【コラム】オンラインNIRSによる半導体ウェハ前処理プロセスの品質管理

半導体は、現代の電子製品の基本的な構成要素です。作業面の規模(ナノメートル)を考慮すると、半導体製造施設内では清浄度が極めて重要です。あらゆる種類の汚染物質が欠陥を引き起こす可能性があるため、製造業者は非常に厳格かつ精密な、高い再現性を備えた製造管理手順を導入しており、特に最も重要な製造工程の一つである、不純物除去と表面テクスチャリングのためのエッチングおよび洗浄浴によるウェハ表面処理の際にはその傾向が顕著です。本記事では、半導体製造業者がウェハ前処理工程に近赤外分光法(NIRS)を導入することで得られる、リアルタイム分析、100%のトレーサビリティ、最適な製品安全性、そして最大限のウェハキャリアスループットといった利点について取り上げます。

ウェットベンチへの2060 The NIR Analyzerの導入

半導体製造施設では、一般的なウェットベンチユニットは、特定の目的(化学エッチング、洗浄、すすぎなど)を持つ複数の個別浴槽で構成されています。これらの作業のために、各プロセスラインは異なる酸またはアルカリの混合物、あるいは様々な有機成分を必要とします。図1は、Metrohm Process Analyticsの2060 The NIR Analyzerで利用可能な複数の構成のうちの一つを用いた、ウェットベンチの典型的なセットアップを示しています。

この例には、エッチング浴であるHF Dip(特定のエッチングレートに基づく一定濃度のフッ化水素酸)、SC1(水中の水酸化アンモニウムと過酸化水素からなる標準洗浄処理)、SC2(水中の塩酸と過酸化水素からなる標準洗浄処理)、HotPhos(水中のリン酸)、およびその他(NIRSで監視されないすすぎ工程)が含まれます。 

化学薬品は、半導体ウェハの汚染を防止することを目的としたフィルターを内蔵したポンプを使用して循環されます。ウェハキャリアは、化学薬品の濃度に応じた一定時間、各浴槽に浸漬されます。キャリアには多くの非常に高価なウェハが保持されているため、あらゆる時点でのプロセス条件を正確に把握することが極めて重要です。リアルタイムプロセスモニタリングは、各浴槽の循環ラインに設置されたクランプオンフローセルセンサーを使用して行われます(図1)。

このリアルタイムモニタリングの結果は、測定パラメータが仕様から外れた場合に迅速な介入と制御を行うため、プロセス制御システム(PCS)内で利用可能です。

センサーは、中核となるインテリジェント評価ユニットである2060 The NIR Analyzerに接続されており、あらゆる関連品質パラメータを数秒で分析できる、迅速かつ信頼性の高い測定技術を提供します。このハイテクプロセスアナライザーは、ウェットベンチの浴槽組成のモニタリングに最適です:

• マルチプレクシングにより、ユーザーは1台のアナライザーで最大5つのプロセスストリームにおける様々なパラメータを測定可能
• プラグアンドプレイ機能により、シームレスな統合とより迅速な立ち上げを実現
• プローブとアナライザーに接続された高品質光ファイバーにより、ウェットベンチから離れた場所でも迅速かつ信頼性の高いデータ伝送が可能
• ウェットベンチユニット全体の結果モニタリングを5分以内に実施—すなわちリアルタイムプロセスモニタリングを意味する
• 必要に応じてPCSによりサンプルストリームの優先順位を決定し、測定頻度を高めるなど、インテリジェントなプロセス制御が可能

アクセスが困難なクリーンルームエリアなど、スペースが限られている場合、2060 The NIR-R Analyzer はクリーンルームエリア外に設置することができます。NIRキャビネットとサンプリングポイントとの間の距離は、低分散光ファイバーの使用により、数百メートルまで達成可能です。さらに、最大2つの異なるウェットベンチユニットを1台のヒューマンインターフェースでモニタリングおよび制御することができます。これは、スペースに余裕がなく分析コストを削減する必要がある場合に非常に有益であり、このセットアップは最大10のサンプリングポイントをモニタリング可能です(図3)。

重要なデータの利用可能性とプロセス条件モニタリングによる、製品およびプロセス安全性の向上

予知保全と重要データの利用可能性は、プロセス分析工学(PAT)について議論する際によく使われるフレーズです。実際の濃度測定に加えて、2060 The NIR Analyzerは、さらなる対応の条件として使用できる二次的なプロセス情報を提供します。例えば、測定されたプロセス温度に応じて、プロセスアナライザーは特定のNIR校正モデルを自動的に利用したり、望ましくない温度変化が発生した場合にDCS/PLC/Scadaへ警告を送信したりすることができます。しかしながら、製品およびプロセス安全性の向上とより優れたプロセス理解につながる、考慮すべき点は他にも数多くあります。これらには以下が含まれます:

