质谱分析如何支持半导体发展需求？

来源：《半导体芯科技》杂志

作者：赛默飞世尔科技公司（Thermo Fisher Scientific）

各种气体的受控使用是半导体芯片制造的一个重要方面，有助于确保高质量的最终产品。工作流程中任何阶段（包括气体输送过程）的污染，都可能产生重大且令人费解的影响，这意味着即使是最小浓度的杂质，也需要在气体进入制造过程之前进行检测和去除。幸运的是，现在监测和控制超高纯（UHP, ultra-high purity）气体供应的技术已经取得了进步，包括大气压电离质谱（API-MS, atmospheric pressure ionization mass spectrometry）技术，它可以检测低至万亿分之10（ppt）的杂质。

模式变化加速市场增长。近年来，全球半导体市场经历了创纪录的增长，预计到2028年其规模将扩大到近8030亿美元。这一进步主要归功于全球对电子器件的需求不断增长，以及COVID-19大流行导致的生活方式变化，这揭示了远程工作和远程学习所需的网络和通信解决方案的重要性。半导体是越来越多的产品清单的核心，人们认为这些产品对于丰富客户的生活和帮助企业更智能、更高效地运营至关重要。这种持续创新，加上物联网、人工智能、机器学习和云计算等新技术的出现，是市场最重要的驱动力。

01通过UHP气体供应满足需求

制造商不得不大幅提高芯片产量，以应对对高质量半导体的需求增加。由于硅晶圆制造需要各种电子特种气体（ESG, electronic specialty gas），包括氮气、氩气、氢气和氦气，因此，对UHP气体和化学品的需求也有所增加。ESG由专业的气体和化学公司生产，供应给半导体制造商，在整个工厂内通过管道大量输送。在制造过程的各个阶段都需要这些气体，以帮助在晶圆上形成所需的表面特征。例如，3DNAND制造需要80,000至100,000Nm3/h且纯度为99.999%的氮气。

02晶圆化学污染的后果

在最近的疫情大流行期间，半导体生产突然停止，并导致汽车和高科技行业的芯片供应出现明显短缺。这破坏了企业的顺利运行，并促使加快生产能力提升的速度。然而，生产率的提高也增加了晶圆在制造过程中发生化学污染的机会，这可能导致器件加工能力和性能的下降。这个问题的根源可能是生产过程中使用的气体供应，其中可能存在未检测到的痕量污染物。这些污染物可能会通过微孔穿透晶圆表面，并被吸收到各层材料的表面进而影响其性能，从而导致缺陷和可靠性问题。例如，碳氢化合物等有机污染物会破坏栅极氧化物的可靠性，并对薄氮化硅层的厚度重复性产生负面影响。

制造过程的事故或技术难题通常只是随之而来的众多后续后果的开始。晶圆缺陷有时在进入市场之前会被忽视，从而给半导体公司带来意想不到的成本。这也可能导致这些公司的声誉受损、赔偿索赔和未来收入损失。即使有缺陷的产品被发现并且没有进入市场，生产过程中的气体污染仍然会导致生产浪费增加、生产线停工和供应延迟。两家市场领先的半导体公司在2019年经历了这样的事件，由于制造污染，不得不报废大量晶圆，导致数百万至数十亿美元的收入损失。这使得人们呼吁采取更严格的程序和质量控制措施，以确保将合规的UHP气体输送到生产线。

03分析气体以确定纯度

UHP气体通常被输送到半导体制造现场的地下室或底层存储位置，在那里分析它们的痕量杂质，然后通过管道输送到整个工厂。在半导体生产质量保证和质量控制方面，连续质量控制系统确保这些气体符合所需的纯度规格。传统上，这是通过在线气相色谱、热解吸或电感耦合等离子体分析完成的，这些方法检测限在100到500ppt之间，取决于所用的仪器精度。然而，在半导体这样一个气体纯度至关重要的激烈竞争行业中，人们意识到这些方法不再够用，因此这些方法最近被API-MS（大气压电离质谱）所取代，API-MS允许检测低至10ppt的痕量杂质。

API-MS已成为一种有吸引力的可用技术，因为单个或多个UHP气体管线与API-MS耦合，可进行即时和连续的分析。API-MS涉及在保持大气压的反应室中对气体进行电离，然后通过质量分析仪检测正离子或负离子。进行测量时，将样品气体泵入仪器的反应室，从而最大限度地提高电离体积并减少背景干扰以提高性能。这种设置允许识别低至10-50ppt的杂质——远低于规定的极限值，从而确保气体适用于高质量半导体制造的各种工作流程。与色谱不同，API-MS还具有很好的灵活性，允许测量更广泛的杂质，包括水分、氧气、二氧化碳、一氧化碳和甲烷。

04用于超净气体的增强型分析仪

最近，先进的电子设备和软件已与API-MS方法集成，进一步改进了对大宗气体中污染物的常规连续测量。这些UHP电子气体分析仪经过专门设计，可确保监测每种大宗气体的各种潜在杂质，并实现比单独使用API-MS更低的检测限。然而，半导体行业的国际技术路线图（ITR，International Technology Roadmap）已经确定了每种杂质100ppt的气相污染极限值。因此，拥有具有更低污染极限值的UHP电子气体分析仪是有益的，目前达到这一检测水平的现有仪器之一是赛默飞世尔科技公司的APIXδQ& APIX Quattro过程质谱仪。

05满足未来需求的愿景

使用超高灵敏度、多组分、多通道气体分析仪，具有维护成本低、快速、易于使用且具有自校准功能，有望帮助满足半导体芯片制造商今天和未来的要求。随着自动化工作流程也变得越来越普遍，将这些功能集成到质量控制系统中可确保24/7全天候警戒，为UHP气体供应提供持续保护，并验证纯化系统的性能。API-MS与有效的气体纯化器相结合，现在在工业中通常用于检测、监测和净化使用氮气、氩气、氦气和氢气等气体的应用。总体而言，UHP气体生产支持半导体芯片制造中这些微小但绝对关键的部分，帮助企业不仅跟上不断增长的需求，而且继续生产可靠，高质量的产品。