清洗液: SC1, SC2, DHF, BOE, SPM
高品質、高產出、低成本是半導體生產行業所追尋的終極目標。生產流程的嚴格控測是實現該目標的必要條件，清洗生產流程中化學組份濃度監測是該目標實現的根本。
傅立葉變換紅外（FTIR）光譜儀是清洗生產流程監測的理想分析技術，并已得到廣泛應用。在清洗化學領域，該技術能提供快速、準確的、很高的重復性。
在FTIR技術方領域，ABB一直是全球的領先者。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其所研發的清洗流程分析儀（WPA）是一項基于FTIR技術的方案，能夠滿足半導體生產行業的嚴格要求。
WPA是一種專為清洗流程在線、實時監控而設計的分析設備。該設備可對半導體生產流程的清洗、蝕刻、去光膠液過程中所采用的各種要求極為嚴格的溶液濃度進行監測，同時，一臺WPA分析儀可監測多達八種不同的流路。
本文對采用SC1, SC2, DHF, BOE 和 SPM化學組份的清洗流程優化問題進行重點探討。通過案例分析對WPA應用進行說明。
分析技術
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形成的主要機理。
ABB WPA分析儀利用FT-NIR光譜儀的優勢，并結合非介入型的Teflon ClippIR+專利技術對溶液進行實時監測。
WPA分析儀利用光纖傳導將來自光譜儀的NIR光傳送至監測點。該配置可將分析儀主機安裝在任何一般環境中，可與有害物質和環境相隔離，因此大大降低了濕法環境因素干擾。
采用NIR技術的檢測限主要取決于欲監測的化學組份的光譜性能。在液體狀態下，可檢測物質的濃度可低達100ppm (0.01%)，這取決于化學組份構成。
系統說明
1 系統配置
WPA分析儀將FTIR光譜儀與特氟龍ClippIR+相結合可實現非介入式的監測功能。光譜儀包括一個多探頭模塊，該模塊可產生光波，足以同時照亮八路不同的監測點。通過光纜，每個監測點皆可在百米之外與分析儀相連。與機械多路切換儀器相比，該設計具有極高的重復性優點。圖2說明了一種系統配置，包括有五個探頭和三個預留空位。
2 取樣方法
ClippIR+ 專利技術 (見圖 3) 可通過現有的特氟龍管道實現在線、實時監測。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備。每ClippIR+ 僅可鉗至當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量，每個流路（一個ClippIR+監測一種溶液）的測量時間為51秒（相當于掃描精度為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。安裝位置管體應無氣泡，以確保分析效能。當溫差控制在±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，專為過程監測與控制而設計。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組份濃度進行實時監測。如圖4所示，化學組份濃度及變化趨勢皆可實時顯示。
圖4 FTSW100 測量面板 六種液流監測: 兩種 SC1 , 兩種 SC2，和兩種 DHF
該分析儀可與DCS或PLC相連，實現過程自動化。控制系統的輸入/輸出（I/O）數據交換完全支持如下通訊協議：
n OPC 以太網連接
n ModBus 串口 (RS232-RS485)
n CanOpen 離散型 I/O 模塊(4-20mA)
圖2 系統配置
圖3. ClippIR+
實例分析結果
本實例所述清洗機臺配備有多功能自動操作系統，可向盒體自動加載硅片，然后再從化學溶液池中移出。
該機臺為一個50-晶片，其模塊化配置（化學步驟、濃度、溫度）匯總如下：
1. SPM/QDR
2. BOE/OFR (不用于 RCA 流程)
3. DHF/OFR
4. SC1/QDR
5. SC2/QDR
6. IPA (該應用說明中未加考慮)
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.
