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引言
半導(dǎo)體設(shè)備消耗大量的水，其中大部分用于在清洗過程中沖洗晶圓。為了優(yōu)化用水，需要對(duì)沖洗過程中對(duì)晶片清潔度進(jìn)行實(shí)時(shí)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。然而，沒有任何現(xiàn)有技術(shù)是實(shí)時(shí)的。本文提出了一種能夠?qū)崟r(shí)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量晶片上殘留污染的無源無線傳感系統(tǒng)。
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實(shí)驗(yàn)
此前，我們開發(fā)了一種微加工的電化學(xué)殘留物傳感器(ECRS)來監(jiān)測(cè)晶片的清潔度。該傳感器是一個(gè)微加工的電阻率傳感器。它的特點(diǎn)是一個(gè)覆蓋電極的介電層，這區(qū)別于傳統(tǒng)的帶有裸電極的微加工電阻率傳感器。ECRS采用厚覆蓋的電介質(zhì)層，測(cè)量高縱橫比微特征內(nèi)流體的阻抗，以模擬圖案晶片的清潔度，ECRS需要互補(bǔ)的電路來讀取和分析。由于電線、連接器和電池不能在半導(dǎo)體制造過程中使用的清潔化學(xué)物質(zhì)中存活下來，因此最好采用無線、無源（遠(yuǎn)程供電）和集成的監(jiān)控系統(tǒng)。
在這項(xiàng)工作中，我們提出了一個(gè)原型系統(tǒng)，它擴(kuò)展了RFID技術(shù)來讀出ECRS數(shù)據(jù)，它允許實(shí)時(shí)、就位、被動(dòng)和無線監(jiān)測(cè)晶片的清潔度。這種新工具可能為新的沖洗配方提供低資源使用和顯著節(jié)省成本的半導(dǎo)體設(shè)施。
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圖2?ECRS的沖洗輪廓和沖洗質(zhì)量評(píng)價(jià)?
圖2顯示出了相應(yīng)雜質(zhì)的特征阻抗曲線，使用ECRS的濃度，當(dāng)雜質(zhì)濃度低于10–6mol/m2時(shí)，評(píng)估“晶圓清潔”阻抗高于200 k2?；跊_洗曲線，可以優(yōu)化沖洗配方，并且可以分配定制的閾值阻抗以精確確定沖洗終點(diǎn)。
在我們的無線系統(tǒng)中的電阻調(diào)制，通過對(duì)ECRS的測(cè)量進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，而實(shí)時(shí)無線數(shù)據(jù)傳輸則由射頻應(yīng)答器電路實(shí)現(xiàn)。由于負(fù)載調(diào)制，產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)并無線傳輸?shù)街麟姼衅?/span>，讀取器接收的信號(hào)通過頻譜分析或解調(diào)器解調(diào)以獲得振蕩頻率。
系統(tǒng)的表征分兩個(gè)階段進(jìn)行：ECRS表征和整個(gè)無線系統(tǒng)控制校準(zhǔn)的無線系統(tǒng)表征，這種測(cè)量應(yīng)該在一個(gè)良好隔離的環(huán)境中進(jìn)行，這仍然是我們未來的工作。隨著氯化鈉濃度從190ppb增加到6ppm，阻抗從85.4變到44.5。校準(zhǔn)曲線顯示的測(cè)量不確定度小于0.3%。
用相同濃度范圍內(nèi)的氯化鈉溶液進(jìn)行了系統(tǒng)水平表征。該系統(tǒng)的工作距離約為5厘米。在實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)電感器之間的距離設(shè)置為1cm。射頻輸入由一個(gè)13.56MHz的信號(hào)發(fā)生器提供，使用信號(hào)源分析儀測(cè)量振蕩頻率。
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圖8
600ppb氯化鈉的檢測(cè)信號(hào)的光譜如圖所示8(b)。振蕩頻率為載波13.56MHz與第一個(gè)邊帶峰之間的頻率差。調(diào)制開關(guān)由方波而不是純余弦波控制，從而產(chǎn)生高階諧波。在圖中8(c)，當(dāng)溶液濃度從190ppb到6ppm變化時(shí)，繪制測(cè)量的振蕩頻率。測(cè)量的不確定度在1%以內(nèi)。
在我們的測(cè)量中，使用了信號(hào)源分析儀，其最小RBW為1.53Hz。在最小RBW下，檢測(cè)信號(hào)從13.564425MHz到13.564525MHz(100Hz頻帶)進(jìn)行分析。頻率分辨率近似為0.4Hz，相當(dāng)于濃度為190ppb時(shí)的濃度分辨率為20ppt。然而，具有高分辨率的代價(jià)是測(cè)量時(shí)間。為了包含測(cè)量時(shí)間和測(cè)量分辨率，我們?cè)跍y(cè)量中使用了97.7Hz的RBW，其頻率分辨率約為2kHz(濃度為190ppb時(shí)，濃度分辨率為0.4ppb)。
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圖9
該系統(tǒng)以12小時(shí)為間隔測(cè)量了幾次，以測(cè)量其重現(xiàn)性。環(huán)境溫度得到了很好的控制。測(cè)量結(jié)果如圖所示9，這表明系統(tǒng)的重現(xiàn)性為1.5%。從這些測(cè)量結(jié)果中沒有觀察到明顯的系統(tǒng)漂移。
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結(jié)果
半導(dǎo)體工業(yè)消耗了大量的超純水，用于沖洗晶圓。目前的方法無法在沖洗過程中提供實(shí)時(shí)和原位傳感數(shù)據(jù)，以優(yōu)化和減少用水量。我們提出了一個(gè)被動(dòng)和無線化學(xué)傳感系統(tǒng)原型，通過RFID和微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)水清潔度的實(shí)時(shí)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。所有必要的功率都由射頻信號(hào)提供，而高精度傳感數(shù)據(jù)則通過感應(yīng)耦合進(jìn)行無線傳輸。潛在的結(jié)果包括在半導(dǎo)體和MEMS設(shè)施中節(jié)省大量的水，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型和成本效益高的生產(chǎn)。