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引言

半导体设备消耗大量的水，其中大部分用于在清洗过程中冲洗晶圆。为了优化用水，需要对冲洗过程中对晶片清洁度进行实时和现场监测。然而，没有任何现有技术是实时的。本文提出了一种能够实时和现场测量晶片上残留污染的无源无线传感系统。

实验

此前，我们开发了一种微加工的电化学残留物传感器(ECRS)来监测晶片的清洁度。该传感器是一个微加工的电阻率传感器。它的特点是一个覆盖电极的介电层，这区别于传统的带有裸电极的微加工电阻率传感器。ECRS采用厚覆盖的电介质层，测量高纵横比微特征内流体的阻抗，以模拟图案晶片的清洁度，ECRS需要互补的电路来读取和分析。由于电线、连接器和电池不能在半导体制造过程中使用的清洁化学物质中存活下来，因此最好采用无线、无源（远程供电）和集成的监控系统。

在这项工作中，我们提出了一个原型系统，它扩展了RFID技术来读出ECRS数据，它允许实时、就位、被动和无线监测晶片的清洁度。这种新工具可能为新的冲洗配方提供低资源使用和显著节省成本的半导体设施。

图2 ECRS的冲洗轮廓和冲洗质量评价 

图2显示出了相应杂质的特征阻抗曲线，使用ECRS的浓度，当杂质浓度低于10–6mol/m2时，评估“晶圆清洁”阻抗高于200 k2。基于冲洗曲线，可以优化冲洗配方，并且可以分配定制的阈值阻抗以精确确定冲洗终点。

在我们的无线系统中的电阻调制，通过对ECRS的测量进行原位监测，而实时无线数据传输则由射频应答器电路实现。由于负载调制，产生调制信号并无线传输到主电感器，读取器接收的信号通过频谱分析或解调器解调以获得振荡频率。

系统的表征分两个阶段进行：ECRS表征和整个无线系统控制校准的无线系统表征，这种测量应该在一个良好隔离的环境中进行，这仍然是我们未来的工作。随着氯化钠浓度从190ppb增加到6ppm，阻抗从85.4变到44.5。校准曲线显示的测量不确定度小于0.3%。

用相同浓度范围内的氯化钠溶液进行了系统水平表征。该系统的工作距离约为5厘米。在实验中，两个电感器之间的距离设置为1cm。射频输入由一个13.56MHz的信号发生器提供，使用信号源分析仪测量振荡频率。

图8

600ppb氯化钠的检测信号的光谱如图所示8(b)。振荡频率为载波13.56MHz与第一个边带峰之间的频率差。调制开关由方波而不是纯余弦波控制，从而产生高阶谐波。在图中8(c)，当溶液浓度从190ppb到6ppm变化时，绘制测量的振荡频率。测量的不确定度在1%以内。

在我们的测量中，使用了信号源分析仪，其最小RBW为1.53Hz。在最小RBW下，检测信号从13.564425MHz到13.564525MHz(100Hz频带)进行分析。频率分辨率近似为0.4Hz，相当于浓度为190ppb时的浓度分辨率为20ppt。然而，具有高分辨率的代价是测量时间。为了包含测量时间和测量分辨率，我们在测量中使用了97.7Hz的RBW，其频率分辨率约为2kHz(浓度为190ppb时，浓度分辨率为0.4ppb)。

图9

该系统以12小时为间隔测量了几次，以测量其重现性。环境温度得到了很好的控制。测量结果如图所示9，这表明系统的重现性为1.5%。从这些测量结果中没有观察到明显的系统漂移。

结果

半导体工业消耗了大量的超纯水，用于冲洗晶圆。目前的方法无法在冲洗过程中提供实时和原位传感数据，以优化和减少用水量。我们提出了一个被动和无线化学传感系统原型，通过RFID和微加工技术实现水清洁度的实时和现场测量。所有必要的功率都由射频信号提供，而高精度传感数据则通过感应耦合进行无线传输。潜在的结果包括在半导体和MEMS设施中节省大量的水，从而实现环境友好型和成本效益高的生产。