所有清洗皆應預設時間（OFR）或傾倒/補充時間周期（QDR）。所有化學清洗液須定期更換，洗液配方在該應用說明稱為DU_RCA_NINE，其為一種典型的濃縮型化學清洗配方，可完成40 Å蝕刻。清洗槽傾倒頻率為24小時（SPM, BOE 和 DHF），SC1 和SC2為12小時。
化學用品及年度總成本見表2（以100%滿負荷計）。
化學計算過程均依據百分之百工時計，無閑置期，即每日近96次。表1說明了每加倫的化學用品價格。
表1 化學用品價格
表1 化學用品成本
化學用品及年度總成本見表2（以100%滿負荷計）。
表2 化學用品計算(100% 工時，滿負荷 – 無閑置期: 96次/日)
年度化學用品支出 = $ 267,629
1 資料來源: 《半導體雜志》2000
清洗槽化學組份在線監測具有如下優勢：提高過程質量；向清洗站控制人員提供濃度數值；延長清洗槽使用壽命（通過檢測用戶預定濃度域值或定期更換清洗液）。
當前，延長化學清洗槽的壽命是所有生產設備維護的共同目標，其目的就是要在全球市場上保持競爭優勢。減少化學用品消耗，節省成本極易實現，從而大大影響了所有清洗站的資產成本（CoO）。
本案例詳細說明了清洗槽延長壽命的過程，通過采用化學監測和良好的控制策略，壽命可從幾個小時延長到幾天。依據流程配方，可減少化學用品成本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組份、組份濃度范圍、操作溫度、復用性等相結合。
表3 RCA 清洗步驟（WPA操作范圍及重復性）
嚴格控制化學組份濃度，優化生產效益。事實上，臨界晶片生產流程，如：RCA過程，需要精心控制，以確保全面高效生產。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濃度的監測有助于生產技術人員對溶液的預設參數加以控制。當達到預設濃度域值時，WPA將向清洗站控制中心發出告警信息或信號。在這種情況下，清洗液監測的復用性效益就成為了確保流程穩定性和可靠性的關鍵。
WPA具有極高的重復性。RCA流程中的典型分析效益數據可見表3。表中所列數據經常得以優化，以提高流程效益，正像表5所示，BOE清洗槽中的HF和NHF4的重復性可降至0.1%以下。對于HF監測，目標濃度為5wt%，而WPA可遵循該標準，如果相對重復性為0.6%，它可將絕對重復性復性標準降到0.03%。對于氟化銨，目標濃度應為35.5wt%，若相對重復性為0.2%，絕對重復性可降低0.07%
通常情況下，若對清洗槽不加控制，化學組份控制不當，或只按液流速度對操作步驟進行組合，或關閉液體泵或出現泵體的阻塞等，都會影響生產過程，有了高效率的分析設備后就可以使這種影響降至最低。
圖5. 實際重復性 (1 δ) WPA監測100分鐘后，所測出的 BOE 中的 HF (0.03 wt%) 及 NH4F (0.07 wt%)值
影響WPA效率的其中一個主要參數就是過程溫度的穩定性。比如，DHF過程中溫度誤差應為±5°C，監測重復性為 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，其重復性可達到80ppm。
圖6 顯示出對SC1、SC2連續監測過程。生產周期及清洗槽溶液更換得到了WPA的有效監測。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監測報告趨勢。
在所展示的SC1流程中，當過氧化氫未在整個生產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下降。
WPA分析儀允許對SC1溶液濃度的主要影響組份進行確定，并確定濃度域值（如：最低NH4OH濃度），依據預先設定的濃度對整個清洗槽進行控制。在這里所介紹的一個實例中，當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做出相應更改。
SC2過程分析表明，當鹽酸溶液濃度在某一單一生產周期中保持恒定時，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行定期設定，并采用清洗槽監測措施，以確保安全。比如，當H2O2 溶液濃度重復低于1.00時，系統將顯示報警信息。
WPA的兩種操作方法可以加強對化學用品的管理工作，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可以降低化學用品消耗量，確保清洗流程的質量和高產出，在降低成本，提高生產效益的同時加強整體競爭力。
ABB WPA具有極高的穩定性和復用性。生產技術人員可借助于WPA效能，依據其所提供的溶液濃度值，對生產流程進行調整，提高生產效率。根據靜態溶液的十次連續測量值得出標準偏差，然后計算出重復性。比如，BOE過程中重復性，其中HF的濃度須保持在4.9%和5.1%之間，并嚴格控制重復性在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，重復性需控制在至少0.1%。
圖6a WPA 監測下的 SC1 生產監測
圖6b WPA 監測下的 SC2 生產監測
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。圖7所示對SC1清洗槽（溫度60°C）的監測情況，其中采用了一定時間內連續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測，采用了連續增加NH4OH濃度的方法。通過WPA監測，增加氫氧化銨劑量，在十五分鐘內，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，所以NH4OH的重復性通常情況下要比過氧化氫好。
在SC1中，主要過程控制參數為氫氧化銨。WPA可監測氨水的濃度變化，在達到峰值后，可將濃度值反饋給操作人員。由于在線，實時取樣和響應時間短，另外還能夠提供嚴格過程控制所需的重復性，所以WPA可很好地監測和控制該種化學組份。
WPA分析設備可提高化學溶液濃度監測領域的分析能力，并將該數值以信號形式傳輸給清洗站，啟動域值濃度峰值功能，或通過預設I/O對溶液進行更換。
依據Fab的高級過程控制標準（APC）控制型清洗過程的連續化學組份監測要求具有精確性、重復性以及快速監測功能。
WPA可與清洗站進行方便整合，有利于對SC1, SC2, BOE, DHF 及 SPM 的管理，延長清洗槽壽命，減少環境化學廢物排放，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 清洗槽中的化學組份濃度進行分析。與其它紅外分析儀相比，WPA的獨特設計降低了五種因素的影響。
結論
WPA是一種可靠的，高重復性的分析設備。可配備1-8個非介入型ClippIR+, 可實現與現有生產線的快速整合，對生產流程絕無污染。
WPA對于過程優化極具價值。在預設濃度域值范圍之內，確保化學組份濃度恒定，防止晶片受到其它化學溶液的侵蝕。同時，還可提高處理倉循環利用能力，以及溶液組配及預組配過程中對溶液濃度的控制能力。
另外，帶有ClippIR+的WPA設備的投資回報率高，見效快。終端用戶可節省化學用品，降低廢液排放。WPA對于清洗設備具有極高的附加值，可提高產出能力，降低運營成本，使得清洗過程更加安全、可靠。
