em um Sistema de Controle de Processo (PCS) para rápida intervenção e controle se algum parâmetro medido estiver fora das especificações.

Os sensores estão conectados ao 2060 O Analisador NIR – a peça central e a unidade de avaliação inteligente – que fornece uma técnica de medição rápida e confiável que pode analisar todos os parâmetros de qualidade relevantes em segundos. Este analisador de processos de alta tecnologia é ideal para monitorar a composição de banhos de bancada úmida:

• a multiplexação permite aos usuários medir uma variedade de parâmetros em até cinco fluxos de processo com um único analisador
• capacidade plug and play significa integração perfeita e inicialização mais rápida
• fibras ópticas de alta qualidade conectadas às sondas e ao analisador transmitem dados de forma rápida e confiável, mesmo em longas distâncias da bancada úmida
• monitoramento de resultados de uma unidade inteira de bancada úmida em menos de cinco minutos – o que significa monitoramento de processos em tempo real
• controle inteligente de processo, por exemplo, para priorizar fluxos de amostra pelo PCS para frequências de medição mais altas quando necessário

Se o espaço for limitado, como em áreas de sala limpa de difícil acesso, o 2060 O Analisador NIR-R pode ser montado fora da área da sala limpa. A distância entre o gabinete NIR e o(s) ponto(s) de amostragem pode chegar a centenas de metros – o que é possível com o uso de fibras ópticas de baixa dispersão. Adicionalmente, até duas unidades de bancada úmida diferentes pode ser monitorado e controlado com uma interface humana. Isto é extremamente benéfico quando o espaço é escasso e os custos de análise precisam ser economizados, pois esta configuração pode monitorar até dez pontos de amostragem (Figura 3).

Maior segurança de produtos e processos por meio da disponibilidade de dados críticos e monitoramento das condições do processo

Manutenção preditiva e disponibilidade de dados vitais são frases frequentemente usadas quando se discute Tecnologia Analítica de Processo (PAT). Além da medição de concentração real, o 2060 O O NIR Analyzer fornece informações secundárias do processo que podem ser usadas como condições para ações futuras. Por exemplo, dependendo da temperatura medida do processo, o analisador de processo pode utilizar automaticamente um modelo de calibração NIR específico ou enviar um aviso para um DCS/PLC/Scada no caso de uma mudança indesejada de temperatura. No entanto, há muitos outros pontos a serem considerados que podem levar a uma maior segurança do produto e do processo, bem como a uma melhor compreensão do processo. Esses incluem:

• usando padrões rastreáveis para calibração interna automatizada de instrumentos e autodiagnóstico
• calibração automatizada de instrumentos e testes de desempenho de hardware (verificações de integridade) dentro de intervalos definidos ou para verificar a validade das medições
• status dos requisitos de manutenção
• parâmetros quimiométricos adicionais para verificar a qualidade do banho, além de medições de concentração (por exemplo, detecção de valores discrepantes)
• usando um espectrômetro com temperatura estabilizada para condições estáveis e a mais alta precisão
• implementação de um buffer de energia e sequência de desligamento controlada para manter a disponibilidade dos dados

Saiba mais sobre as vantagens da Tecnologia Analítica de Processo (PAT) em nossa série de blogs.

Automatizar ou não automatizar? Vantagens do PAT – Parte 1

Aplicações típicas para 2060 O Analisador NIR na indústria de semicondutores

Os fabricantes de plantas personalizam suas bancadas úmidas de acordo com as especificações de cada cliente final, assim como a Metrohm Process Analytics. Oferecemos aplicações para uma ampla gama de parâmetros químicos críticos em todas as combinações, concentrações e faixas de temperatura, inclusive aqueles que ainda não foram desenvolvidos. 

Maior confiabilidade do processo e vida útil do banho com monitoramento em tempo real

Agora, saber quais produtos químicos são geralmente usados em uma linha de produção inicial para processamento de wafer leva à pergunta: Por que é obrigatório monitorar todos esses parâmetros em tempo real?

Olhando para trás figura 1, os transportadores contendo vários wafers são mergulhados em vários banhos de gravação e limpeza. Ao fazer isso, os produtos químicos reagem com a superfície do wafer, resultando em uma mudança permanente na composição química – principalmente uma diminuição na concentração do agente de ataque/limpeza. Dentro de muito pouco tempo, a taxa de corrosão ajustada com precisão (abrasão da superfície do wafer ao longo do tempo, diretamente correlacionada à concentração de HF) não corresponderia mais às especificações rigorosas e todo o lote de wafers seria rejeitado. Para evitar a renovação permanente dos banhos e garantir um processo muito reprodutível sob especificações rigorosas, a concentração de HF deve ser conhecida a qualquer momento para ser devidamente ajustada. 

Figura 4 mostra um gráfico de tendência de concentração medido pelo NIRS a partir de um banho padrão limpo 1 (SC1) que consiste em amônia (NH₃) e peróxido de hidrogênio (H₂Ó₂). Com base em certos limites de concentração ou limites de tempo, são induzidas trocas de banho. É muito importante que ambos os parâmetros sejam monitorados independentemente um do outro.

Uma análise mais detalhada do gráfico de tendências em Figura 4 mostra quão precisas e precisas são as medições NIRS. Neste exemplo, o objetivo era monitorar a dosagem de amônia no banho SC1 para otimizar a recirculação para uma mistura rápida e homogênea. Cada NH₃ a dose é detectada como um pico seguido por uma ligeira diminuição de <0,10% em peso nos próximos cinco minutos. Mesmo pequenas alterações de concentração podem ser resolvidas. O 2060 O A repetibilidade da medição do analisador NIR é excelente. Depende da aplicação e é capaz de monitorar concentrações químicas até <0,02% em peso. Em última análise, é possível obter uma dosagem química muito precisa em banhos de wafer com análise de dados em tempo real – verdadeira otimização e controle do processo. Um 2060 O O NIR Analyzer mostra todo o seu potencial aumentando a vida útil do banho, reduzindo o desperdício de produtos químicos e minimizando a perda dispendiosa de produtos (ou seja, lotes de wafers semicondutores descartados).

Conclusão

Um dos principais objetivos em uma instalação de fabricação de semicondutores é atingir o maior rendimento de transportadores de wafer em uma bancada úmida, sem atrasos ou perda de produto – caso contrário, haverá repercussões econômicas significativas. No entanto, estas unidades fabris já funcionam à capacidade máxima e cada hora de inatividade leva a uma perda de centenas de milhares de euros.

O monitoramento em tempo real da composição química é obrigatório para banhos de bancada úmida. O 2060 O O NIR Analyzer da Metrohm Process Analytics foi desenvolvido para situações como esta e oferece aos usuários muito mais do que apenas uma medição de concentração:

1. Monitoramento em tempo real de até duas bancadas úmidas inteiras para limpeza de wafers semicondutores e banhos de gravação
2. Software flexível para controle direto – Intelligent Metrohm Process Analytics Control Technology (IMPACT) – com análise paralela possível com um único analisador de processo
3. Opções plug and play para praticamente qualquer composição química e necessidade do usuário final

Suas conclusões de conhecimento

Monitoramento de parâmetros de qualidade em banhos de limpeza padrão – Meça hidróxido de amônio, peróxido de hidrogênio e ácido clorídrico simultaneamente com análise em linha

Folheto: 2060 O Analisador NIR

Folheto: Soluções de amostragem para analisadores de processos NIRS

Folheto: Tecnologia inteligente de controle de análise de processos Metrohm Software «IMPACT»