清洗液: SC1, SC2, DHF, BOE, SPM
高品質(zhì)、高產(chǎn)出、低成本是半導(dǎo)體生產(chǎn)行業(yè)所追尋的終極目標(biāo)。生產(chǎn)流程的嚴(yán)格控測是實現(xiàn)該目標(biāo)的必要條件，清洗生產(chǎn)流程中化學(xué)組份濃度監(jiān)測是該目標(biāo)實現(xiàn)的根本。
傅立葉變換紅外（FTIR）光譜儀是清洗生產(chǎn)流程監(jiān)測的理想分析技術(shù)，并已得到廣泛應(yīng)用。在清洗化學(xué)領(lǐng)域，該技術(shù)能提供快速、準(zhǔn)確的、很高的重復(fù)性。
在FTIR技術(shù)方領(lǐng)域，ABB一直是全球的領(lǐng)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(fā)其所研發(fā)的清洗流程分析儀（WPA）是一項基于FTIR技術(shù)的方案，能夠滿足半導(dǎo)體生產(chǎn)行業(yè)的嚴(yán)格要求。
WPA是一種專為清洗流程在線、實時監(jiān)控而設(shè)計的分析設(shè)備。該設(shè)備可對半導(dǎo)體生產(chǎn)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(yán)格的溶液濃度進(jìn)行監(jiān)測，同時，一臺WPA分析儀可監(jiān)測多達(dá)八種不同的流路。
本文對采用SC1, SC2, DHF, BOE 和 SPM化學(xué)組份的清洗流程優(yōu)化問題進(jìn)行重點探討。通過案例分析對WPA應(yīng)用進(jìn)行說明。
分析技術(shù)
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(qū)形成的主要機(jī)理。
ABB WPA分析儀利用FT-NIR光譜儀的優(yōu)勢，并結(jié)合非介入型的Te?on ClippIR+專利技術(shù)對溶液進(jìn)行實時監(jiān)測。
WPA分析儀利用光纖傳導(dǎo)將來自光譜儀的NIR光傳送至監(jiān)測點。該配置可將分析儀主機(jī)安裝在任何一般環(huán)境中，可與有害物質(zhì)和環(huán)境相隔離，因此大大降低了濕法環(huán)境因素干擾。
采用NIR技術(shù)的檢測限主要取決于欲監(jiān)測的化學(xué)組份的光譜性能。在液體狀態(tài)下，可檢測物質(zhì)的濃度可低達(dá)100ppm (0.01%)，這取決于化學(xué)組份構(gòu)成。
系統(tǒng)說明
1 系統(tǒng)配置
WPA分析儀將FTIR光譜儀與特氟龍ClippIR+相結(jié)合可實現(xiàn)非介入式的監(jiān)測功能。光譜儀包括一個多探頭模塊，該模塊可產(chǎn)生光波，足以同時照亮八路不同的監(jiān)測點。通過光纜，每個監(jiān)測點皆可在百米之外與分析儀相連。與機(jī)械多路切換儀器相比，該設(shè)計具有極高的重復(fù)性優(yōu)點。圖2說明了一種系統(tǒng)配置，包括有五個探頭和三個預(yù)留空位。
2 取樣方法
ClippIR+ 專利技術(shù) (見圖 3) 可通過現(xiàn)有的特氟龍管道實現(xiàn)在線、實時監(jiān)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(shè)備。每ClippIR+ 僅可鉗至當(dāng)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(shù)量，每個流路（一個ClippIR+監(jiān)測一種溶液）的測量時間為51秒（相當(dāng)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(yīng)無氣泡，以確保分析效能。當(dāng)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(jiān)測與控制而設(shè)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(xué)組份濃度進(jìn)行實時監(jiān)測。如圖4所示，化學(xué)組份濃度及變化趨勢皆可實時顯示。
該分析儀可與DCS或PLC相連，實現(xiàn)過程自動化?？刂葡到y(tǒng)的輸入/輸出（I/O）數(shù)據(jù)交換完全支持如下通訊協(xié)議：
n OPC 以太網(wǎng)連接
n ModBus 串口 (RS232-RS485)
n CanOpen 離散型 I/O 模塊(4-20mA)
實例分析結(jié)果
