來(lái)源：《半導(dǎo)體芯科技》雜志

作者：賽默飛世爾科技公司（Thermo Fisher Scientific）

各種氣體的受控使用是半導(dǎo)體芯片制造的一個(gè)重要方面，有助于確保高質(zhì)量的最終產(chǎn)品。工作流程中任何階段（包括氣體輸送過(guò)程）的污染，都可能產(chǎn)生重大且令人費(fèi)解的影響，這意味著即使是最小濃度的雜質(zhì)，也需要在氣體進(jìn)入制造過(guò)程之前進(jìn)行檢測(cè)和去除。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在監(jiān)測(cè)和控制超高純（UHP, ultra-high purity）氣體供應(yīng)的技術(shù)已經(jīng)取得了進(jìn)步，包括大氣壓電離質(zhì)譜（API-MS, atmospheric pressure ionization mass spectrometry）技術(shù)，它可以檢測(cè)低至萬(wàn)億分之10（ppt）的雜質(zhì)。

模式變化加速市場(chǎng)增長(zhǎng)。近年來(lái)，全球半導(dǎo)體市場(chǎng)經(jīng)歷了創(chuàng)紀(jì)錄的增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2028年其規(guī)模將擴(kuò)大到近8030億美元。這一進(jìn)步主要?dú)w功于全球?qū)﹄娮悠骷男枨蟛粩嘣鲩L(zhǎng)，以及COVID-19大流行導(dǎo)致的生活方式變化，這揭示了遠(yuǎn)程工作和遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)所需的網(wǎng)絡(luò)和通信解決方案的重要性。半導(dǎo)體是越來(lái)越多的產(chǎn)品清單的核心，人們認(rèn)為這些產(chǎn)品對(duì)于豐富客戶(hù)的生活和幫助企業(yè)更智能、更高效地運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。這種持續(xù)創(chuàng)新，加上物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和云計(jì)算等新技術(shù)的出現(xiàn)，是市場(chǎng)最重要的驅(qū)動(dòng)力。

01通過(guò)UHP氣體供應(yīng)滿(mǎn)足需求

制造商不得不大幅提高芯片產(chǎn)量，以應(yīng)對(duì)對(duì)高質(zhì)量半導(dǎo)體的需求增加。由于硅晶圓制造需要各種電子特種氣體（ESG, electronic specialty gas），包括氮?dú)?、氬氣、氫氣和氦氣，因此，?duì)UHP氣體和化學(xué)品的需求也有所增加。ESG由專(zhuān)業(yè)的氣體和化學(xué)公司生產(chǎn)，供應(yīng)給半導(dǎo)體制造商，在整個(gè)工廠(chǎng)內(nèi)通過(guò)管道大量輸送。在制造過(guò)程的各個(gè)階段都需要這些氣體，以幫助在晶圓上形成所需的表面特征。例如，3DNAND制造需要80,000至100,000Nm3/h且純度為99.999%的氮?dú)狻?/p>

02晶圓化學(xué)污染的后果

在最近的疫情大流行期間，半導(dǎo)體生產(chǎn)突然停止，并導(dǎo)致汽車(chē)和高科技行業(yè)的芯片供應(yīng)出現(xiàn)明顯短缺。這破壞了企業(yè)的順利運(yùn)行，并促使加快生產(chǎn)能力提升的速度。然而，生產(chǎn)率的提高也增加了晶圓在制造過(guò)程中發(fā)生化學(xué)污染的機(jī)會(huì)，這可能導(dǎo)致器件加工能力和性能的下降。這個(gè)問(wèn)題的根源可能是生產(chǎn)過(guò)程中使用的氣體供應(yīng)，其中可能存在未檢測(cè)到的痕量污染物。這些污染物可能會(huì)通過(guò)微孔穿透晶圓表面，并被吸收到各層材料的表面進(jìn)而影響其性能，從而導(dǎo)致缺陷和可靠性問(wèn)題。例如，碳?xì)浠衔锏扔袡C(jī)污染物會(huì)破壞柵極氧化物的可靠性，并對(duì)薄氮化硅層的厚度重復(fù)性產(chǎn)生負(fù)面影響。

制造過(guò)程的事故或技術(shù)難題通常只是隨之而來(lái)的眾多后續(xù)后果的開(kāi)始。晶圓缺陷有時(shí)在進(jìn)入市場(chǎng)之前會(huì)被忽視，從而給半導(dǎo)體公司帶來(lái)意想不到的成本。這也可能導(dǎo)致這些公司的聲譽(yù)受損、賠償索賠和未來(lái)收入損失。即使有缺陷的產(chǎn)品被發(fā)現(xiàn)并且沒(méi)有進(jìn)入市場(chǎng)，生產(chǎn)過(guò)程中的氣體污染仍然會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)浪費(fèi)增加、生產(chǎn)線(xiàn)停工和供應(yīng)延遲。兩家市場(chǎng)領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司在2019年經(jīng)歷了這樣的事件，由于制造污染，不得不報(bào)廢大量晶圓，導(dǎo)致數(shù)百萬(wàn)至數(shù)十億美元的收入損失。這使得人們呼吁采取更嚴(yán)格的程序和質(zhì)量控制措施，以確保將合規(guī)的UHP氣體輸送到生產(chǎn)線(xiàn)。

