ABB WPA分析仪在半导体湿法过程监测的应用

　　清洗液: SC1, SC2, DHF, BOE, SPM　　

　　高品质、高产出、低成本是半导体生产行业所追寻的终极目标。生产流程的严格控测是实现该目标的必要条件，清洗生产流程中化学组份浓度监测是该目标实现的根本。

　　傅立叶变换红外（FTIR）光谱仪是清洗生产流程监测的理想分析技术，并已得到广泛应用。在清洗化学领域，该技术能提供快速、准确的、很高的重复性。

　　在FTIR技术方领域，ABB一直是全球的领先者。在过去的三十多年里，ABB一直致力于FTIR分析仪的研究与开发其所研发的清洗流程分析仪（WPA）是一项基于FTIR技术的方案，能够满足半导体生产行业的严格要求。

　　WPA是一种专为清洗流程在线、实时监控而设计的分析设备。该设备可对半导体生产流程的清洗、蚀刻、去光胶液过程中所采用的各种要求极为严格的溶液浓度进行监测，同时，一台WPA分析仪可监测多达八种不同的流路。

　　本文对采用SC1, SC2, DHF, BOE 和 SPM化学组份的清洗流程优化问题进行重点探讨。通过案例分析对WPA应用进行说明。

　　分析技术

　　电磁光谱的近红外（NIR）部分介于中外红（MIR）与可见光（VIS）之间。氢原子的基频与合频组合作用是该光谱区形成的主要机理。

　　ABB WPA分析仪利用FT-NIR光谱仪的优势，并结合非介入型的Teflon ClippIR 专利技术对溶液进行实时监测。

　　WPA分析仪利用光纤传导将来自光谱仪的NIR光传送至监测点。该配置可将分析仪主机安装在任何一般环境中，可与有害物质和环境相隔离，因此大大降低了湿法环境因素干扰。

　　采用NIR技术的检测限主要取决于欲监测的化学组份的光谱性能。在液体状态下，可检测物质的浓度可低达100ppm (0.01%)，这取决于化学组份构成。

　　系统说明　

　　1 系统配置

　　WPA分析仪将FTIR光谱仪与特氟龙ClippIR 相结合可实现非介入式的监测功能。光谱仪包括一个多探头模块，该模块可产生光波，足以同时照亮八路不同的监测点。通过光缆，每个监测点皆可在百米之外与分析仪相连。与机械多路切换仪器相比，该设计具有极高的重复性优点。图2说明了一种系统配置，包括有五个探头和三个预留空位。

　　2 取样方法

　　ClippIR  专利技术 (见图 3) 可通过现有的特氟龙管道实现在线、实时监测。安装方便快捷，且不需要管道跨接合重新建造或安装冷却设备。每ClippIR  仅可钳至当前特氟龙管道的外表。来自光谱仪的NIR光可通过特氟龙管道传输，然后返回至光谱仪的八个检测器的其中一个检测器上。 　

　　若不考虑每种流路组份数量，每个流路（一个ClippIR 监测一种溶液）的测量时间为51秒（相当于扫描精度为16 cm-1 的128个扫描谱图）

　　3 安装

　　ClippIR 可安装在直径为1⁄2 — 3⁄4 英寸的特氟龙管道上。安装位置管体应无气泡，以确保分析效能。当温差控制在�5�C时，其测量精度最佳。该ClippIR 亦可测量200�C溶液。

　　过程控制软件

　　ABB WPA分析仪具有FTSW 100 过程控制软件，专为过程监测与控制而设计。该软件具有较高的灵活性，可对清洗、蚀刻、剥离溶液中的每种化学组份浓度进行实时监测。如图4所示，化学组份浓度及变化趋势皆可实时显示。

图4 FTSW100 测量面板 六种液流监测: 两种 SC1 , 两种 SC2，和两种 DHF

　　该分析仪可与DCS或PLC相连，实现过程自动化。控制系统的输入/输出（I/O）数据交换完全支持如下通讯协议：

n OPC 以太网连接 n ModBus 串口 (RS232-RS485) n CanOpen 离散型 I/O 模块(4-20mA)

图2 系统配置

图3. ClippIR

　　实例分析结果 　　本实例所述清洗机台配备有多功能自动操作系统，可向盒体自动加载硅片，然后再从化学溶液池中移出。 该机台为一个50-晶片，其模块化配置（化学步骤、浓度、温度）汇总如下：

　　1. SPM/QDR 　　2. BOE/OFR (不用于 RCA 流程) 　　3. DHF/OFR 　　4. SC1/QDR 　　5. SC2/QDR 　　6. IPA (该应用说明中未加考虑)

　　其中: SPM: H2SO4/H2O2/O3 温度为120�C, QDR- 倾倒清洗, BOE: NH4F/HF – 不使用, OFR – 溢流清洗, DHF - 100:1 = HF: H2O温度 22�C, SC1 - 5:1:1 = H2O: NH4OH: H2O2 温度50�C, SC2 - 5:1:1 = H2O:HCl: H2O2 温度 50�C, IPA- 异丙醇.

　　所有清洗皆应预设时间（OFR）或倾倒/补充时间周期（QDR）。所有化学清洗液须定期更换，洗液配方在该应用说明称为DU_RCA_NINE，其为一种典型的浓缩型化学清洗配方，可完成40 �蚀刻。清洗槽倾倒频率为24小时（SPM, BOE 和 DHF），SC1 和SC2为12小时。

　　化学用品及年度总成本见表2（以100%满负荷计）。

　　化学计算过程均依据百分之百工时计，无闲置期，即每日近96次。表1说明了每加伦的化学用品价格。

　　表1 化学用品价格

表1 化学用品成本

　　化学用品及年度总成本见表2（以100%满负荷计）。

　　表2 化学用品计算(100% 工时，满负荷 – 无闲置期: 96次/日)

　　年度化学用品支出 = $ 267,629

　　1 资料来源: 《半导体杂志》2000