本實例所述清洗機(jī)臺配備有多功能自動操作系統(tǒng)，可向盒體自動加載硅片，然后再從化學(xué)溶液池中移出。
該機(jī)臺為一個50-晶片，其模塊化配置（化學(xué)步驟、濃度、溫度）匯總?cè)缦拢?/FONT>
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(yīng)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(yīng)預(yù)設(shè)時間（OFR）或傾倒/補充時間周期（QDR）。所有化學(xué)清洗液須定期更換，洗液配方在該應(yīng)用說明稱為DU_RCA_NINE，其為一種典型的濃縮型化學(xué)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(xué)用品及年度總成本見表2（以100%滿負(fù)荷計）。
化學(xué)計算過程均依據(jù)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(xué)用品價格。
清洗槽化學(xué)組份在線監(jiān)測具有如下優(yōu)勢：提高過程質(zhì)量；向清洗站控制人員提供濃度數(shù)值；延長清洗槽使用壽命（通過檢測用戶預(yù)定濃度域值或定期更換清洗液）。
當(dāng)前，延長化學(xué)清洗槽的壽命是所有生產(chǎn)設(shè)備維護(hù)的共同目標(biāo)，其目的就是要在全球市場上保持競爭優(yōu)勢。減少化學(xué)用品消耗，節(jié)省成本極易實現(xiàn)，從而大大影響了所有清洗站的資產(chǎn)成本（CoO）。
本案例詳細(xì)說明了清洗槽延長壽命的過程，通過采用化學(xué)監(jiān)測和良好的控制策略，壽命可從幾個小時延長到幾天。依據(jù)流程配方，可減少化學(xué)用品成本20%到30%。見表2。
表3匯總了RCA清洗流程，該流程將多種方案與每種方案中的化學(xué)組份、組份濃度范圍、操作溫度、復(fù)用性等相結(jié)合。
嚴(yán)格控制化學(xué)組份濃度，優(yōu)化生產(chǎn)效益。事實上，臨界晶片生產(chǎn)流程，如：RCA過程，需要精心控制，以確保全面高效生產(chǎn)。清洗平臺的清洗效率主要取決于溫度、接觸時間以及清洗溶液濃度。
例如，對BOE清洗槽中的HF和NGF4濃度的監(jiān)測有助于生產(chǎn)技術(shù)人員對溶液的預(yù)設(shè)參數(shù)加以控制。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)濃度域值時，WPA將向清洗站控制中心發(fā)出告警信息或信號。在這種情況下，清洗液監(jiān)測的復(fù)用性效益就成為了確保流程穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵。
WPA具有極高的重復(fù)性。RCA流程中的典型分析效益數(shù)據(jù)可見表3。表中所列數(shù)據(jù)經(jīng)常得以優(yōu)化，以提高流程效益，正像表5所示，BOE清洗槽中的HF和NHF4的重復(fù)性可降至0.1%以下。對于HF監(jiān)測，目標(biāo)濃度為5wt%，而WPA可遵循該標(biāo)準(zhǔn)，如果相對重復(fù)性為0.6%，它可將絕對重復(fù)性復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)降到0.03%。對于氟化銨，目標(biāo)濃度應(yīng)為35.5wt%，若相對重復(fù)性為0.2%，絕對重復(fù)性可降低0.07%
通常情況下，若對清洗槽不加控制，化學(xué)組份控制不當(dāng)，或只按液流速度對操作步驟進(jìn)行組合，或關(guān)閉液體泵或出現(xiàn)泵體的阻塞等，都會影響生產(chǎn)過程，有了高效率的分析設(shè)備后就可以使這種影響降至最低。
影響WPA效率的其中一個主要參數(shù)就是過程溫度的穩(wěn)定性。比如，DHF過程中溫度誤差應(yīng)為±5°C，監(jiān)測重復(fù)性為 0.08%；對于HF，由于具有在線加熱裝置（允許溫差為0.5°C）,HF在一個δ下，其重復(fù)性可達(dá)到80ppm。
圖6 顯示出對SC1、SC2連續(xù)監(jiān)測過程。生產(chǎn)周期及清洗槽溶液更換得到了WPA的有效監(jiān)測。在SC1過程中（圖6a）顯示出了H2O2 和 NH4OH的變化趨勢。SC2過程（圖6b）顯示出HCl 和H2O2監(jiān)測報告趨勢。
在所展示的SC1流程中，當(dāng)過氧化氫未在整個生產(chǎn)周期中被消耗并保持常量時，氫氧化銨濃度將在一定時間內(nèi)下降。
