使用NIR在线化学分析来监测循环湿法反应槽中的化学组分.pdf

1 使用使用 NIR 在线化学分析来监测循环湿法反应槽中的 化学组分 在线化学分析来监测循环湿法反应槽中的 化学组分 作者 Mark Simpson Bob Cooper Texas Instruments Dr Joel Bigman CI Semi 概述 在半导体工艺中需要使用专门的化学品来进行硅片的表面处理 在某些较 为敏感的工艺中 用于去除刻蚀工艺残余物的酸性溶液或含有水分的有机溶剂 其稀释浓度哪怕有 1 的误差也会明显地降低硅片工艺的良品率 不合适的含水 量同样会直接导致对芯片金属化的腐蚀或侵蚀 使用近红外 NIR 在线化学分 析仪可使硅片生产的控制更加严密 并且通过增加生产率 提高良品率和避免废 料的方式来降低硅片生产的成本 硅片工艺需要对加热反应槽中的化学品进行严格的控制 用来腐蚀氧化物 的稀释氢氟酸 HF 槽是用来去除硅片表面极薄的一层 氢氟酸的腐蚀速率用 埃每秒 sec 表示 该腐蚀速率受到时间 温度及氢氟酸浓度的影响 在这 三者中的任何一项出现很小的波动都将导致这一关键工艺步骤的报废 考虑到时 间和温度参数对于一个特定的工艺环境而言通常是不变的 因而不当的化学品浓 度常常成为腐蚀去除工艺不良的罪魁祸首 发生氢氟酸 HF 浓度的变化的直接原因可能是由于最初混合酸与水时调 配的比例不对 其间接原因也可能是受到其它来源的影响 如带入了先前进行硅 2 片冲洗槽中的残留水分 通过进行硅片表面腐蚀速率的测试可以确保所使用氢氟 酸 HF 混合液具有正确的酸 水比率 但不幸的是 我们无法在一个反应槽 中持续不断地使用硅表面蚀速的测试硅片 因为实时的腐蚀速率测试需要进行测 量的空间 时间和消耗测试硅片的成本 所以 腐蚀速率的测试根据反应槽的稳 定程度不同只能处于一天一次到一周两次这样的频度范围内 如果在两次测试之 间发生化学溶液的混合比例发生变化 那么此时运行的工艺就会面临硅片报废的 危险 另外 采用测试硅片进行监测也无法充分反映酸性反应槽中的化学特性 而且在进行高产量的生产环境中 为了寻找问题的根本原因而需要设备处于停工 状态也是一个问题 硅片加工厂所面临的另一个问题是反应槽中酸的浓度对不同种类的工艺是 变化的 对不同的工艺使用多个不同的反应槽在生产成本上将过于奢侈 硅片加 工厂通常希望一个湿法处理设备能具有多种工艺用途 但这会导致更大的工艺差 异性 例如 在前一个工艺反应槽中的 HF 化学混合液配方为 1 而随后的化 学处理需要 HF 浓度则为 5 硅片在上述化学溶液间进行切换时 前道反应槽 中的化学混合液的残留将会混合进随后使用的化学液中 这就会降低 HF 酸的浓 度 哪怕在进行这样的切换时采用去离子水 DI 来冲洗反应槽也无法完全避免上 述情况的发生 图 1 反应槽的排水不当会使酸浓度下降 从而降低了腐蚀速率 图 1 图示了具有不同 HF 浓度混合液反应槽的腐蚀速率 这是由于在湿法循 环流水操作时去离子水的排水不当而造成的 如果减少对这种反应槽进行腐蚀速 率监测的频度 那么腐蚀速率发生变化这一问题就可能会被工作人员忽视 从而 加工的硅片就会面临着报废的危险 滴定法检测化学溶剂中含水量滴定法检测化学溶剂中含水量 在半导体工艺中 金属化后所需使用的化学溶剂通常是在加热的反应槽中 工作 用来去除硅片表面留下的高分子聚合物 当溶剂通过原料输送系统到达反 3 应槽时 其初始的含水量往往会高于对金属化处理工艺的规范要求 