Quá trình ăn mòn trong sản xuất bán dẫn có tác dụng loại bỏ các lớp kim loại không mong muốn khỏi bề mặt tấm nền wafer bằng phương pháp hóa học. Ăn mòn là một quá trình cực kỳ quan trọng, và mỗi tấm nền wafer phải trải qua nhiều công ăn mòn trước khi hoàn tất. Để đảm bảo quá trình ăn mòn đạt hiệu quả tối ưu, các biện pháp kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt phải được thực hiện nhằm xác định nồng độ dung dịch các acid ăn mòn trong hỗn hợp. Tùy thuộc vào tấm nền wafer và công đoạn ăn mòn, các dung dịch SPM (gồm sulfuric acid và hydrogen peroxide, còn gọi là dung dịch piranha), DSP (gồm sulfuric acid và hydrogen peroxide loãng), hoặc DSP+ (gồm sulfuric acid, hydrogen peroxide và hydrofluoric acid loãng) thường được sử dụng làm dung dịch ăn mòn. Duy trì cân bằng chính xác nồng độ acid trong các hỗn hợp này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa tốc độ ăn mòn, độ chọn lọc và tính đồng đều của quá trình ăn mòn.

Ứng Dụng này trình bày phương pháp để đo trực tuyến sulfuric acid và hydrogen peroxide trong dung dịch SPM và DSP sử dụng kĩ thuật Raman trên thiết bị Phân Tích Online PTRam từ Metrohm Process Analytics.

Trong công nghiệp bán dẫn, có hai loại quá trình ăn mòn được sử dụng: ăn mòn ướt và ăn mòn khô. Ăn mòn khô sử dụng các khí phản ứng (ví dụ: plasma) để loại bỏ các phần không mong muốn của vật liệu bán dẫn. Ăn mòn ướt là quá trình loại bỏ chọn lọc vật liệu từ tấm nền sử dụng dung dịch hóa chất. Các quá trình này được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như điện tử, bán dẫn và gia công kim loại.

Các quá trình ăn mòn ướt và khô được áp dụng dựa trên yêu cầu đặc thù của thiết bị đang được sản xuất. Tuy nhiên, trong sản xuất bán dẫn, quá trình ăn mòn ướt được sử dụng phổ biến hơn quá trình ăn mòn khô, đặc biệt khi loại bỏ lượng lớn vật liệu wafer và dễ thao tác [1].

Phụ thuộc vào loại vật liệu hoặc lớp vật liệu muốn loại bỏ và kết quả mong muốn, nhiều loại bể hóa chất khác nhau được sử dụng trong quá trình ăn mòn ướt của sản xuất bán dẫn. Hỗn hợp sulfuric acid và hydrogen peroxide, còn gọi là dung dịch piranha (SPM), và hỗn hợp sulfuricacid - hydrogen peroxide loãng (DSP) thường được sử dụng để sản xuất tấm nền silicon [2].

Quá trình ăn mòn ướt hiệu quả chỉ khi nồng độ các thành phần trong bể được kiểm soát nghiêm ngặt. Định lượng nồng độ các acid trong bể ăn mòn đóng vai trò quan trọng chi phối đến hiệu quả của quá trình ăn mòn.

Cả SPM và DSP đều là những dung dịch độc hại tiềm ẩn nguy hiểm và phải được thao tác cẩn thận. Khi làm việc với các hóa chất này, cần trang bị bảo hộ cá nhân phù hợp (PPE), và tất cả chất thải phải được xử lí theo quy định địa phương. Điều này đòi hỏi phân tích trực tuyến để giảm thiểu tiếp xúc trực tiếp càng nhiều càng tốt và hạn chế tai nạn.

Bên cạnh những nguy hiểm đã đề cập, việc lấy mẫu thủ công từ các bể ăn mòn thiếu chuyên nghiệp vì hạn chế về thời gian, khả năng sai số và gián đoạn sản xuất. Lấy mẫu thủ công không đúng độ sâu và vị trí, độ đồng nhất, có khả năng cung cấp dữ liệu không chính xác về trạng thái thực tế của bể. Để kiểm soát quá trình theo thời gian thực, giảm gián đoạn vận hành, tăng cường an toàn và thu nhận dữ liệu chính xác, đại diện hơn, cần một giải pháp hoàn chỉnh hơn.

Phương pháp an toàn, hiệu quả và nhanh hơn nhằm giám sát nhiều thông số đồng thời trong các bể acid là phân tích online không sử dụng thuốc thử với kĩ thuật quang phổ Raman. Thiết bị Phân Tích Online PTRam từ Metrohm Process Analytics (Hình 1) là giải pháp lý tưởng cho tình huống đầy thách thức này. Thiết bị phân tích Raman này cho phép so sánh dữ liệu quang phổ «theo thời gian thực» từ quá trình với phương pháp tham chiếu (ví dụ: chuẩn độ, sắc ký ion) để tạo ra đường hiệu chuẩn đơn giản cho tất cả các thành phần trong bồn ăn mòn.

Không gian để lắp đặt hệ thống phân tích trong khu vực wet bench là rất hạn chế (Hình 2a). Do đó, thiết bị PTRam là giải pháp lý tưởng cho không gian hạn chế nhờ có kích thước nhỏ gọn. Nhờ phần mềm IMPACT được tích hợp sẵn và các giao thức truyền thông công nghiệp đa dạng, kết quả được truyền cùng định dạng đến bất kỳ Hệ thống Điều khiển Phân tán (DCS), Bộ Điều khiển Logic Lập trình (PLC) hoặc Hệ thống Giám sát và Thu thập Dữ liệu (SCADA) để thực hiện các tác vụ tiếp theo (ví dụ: điều chỉnh liều lượng hóa chất).

• Sản xuất an toàn hơn nhờ giám sát theo thời gian thực và không làm nhân viên tiếp xúc với các hóa chất (ví dụ: H₂SO₄).
• Làm sạch wafer hiệu quả nhờ việc giám sát liên tục các bể xử lý.
• Tăng năng suất sản phẩm, tính tái lập, tốc độ sản xuất và lợi nhuận (giảm lượng wafer bị loại bỏ).