來源：《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（包括氣體輸送過程）的污染，都可能產(chǎn)生重大且令人費解的影響，這意味著即使是最小濃度的雜質(zhì)，也需要在氣體進入制造過程之前進行檢測和去除。幸運的是，現(xiàn)在監(jiān)測和控制超高純（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)，它可以檢測低至萬億分之10（ppt）的雜質(zhì)。

模式變化加速市場增長。近年來，全球半導(dǎo)體市場經(jīng)歷了創(chuàng)紀錄的增長，預(yù)計到2028年其規(guī)模將擴大到近8030億美元。這一進步主要歸功于全球?qū)﹄娮悠骷男枨蟛粩嘣鲩L，以及COVID-19大流行導(dǎo)致的生活方式變化，這揭示了遠程工作和遠程學(xué)習(xí)所需的網(wǎng)絡(luò)和通信解決方案的重要性。半導(dǎo)體是越來越多的產(chǎn)品清單的核心，人們認為這些產(chǎn)品對于豐富客戶的生活和幫助企業(yè)更智能、更高效地運營至關(guān)重要。這種持續(xù)創(chuàng)新，加上物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機器學(xué)習(xí)和云計算等新技術(shù)的出現(xiàn)，是市場最重要的驅(qū)動力。

01通過UHP氣體供應(yīng)滿足需求

制造商不得不大幅提高芯片產(chǎn)量，以應(yīng)對對高質(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），包括氮氣、氬氣、氫氣和氦氣，因此，對UHP氣體和化學(xué)品的需求也有所增加。ESG由專業(yè)的氣體和化學(xué)公司生產(chǎn)，供應(yīng)給半導(dǎo)體制造商，在整個工廠內(nèi)通過管道大量輸送。在制造過程的各個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%的氮氣。

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程中發(fā)生化學(xué)污染的機會，這可能導(dǎo)致器件加工能力和性能的下降。這個問題的根源可能是生產(chǎn)過程中使用的氣體供應(yīng)，其中可能存在未檢測到的痕量污染物。這些污染物可能會通過微孔穿透晶圓表面，并被吸收到各層材料的表面進而影響其性能，從而導(dǎo)致缺陷和可靠性問題。例如，碳氫化合物等有機污染物會破壞柵極氧化物的可靠性，并對薄氮化硅層的厚度重復(fù)性產(chǎn)生負面影響。

制造過程的事故或技術(shù)難題通常只是隨之而來的眾多后續(xù)后果的開始。晶圓缺陷有時在進入市場之前會被忽視，從而給半導(dǎo)體公司帶來意想不到的成本。這也可能導(dǎo)致這些公司的聲譽受損、賠償索賠和未來收入損失。即使有缺陷的產(chǎn)品被發(fā)現(xiàn)并且沒有進入市場，生產(chǎn)過程中的氣體污染仍然會導(dǎo)致生產(chǎn)浪費增加、生產(chǎn)線停工和供應(yīng)延遲。兩家市場領(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，不得不報廢大量晶圓，導(dǎo)致數(shù)百萬至數(shù)十億美元的收入損失。這使得人們呼吁采取更嚴格的程序和質(zhì)量控制措施，以確保將合規(guī)的UHP氣體輸送到生產(chǎn)線。

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)場的地下室或底層存儲位置，在那里分析它們的痕量雜質(zhì)，然后通過管道輸送到整個工廠。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，這是通過在線氣相色譜、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)體這樣一個氣體純度至關(guān)重要的激烈競爭行業(yè)中，人們意識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)，因為單個或多個UHP氣體管線與API-MS耦合，可進行即時和連續(xù)的分析。API-MS涉及在保持大氣壓的反應(yīng)室中對氣體進行電離，然后通過質(zhì)量分析儀檢測正離子或負離子。進行測量時，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)置允許識別低至10-50ppt的雜質(zhì)——遠低于規(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型分析儀

最近，先進的電子設(shè)備和軟件已與API-MS方法集成，進一步改進了對大宗氣體中污染物的常規(guī)連續(xù)測量。這些UHP電子氣體分析儀經(jīng)過專門設(shè)計，可確保監(jiān)測每種大宗氣體的各種潛在雜質(zhì)，并實現(xiàn)比單獨使用API-MS更低的檢測限。然而，半導(dǎo)體行業(yè)的國際技術(shù)路線圖（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，目前達到這一檢測水平的現(xiàn)有儀器之一是賽默飛世爾科技公司的APIXδQ& APIX Quattro過程質(zhì)譜儀。

05滿足未來需求的愿景

使用超高靈敏度、多組分、多通道氣體分析儀，具有維護成本低、快速、易于使用且具有自校準功能，有望幫助滿足半導(dǎo)體芯片制造商今天和未來的要求。隨著自動化工作流程也變得越來越普遍，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，并驗證純化系統(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、監(jiān)測和凈化使用氮氣、氬氣、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關(guān)鍵的部分，幫助企業(yè)不僅跟上不斷增長的需求，而且繼續(xù)生產(chǎn)可靠，高質(zhì)量的產(chǎn)品。