而且 对一 个具有补给系统的反应槽而言 如要延长溶剂反应槽的使用寿命也就会增加额外 的风险 为了降低这些风险 曾使用了水滴定检测系统来对溶剂进行采样并进行浓 度分析 可以每隔 30 分钟给出溶剂的浓度 设定速率的水补给系统在理想的工 作环境中可以运行得很好 但在溶剂浓度变化的情况下就会遇到一些问题 引起 溶剂浓度变化的原因可能是由于工艺中硅片处理负载的变化 溶剂带出量得变化 或是对反应槽溶剂的补充量发生了变化 使用传统滴定分析仪可提供相应的得信 息反馈来保证对工艺的严格控制 但是它有每30分钟最多只能检测一次的限制 如果反应槽的溶剂浓度问题发生在两次检测之间 那么就可能意味着至少有150 片硅片会产生良品率的损失 另外 机械操作的滴定检测系统是一个对维护要求 很高的仪器 需要高频度的预防性维护措施 部件更换和滴定试剂消耗以保证该 系统能良好地工作 反应槽中氢氟酸与溶剂浓度的在线监测反应槽中氢氟酸与溶剂浓度的在线监测 我们考虑了多种在线监测技术 但是由于对两种不同化学物要同时进行精 确的浓度分析还存在一定难度 很难找到理想的分析手段来克服这一困难 这需 要一种在不同环境下都能维持高精确度的自动在线非接触分析系统 对这样的系 统进行性能评估的标准有 控制类型 分析部件具有的精确性和可能产生微粒沾污是主要的考虑因 素 工艺差异性 分析部件在校准后可测量反应槽中所有可能使用化学溶液 的浓度 电输入和输出 在分析系统设计中需要考虑在分析仪外部的电学信号的 反馈 4 到 20 mA 的输出信号必须能连接到在线分析设备的 interdiction 接口 和监测系统的界面接口 4 图 2 近红外 NIR 在线浓度分析仪结构图 工艺兼容性 一个与酸性化学溶液兼容的分析部件必须具有可浸润性 而且它不会产生微粒沾污 同时它必须可以承受不同溶液进料时的压力 安装方便 分析部件首先要能够随插随用 自动控制系统要能快速地进 行安装和运行 以避免生产设备过多地处于停工状态 多通道 在考虑是采用多台分析系统还是采用一台多通通道的分析仪 时 成本问题无疑是我们进行考虑的首要因素 多通道分析仪可以同时监测多个 反应槽中的化学品浓度 测量化学品浓度的分析方法包括有近红外法 折射法 电容法和滴定法 近红外分析技术是对流体进行光吸收的检测 折射分析法是使用玻璃棱镜来得到 分光光谱 而电容分析法则是依靠相关化学品的电导率或电阻抗来进行测试 滴 定法是一种传统的组分分析方式 它利用了化学反应试剂来与溶液试样中的水发 生化学反应 并用电学方法来确定其化学反应的终点 经过对这些几种分析方法的研究 工程师们选择了由 CI Semi 公司 CI Systems 公司的一个分公司 生产的 WetSpec200 近红外 NIR 在线多 通道湿法工艺分析仪 该仪器是在一个光学流体单元中测量流体试样的近红外 NIR 吸收光谱 流体单元通过光纤连接到分析仪上 如图 2 所示 这些总长 可能达到 200 米的光纤将光传导入射到流体单元 随后再将经流体单元的透射 光通过光纤传回到一个光栅分光光度计上 吸收光谱采用一个光电二极管阵列来 进行测量 5 分析仪和流体单元被设计成为相互独立的子系统 这样可以方便地将它们 整合到硅片厂的数据收集网络中 或者整合到分析设备的闭环控制系统中 该分 析设备是一个自含控制功能的系统 因而它的运行不需要额外的电脑控制 该分 光光度计计包含有自动的内部校准 它能使仪器能保持良好的测量稳定性和可重 复性 化学品浓度可以根据 