來源：《半導體芯科技》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體芯片制造的一個重要方面，有助于確保高質量的最終產品。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，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，現在監測和控制超高純（UHP, ultra-high purity）氣體供應的技術已經取得了進步，包括大氣壓電離質譜（API-MS, atmospheric pressure ionization mass spectrometry）技術，它可以檢測低至萬億分之10（ppt）的雜質。

模式變化加速市場增長。近年來，全球半導體市場經歷了創紀錄的增長，預計到2028年其規模將擴大到近8030億美元。這一進步主要歸功于全球對電子器件的需求不斷增長，以及COVID-19大流行導致的生活方式變化，這揭示了遠程工作和遠程學習所需的網絡和通信解決方案的重要性。半導體是越來越多的產品清單的核心，人們認為這些產品對于豐富客戶的生活和幫助企業更智能、更高效地運營至關重要。這種持續創新，加上物聯網、人工智能、機器學習和云計算等新技術的出現，是市場最重要的驅動力。

01通過UHP氣體供應滿足需求

制造商不得不大幅提高芯片產量，以應對對高質量半導體的需求增加。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氣體和化學品的需求也有所增加。ESG由專業的氣體和化學公司生產，供應給半導體制造商，在整個工廠內通過管道大量輸送。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晶圓化學污染的后果

在最近的疫情大流行期間，半導體生產突然停止，并導致汽車和高科技行業的芯片供應出現明顯短缺。這破壞了企業的順利運行，并促使加快生產能力提升的速度。然而，生產率的提高也增加了晶圓在制造過程中發生化學污染的機會，這可能導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過程中使用的氣體供應，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性產生負面影響。

制造過程的事故或技術難題通常只是隨之而來的眾多后續后果的開始。晶圓缺陷有時在進入市場之前會被忽視，從而給半導體公司帶來意想不到的成本。這也可能導致這些公司的聲譽受損、賠償索賠和未來收入損失。即使有缺陷的產品被發現并且沒有進入市場，生產過程中的氣體污染仍然會導致生產浪費增加、生產線停工和供應延遲。兩家市場領先的半導體公司在2019年經歷了這樣的事件，由于制造污染，不得不報廢大量晶圓，導致數百萬至數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量控制措施，以確保將合規的UHP氣體輸送到生產線。

03分析氣體以確定純度

UHP氣體通常被輸送到半導體制造現場的地下室或底層存儲位置，在那里分析它們的痕量雜質，然后通過管道輸送到整個工廠。在半導體生產質量保證和質量控制方面，連續質量控制系統確保這些氣體符合所需的純度規格。傳統上，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，在半導體這樣一個氣體純度至關重要的激烈競爭行業中，人們意識到這些方法不再夠用，因此這些方法最近被API-MS（大氣壓電離質譜）所取代，API-MS允許檢測低至10ppt的痕量雜質。

API-MS已成為一種有吸引力的可用技術，因為單個或多個UHP氣體管線與API-MS耦合，可進行即時和連續的分析。API-MS涉及在保持大氣壓的反應室中對氣體進行電離，然后通過質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。這種設置允許識別低至10-50ppt的雜質——遠低于規定的極限值，從而確保氣體適用于高質量半導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，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連續測量。這些UHP電子氣體分析儀經過專門設計，可確保監測每種大宗氣體的各種潛在雜質，并實現比單獨使用API-MS更低的檢測限。然而，半導體行業的國際技術路線圖（ITR，International Technology Roadmap）已經確定了每種雜質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有儀器之一是賽默飛世爾科技公司的APIXδQ& APIX Quattro過程質譜儀。

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量控制系統中可確保24/7全天候警戒，為UHP氣體供應提供持續保護，并驗證純化系統的性能。API-MS與有效的氣體純化器相結合，現在在工業中通常用于檢測、監測和凈化使用氮氣、氬氣、氦氣和氫氣等氣體的應用。總體而言，UHP氣體生產支持半導體芯片制造中這些微小但絕對關鍵的部分，幫助企業不僅跟上不斷增長的需求，而且繼續生產可靠，高質量的產品。