• 自動化された内部機器校正と自己診断のためのトレーサブルな標準物質の使用
• 定められた間隔での、あるいは測定の妥当性を確認するための、自動化された機器校正とハードウェア性能テスト(ヘルスチェック)
• メンテナンス要件のステータス
• 濃度測定に加えて浴槽品質を確認するための追加のケモメトリックパラメータ(例:外れ値検出)
• 安定した条件と最高精度のための温度安定化スペクトロメーターの使用
• データの利用可能性を維持するための電源バッファと制御されたシャットダウンシーケンスの導入

プロセス分析工学(PAT)の利点について詳しくは、下記のブログシリーズをご覧ください。

自動化するべきか、しないべきか?PATの利点 – パート1

半導体業界における2060 The NIR Analyzerの一般的なアプリケーション

プラントメーカーは、各エンドカスタマーの仕様に合わせてウェットベンチをカスタマイズしており、Metrohm Process Analyticsも同様です。当社は、あらゆる組み合わせ、濃度、温度範囲における幅広い重要な化学パラメータに対応するアプリケーションを提供しており、まだ開発されていないものも含まれます。 

リアルタイムモニタリングによるプロセス信頼性と浴槽寿命の向上

ウェハ処理のフロントエンド製造ラインで一般的に使用される化学薬品が分かったところで、次の疑問が生じます: なぜこれらすべてのパラメータをリアルタイムでモニタリングすることが必須なのでしょうか?

図1を振り返ると、複数のウェハを含むキャリアは、様々なエッチング浴および洗浄浴に浸漬されます。これにより、化学薬品はウェハ表面と反応し、化学組成の恒久的な変化—主にエッチング/洗浄剤濃度の低下—をもたらします。非常に短時間のうちに、精密に調整されたエッチングレート(経時的なウェハ表面の摩耗であり、HF濃度と直接相関する)は厳格な仕様に合致しなくなり、ウェハのバッチ全体が不合格となってしまいます。浴槽の恒久的な更新を回避し、厳格な仕様下で再現性の非常に高いプロセスを確保するためには、適切に調整できるよう、HF濃度を常時把握しておく必要があります。 

図4は、アンモニア(NH₃)と過酸化水素(H₂O₂)からなるスタンダードクリーン1(SC1)浴槽についてNIRSで測定された濃度トレンドチャートを示しています。特定の濃度限界または時間限界に基づき、浴槽交換が実施されます。これら2つのパラメータを互いに独立してモニタリングすることが非常に重要です。

図4のトレンドチャートを詳しく見ると、NIRS測定がいかに正確かつ精密であるかが分かります。この例では、目標は、迅速かつ均一な混合のための再循環を最適化するために、SC1浴槽内のアンモニア投与量をモニタリングすることでした。各NH₃投与はピークとして検出され、その後5分以内に0.10 wt%未満のわずかな減少が続きます。わずかな濃度変化であっても分解能を得ることができます。2060 The NIR Analyzerの測定再現性は極めて優れています。これはアプリケーションに依存し、0.02 wt%未満までの化学濃度をモニタリングすることが可能です。最終的に、リアルタイムデータ分析によるウェハ浴槽内の非常に精密な化学薬品投与が実現可能です—真のプロセス最適化と制御です。2060 The NIR Analyzerは、浴槽寿命の延長、化学廃棄物の削減、そして高コストな製品損失(すなわち廃棄される半導体ウェハバッチ)の最小化により、その真価を発揮します。

まとめ

半導体製造施設における主要な目標の一つは、遅延や製品損失なしに、ウェットベンチにおけるウェハキャリアの最大限のスループットを達成することです—そうしなければ、重大な経済的影響が生じます。しかしながら、これらの製造プラントはすでに最大稼働率で稼働しており、1時間のダウンタイムごとに数十万ユーロもの損失につながります。

化学組成のリアルタイムモニタリングは、ウェットベンチの浴槽にとって必須です。Metrohm Process Analyticsの2060 The NIR Analyzerは、まさにこのような状況のために開発されたものであり、単なる濃度測定以上のはるかに多くのものをユーザーに提供します:

1. 半導体ウェハの洗浄・エッチング浴槽に対する、最大2つのウェットベンチ全体のリアルタイムモニタリング
2. 簡単な制御のための柔軟なソフトウェア—Intelligent Metrohm Process Analytics Control Technology(IMPACT)—1台のプロセスアナライザーによる並行分析が可能
3. ほぼあらゆる化学組成とエンドユーザー要件に対応するプラグアンドプレイオプション

お役立ち情報

標準洗浄浴槽における品質パラメータのモニタリング – インライン分析によるアンモニウムヒドロキシド、過酸化水素、塩酸の同時測定

ブローシャー: 2060 The NIR Analyzer

ブローシャー: NIRSプロセスアナライザー用サンプリングソリューション

ブローシャー: Intelligent Metrohm Process Analytics Control Technology「IMPACT」ソフトウェア