NIR 光谱的变化而得知 具体使用的是一种称之为 化 学计量 的软件方法 先要让软件 记住 一系列已知浓度溶液的测量数据 随后 软件会运用一定的算法将不同浓度下的光谱数据进行相互关联而获得一个 校准 模型 利用此模型就可以在线确定未知的溶液浓度 现场安装表明该模型适用于大多数进行湿法清洗和湿法腐蚀所用的化学溶 液 包括水基溶液如稀酸 即 SC1 SC2 DSP 含双氧水的研磨桨料以及其 它溶剂基的化学溶液 一个拥有专利权的光学多路器使得这个分析系统最多可以同时测量 8 个流 体单元 这样就大大提高了仪器的性价比 它可以同时测量每个流体单元中各种 化学品种类及其浓度 校准模型可以存储在仪器中 并且可以在用户的图形界面 上方便地进行修改 HF 的浓度的测量的浓度的测量 使用近红外 NIR 在线分析仪对多种工艺应用的 HF 反应槽进行了测试 采 集了超过 3 个月时间跨度的数据 流体单元安装在反应槽过滤器的出管上 通 过该管道可将流体再送回到反应槽内 这样就可对实际使用中化学品进行实时的 浓度测量 在线测量数据由分析仪进行收集后与不同 HF H2O 比率标准溶液的基线进 行了对比 图 4 显示了 NIR 在线分析仪实时测得的温度和 HF 百分比数据 图 中温度与浓度的周期性突变对应的是化学品所进行的定期更换 6 图 3 化学计量原理 a 校准相 b 测试相 图 4 HF 水溶液的 NIR 在线分析仪获得的数据 化学品的定期更换使温度和浓 度呈周期性的下降 图 5 NIR 在线分析系统和滴定分析系统对有机溶液中水浓度测量结果的对比 划圈区域表明了正常的滴定误差 还可以看到滴定数据的突变误差 7 化学溶剂含水量的测量化学溶剂含水量的测量 在溶剂分析方面 将 NIR 在线分析仪与一套传统滴定分析系统进行了对比 测试 每个系统都采集超过 30 天时间跨度的数据 NIR 在线分析系统是安装在 滴定系统所使用的 0 25 英寸不锈钢管上 对比测试结果证实新的 NIR 系统的分析能力完全可以和化学滴定法所获得 数据相媲美 两者之间有着良好的相关性 在线分析仪可以提供实时的测量数据 而滴定法则受到采样速率的限制只能每隔 30 分钟才能测量一次 在图 5 中可以看到 NIR 在线分析数据比滴定分析数据更为稳定 在图中划 圈部位的数据说明滴定分析系统的行为有时令人难以解释 滴定分析系统在几个 不同时间段内 最长达到 24 小时 会重复出现过高的分析数据 这些过高的分 析数据接着会在采样期间不正常地突然下降 以与 NIR 在线分析数据相匹配 NIR 在线分析系统在整个实验过程中有着良好的跟踪性 所提供的数据也更为 合理 结论结论 使用多通道的 NIR 固定光栅分光光度计来测量化学品浓度比通常的方法有 着很多的优势 这是一种在线的 实时的 精确的测量浓度的方法 它达到甚至 超过了化学滴定分析方法的精确度 与电导分析法不同 NIR 在线分析能够对 多组分溶液的浓度进行测量 相比于滴定分析法 NIR 在线分析可以持续地提 供实时的检测数据 它可以在闭环控制系统中应用 NIR 在线分析具有更高的 响应速度 不易受到溶液中气泡的干扰 相比于其它外置型 clip on 分析部件 它能提供更稳定和更可信的测试数据 在更高的速度下能具有更好的精确度 客 户可以根据所使用的湿法工艺设备和化学品的不同来对 NIR 测量软件进行自定 义 对于 HF 水溶液的分析 NIR 分析系统可以确保在进行生产硅片的湿法处理 时 反应槽中的酸溶液能