03分析氣體以確定純度

UHP氣體通常被輸送到半導(dǎo)體制造現(xiàn)場(chǎng)的地下室或底層存儲(chǔ)位置，在那里分析它們的痕量雜質(zhì)，然后通過(guò)管道輸送到整個(gè)工廠(chǎng)。在半導(dǎo)體生產(chǎn)質(zhì)量保證和質(zhì)量控制方面，連續(xù)質(zhì)量控制系統(tǒng)確保這些氣體符合所需的純度規(guī)格。傳統(tǒng)上，這是通過(guò)在線(xiàn)氣相色譜、熱解吸或電感耦合等離子體分析完成的，這些方法檢測(cè)限在100到500ppt之間，取決于所用的儀器精度。然而，在半導(dǎo)體這樣一個(gè)氣體純度至關(guān)重要的激烈競(jìng)爭(zhēng)行業(yè)中，人們意識(shí)到這些方法不再夠用，因此這些方法最近被API-MS（大氣壓電離質(zhì)譜）所取代，API-MS允許檢測(cè)低至10ppt的痕量雜質(zhì)。

API-MS已成為一種有吸引力的可用技術(shù)，因?yàn)閱蝹€(gè)或多個(gè)UHP氣體管線(xiàn)與API-MS耦合，可進(jìn)行即時(shí)和連續(xù)的分析。API-MS涉及在保持大氣壓的反應(yīng)室中對(duì)氣體進(jìn)行電離，然后通過(guò)質(zhì)量分析儀檢測(cè)正離子或負(fù)離子。進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將樣品氣體泵入儀器的反應(yīng)室，從而最大限度地提高電離體積并減少背景干擾以提高性能。這種設(shè)置允許識(shí)別低至10-50ppt的雜質(zhì)——遠(yuǎn)低于規(guī)定的極限值，從而確保氣體適用于高質(zhì)量半導(dǎo)體制造的各種工作流程。與色譜不同，API-MS還具有很好的靈活性，允許測(cè)量更廣泛的雜質(zhì)，包括水分、氧氣、二氧化碳、一氧化碳和甲烷。

04用于超凈氣體的增強(qiáng)型分析儀

最近，先進(jìn)的電子設(shè)備和軟件已與API-MS方法集成，進(jìn)一步改進(jìn)了對(duì)大宗氣體中污染物的常規(guī)連續(xù)測(cè)量。這些UHP電子氣體分析儀經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，可確保監(jiān)測(cè)每種大宗氣體的各種潛在雜質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)比單獨(dú)使用API-MS更低的檢測(cè)限。然而，半導(dǎo)體行業(yè)的國(guó)際技術(shù)路線(xiàn)圖（ITR，International Technology Roadmap）已經(jīng)確定了每種雜質(zhì)100ppt的氣相污染極限值。因此，擁有具有更低污染極限值的UHP電子氣體分析儀是有益的，目前達(dá)到這一檢測(cè)水平的現(xiàn)有儀器之一是賽默飛世爾科技公司的APIXδQ& APIX Quattro過(guò)程質(zhì)譜儀。

05滿(mǎn)足未來(lái)需求的愿景

使用超高靈敏度、多組分、多通道氣體分析儀，具有維護(hù)成本低、快速、易于使用且具有自校準(zhǔn)功能，有望幫助滿(mǎn)足半導(dǎo)體芯片制造商今天和未來(lái)的要求。隨著自動(dòng)化工作流程也變得越來(lái)越普遍，將這些功能集成到質(zhì)量控制系統(tǒng)中可確保24/7全天候警戒，為UHP氣體供應(yīng)提供持續(xù)保護(hù)，并驗(yàn)證純化系統(tǒng)的性能。API-MS與有效的氣體純化器相結(jié)合，現(xiàn)在在工業(yè)中通常用于檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和凈化使用氮?dú)狻鍤?、氦氣和氫氣等氣體的應(yīng)用?？傮w而言，UHP氣體生產(chǎn)支持半導(dǎo)體芯片制造中這些微小但絕對(duì)關(guān)鍵的部分，幫助企業(yè)不僅跟上不斷增長(zhǎng)的需求，而且繼續(xù)生產(chǎn)可靠，高質(zhì)量的產(chǎn)品。