WPA分析儀允許對SC1溶液濃度的主要影響組份進(jìn)行確定，并確定濃度域值（如：最低NH4OH濃度），依據(jù)預(yù)先設(shè)定的濃度對整個清洗槽進(jìn)行控制。在這里所介紹的一個實例中，當(dāng)NH4OH濃度低于0.37時，SC1清洗槽溶液就需更換。由于有其他限制條件，具體清洗槽更換亦應(yīng)做出相應(yīng)更改。
SC2過程分析表明，當(dāng)鹽酸溶液濃度在某一單一生產(chǎn)周期中保持恒定時，該流程就要消耗過氧化氫溶液。這種情況下，就要對清洗槽溶液更換進(jìn)行定期設(shè)定，并采用清洗槽監(jiān)測措施，以確保安全。比如，當(dāng)H2O2 溶液濃度重復(fù)低于1.00時，系統(tǒng)將顯示報警信息。
WPA的兩種操作方法可以加強(qiáng)對化學(xué)用品的管理工作，同時有利于盡可能地延長清洗槽的使用壽命。在確保溶液的清洗效率的前提下，WPA可以降低化學(xué)用品消耗量，確保清洗流程的質(zhì)量和高產(chǎn)出，在降低成本，提高生產(chǎn)效益的同時加強(qiáng)整體競爭力。
ABB WPA具有極高的穩(wěn)定性和復(fù)用性。生產(chǎn)技術(shù)人員可借助于WPA效能，依據(jù)其所提供的溶液濃度值，對生產(chǎn)流程進(jìn)行調(diào)整，提高生產(chǎn)效率。根據(jù)靜態(tài)溶液的十次連續(xù)測量值得出標(biāo)準(zhǔn)偏差，然后計算出重復(fù)性。比如，BOE過程中重復(fù)性，其中HF的濃度須保持在4.9%和5.1%之間，并嚴(yán)格控制重復(fù)性在0.03%,m見圖表5。SC1過程中，NH4OH濃度允許范圍為1%到0.5%之間，重復(fù)性需控制在至少0.1%。
溶液更換或增加一種或多種過程組份是延長清洗槽壽命的一種十分有效的技術(shù)。圖7所示對SC1清洗槽（溫度60°C）的監(jiān)測情況，其中采用了一定時間內(nèi)連續(xù)增加溶液濃度的方法。
在該實例中，SC1中的氯化銨及過氧化氫的濃度得到監(jiān)測，采用了連續(xù)增加NH4OH濃度的方法。通過WPA監(jiān)測，增加氫氧化銨劑量，在十五分鐘內(nèi)，濃度可從1.25%上升到1.45%。由于每個ClippIR+的分析時間不足1分析，所以每種組份的增加均會得到實時監(jiān)測。該項功能可對快速清洗過程實施跟蹤。
在NH4OH增加過程中，過氧化氫濃度幾乎保持不變，由于過氧化氫易變質(zhì)，所以NH4OH的重復(fù)性通常情況下要比過氧化氫好。
在SC1中，主要過程控制參數(shù)為氫氧化銨。WPA可監(jiān)測氨水的濃度變化，在達(dá)到峰值后，可將濃度值反饋給操作人員。由于在線，實時取樣和響應(yīng)時間短，另外還能夠提供嚴(yán)格過程控制所需的重復(fù)性，所以WPA可很好地監(jiān)測和控制該種化學(xué)組份。
WPA分析設(shè)備可提高化學(xué)溶液濃度監(jiān)測領(lǐng)域的分析能力，并將該數(shù)值以信號形式傳輸給清洗站，啟動域值濃度峰值功能，或通過預(yù)設(shè)I/O對溶液進(jìn)行更換。
依據(jù)Fab的高級過程控制標(biāo)準(zhǔn)（APC）控制型清洗過程的連續(xù)化學(xué)組份監(jiān)測要求具有精確性、重復(fù)性以及快速監(jiān)測功能。
WPA可與清洗站進(jìn)行方便整合，有利于對SC1, SC2, BOE, DHF 及 SPM 的管理，延長清洗槽壽命，減少環(huán)境化學(xué)廢物排放，降低清洗站運營成本。由于采用光纖傳輸及多種配置，一臺WPA配備有五個不同的ClippIR+，可對SC1, SC2, BOE, DHF 和 SPM 清洗槽中的化學(xué)組份濃度進(jìn)行分析。與其它紅外分析儀相比，WPA的獨特設(shè)計降低了五種因素的影響。
結(jié)論
WPA是一種可靠的，高重復(fù)性的分析設(shè)備?？膳鋫?-8個非介入型ClippIR+, 可實現(xiàn)與現(xiàn)有生產(chǎn)線的快速整合，對生產(chǎn)流程絕無污染。
WPA對于過程優(yōu)化極具價值。在預(yù)設(shè)濃度域值范圍之內(nèi)，確?；瘜W(xué)組份濃度恒定，防止晶片受到其它化學(xué)溶液的侵蝕。同時，還可提高處理倉循環(huán)利用能力，以及溶液組配及預(yù)組配過程中對溶液濃度的控制能力。
另外，帶有ClippIR+的WPA設(shè)備的投資回報率高，見效快。終端用戶可節(jié)省化學(xué)用品，降低廢液排放。WPA對于清洗設(shè)備具有極高的附加值，可提高產(chǎn)出能力，降低運營成本，使得清洗過程更加安全、可靠。
（轉(zhuǎn)載）
