中国半导体材料市场逾千亿 看分析仪器如何助力发展

　　当今时代，以人工智能、5G、移动通信、物联网、区块链等为代表的新一代信息技术突飞猛进，给社会生产方式和人们生活都带来了翻天覆地的变化，而这些新技术，离不开半导体行业和芯片科技的发展。6月15日，比亚迪发布公告宣称，比亚迪半导体将引入SK、小米、招银等多家战投合计8亿元投资。而在此前的5月底，红杉、中金等14位投资者，已向其注入19亿元投资。可见，半导体产业链正在引发越来越多的关注，新一轮的发展机遇扑面而来。

　　先进的半导体生产工艺离不开先进的材料检测表征手段。6月26-29日，半导体行业盛会SEMICON China 2020在上海新国际博览中心举行，全球最大的分析仪器制造商之一珀金埃尔默，携全面的半导体行业解决方案，以及最新的无机元素分析利器，业界首款化学高分辨多重四极杆ICP-MS NexION® 5000精彩亮相。展会现场，我们采访了珀金埃尔默应用市场高级产品经理朱敏，请他介绍珀金埃尔默在半导体行业检测中的布局及其先进的分析检测技术如何助力半导体行业发展。

　　半导体行业是电子信息产业的基础，更先进的芯片一直是行业的核心追求之一。在指甲盖大小的芯片上可能集合了近万米金属线和几千万甚至上亿根晶体管，这犹如在一粒沙上建造一座城市，对集成电路芯片生产工艺提出了很高的要求。在半导体器件制造过程中，对痕量元素杂质的控制会直接影响半导体产品的良品率。这要求对半导体制程中的晶圆、超纯水、化学试剂、光刻胶、电子特气等进行严格的无机元素检测。目前，根据最新的制程要求，SEMI(国际半导体设备和材料协会)Grade 5 标准，半导体用超纯水本底要求为小于1ppt水平，所有超纯化学品中关键无机元素离子小于10ppt，更有半导体生产企业依据其制程工艺，提出需达到5ppt甚至更低的水平。

　　NexION^® 5000 化学高分辨多重四极杆ICP-MS

　　珀金埃尔默为满足严苛的痕量元素、超痕量元素检测而开发的NexION 5000，具有业内独有的四组四极杆设计，结合碰撞反应池技术，可提供超低的背景等效浓度、优异的检出能力和基体耐受性，可实现高准确度和高可重现性的分析结果。其四组四极杆质谱平台和四路碰撞反应气，可以依据不同的应用需求，简单、灵活地进行选择，在性能上较现有的高分辨HR-ICP-MS、传统三重四极杆和单四极杆ICP-MS均有质的提升，可满足半导体行业越来越严苛的工艺质控要求。

　　以化学品硫酸分析为例，它在半导体晶片清洗、半导体晶片蚀刻方面应用广泛，但98%的硫酸粘度为27cP，未经稀释直接引入ICP-MS 进行分析会存在物理干扰，一般需要稀释10倍后再进行分析，因此，其要求的元素需要满足小于1ppt。这对于一些因硫酸基质带来的质谱干扰较大的元素如Ti、Zn的检测则非常困难。同时，硫酸的强腐蚀性，对ICP-MS仪器的长久稳定分析也提出了很高的要求。“而NexION 5000在检测化学品硫酸中的Ti和Zn含量时，可满足SEMI Grade 5所提出的 < 10ppt 要求，同时在热等离子体条件下展现很强的基体耐受性，其长时间运行性能也非常优秀。”朱敏介绍说。

　　再例如被广泛地用于半导体器件生产中所有湿法工艺步骤的超纯水。在这些步骤中，超纯水可能会吸收污染物并沉淀到硅表面。在SEMI F63-0918《半导体加工中超纯水使用指南》中，除B(50ppt)和Ni(3ppt)外，26种金属污染物的目标值应小于1ppt。NexION 5000通过各四极杆的不同质量分辨能力和工作模式，在等离子体更加强健的热等离子体条件下，结合碰撞反应池技术，可实现化学高分辨，获得终极干扰消除，26种关键金属元素的背景等效浓度小于0.5ppt，而对于硅、硫等非金属元素检出能力也非常突出。

　　抛光材料中悬浮物纳米颗粒的尺寸分布特征，以及大颗粒的辨别，是光刻过程中质量控制的重要方面，同时晶片清洗所使用的化学品中潜存的纳米颗粒，都会影响芯片质量。NexION系列 ICP-MS超快速的瞬时采集能力(达10,0000点每秒)，可快速扫描和分析识别纳米颗粒、获得颗粒浓度、大小和分布信息，协助工艺生产。

　　朱敏表示，集成电路行业金属杂质检测目前面临的主要挑战来自于两方面，一是对常见样品的分析能力，包括检出能力和该检出能力实现的难易程度与可靠性;另一方面就是一些新兴需求的解决方案，如在线化学品、纳米颗粒、气体元素杂质的直接进样分析等。以常见样品，如化学品硫酸为例，现有的技术手段存在单次样品分析时间过长、部分关键元素检出能力不强、部分元素稳定性不佳以及需要频繁清洗维护仪器等不足，珀金埃尔默NexION 5000很好地解决了这些问题。对于新兴的客户需求，珀金埃尔默也积极开发方案，如气体元素杂质的直接进样技术，目前该技术已在该领域多家龙头企业中得到了应用。

　　多技术提供半导体全面解决方案

　　除痕量元素检测之外，半导体行业中使用的有机化合物的纯度和杂质的含量，以及这些有机化合物挥发到空气中形成的气态分子污染物(AMC)也会影响到产品质量。这对有机化合物的质量控制，以及实时空气中AMC的在线监控提出了更高要求。珀金埃尔默的气相色谱/质谱联用可高效高灵敏度地检测有机化合物的质量，并且还可以搭配热脱附仪，实现洁净室或生产区域内空气中AMC的在线或离线采集进样，并检测出空气中极低浓度(< ppb)的有机污染物。而对于芯片封装过程中广泛的材料表征需求，以及显示面板、光伏电池、光学薄膜等领域，珀金埃尔默可提供傅里叶变换红外光谱仪、红外显微镜、紫外可见近红外分光光度计、差示扫描量热仪、热机械分析仪等产品，用于测定固化率、固化热、热膨胀系数、透光率、反射率、微观污染物、成分浓度等，为客户提供全面的解决方案。

珀金埃尔默气质联用仪及热脱附-气相色谱/质谱

　　化学分析与检测对集成电路生产非常重要，它们为确保芯片生产质量，改善良品率，提供敏锐的“眼睛”。前不久，业界就发生过因光刻胶中相关金属离子不达标从而引起几亿美金损失的惨痛教训。珀金埃尔默在半导体行业的检测方案囊括了无机元素与纳米颗粒检测、AMC及VOCs等有机物检测以及IC封装中材料检测等方面。“我们期待与用户一同，引进和开发更多有针对性的应用方案，用先进的技术和可靠的仪器为客户带来实实在在的帮助，助力中国半导体行业的发展。”

　　后记：

　　半导体作为新材料的重要组成部分，是世界各国为发展电子信息产业而关注的重中之重。机遇与挑战并存的中国半导体产业正在努力提升核心竞争力，向产业链上下游延伸。未来可期，让我们拭目以待。