晶圆厂特气化学品纯度分析方法优化及杂质影响研究

摘要：本文分析了晶圆厂特气化学品纯度分析方法的优化以及杂质影响相关问题，考虑到集成电路制造工艺持续升级使得对特气纯度的要求不断提高，通过对现有纯度分析方法如特殊气相色谱、ICP - AES、ICP - MS等展开评估，发现这些方法虽然具备一定优势但存在设备成本高昂、操作过程复杂、容易受到干扰以及检测时间较长等问题，为解决这些问题提出从仪器设备改进、分析流程优化以及新分析技术引入这三个方面进行优化，以岛津仪器为例说明仪器设备的改进方向，同时分析特气化学品杂质来源包含人员、工艺化学品、生产过程以及环境因素等，希望能为提高晶圆厂特气化学品质量控制和晶圆制造良品率提供参考。

关键词：晶圆厂；特气化学品；纯度分析方法；杂质影响

Abstract: This article analyzes the optimization of purity analysis methods for special gas chemicals in wafer fabs and the related issues of impurity influence. Considering the continuous upgrading of integrated circuit manufacturing processes, the requirements for special gas purity are constantly increasing. By analyzing existing purity analysis methods such as special gas chromatography Through evaluations such as ICP-AES and ICP-MS, it was found that although these methods have certain advantages, they have problems such as high equipment costs, complex operation processes, susceptibility to interference, and long detection times. To solve these problems, optimization is proposed from three aspects: instrument and equipment improvement, analysis process optimization, and the introduction of new analytical technologies. Taking Shimadzu Instruments as an example, the improvement direction of instrument and equipment is explained. At the same time, the sources of impurities in specialty chemicals, including personnel, process chemicals, production processes, and environmental factors, are analyzed. It is hoped that this can provide reference for improving the quality control of specialty chemicals in wafer fabs and the yield rate of wafer manufacturing.

Keywords: wafer fab; Specialty chemicals; Purity analysis method; Impurities influence

随着集成电路制造工艺不断持续升级，对于特气化学品纯度的要求变得日益严苛，特气化学品在晶圆制造的沉积蚀刻掺杂等多个环节，起着一种不可替代的重要作用，其纯度直接关系到晶圆质量以及集成电路性能。

一、特气化学品纯度要求

特气化学品对纯度的要求非常严格，哪怕极其微小的杂质都可能严重影响晶圆质量和性能，在现代集成电路制造当中，其纯度要求通常要达到ppt（万亿分之一）级别，拿硅烷这种特气化学品来说，要是其中含有微量金属杂质，就可能在硅薄膜沉积过程中形成缺陷中心，影响硅薄膜晶体结构和电学性能，最终导致电路漏电增加、信号传输延迟等系列问题，降低集成电路的性能和可靠性。蚀刻工艺所使用的氯气，如果其中含有水分或者其他杂质，就可能造成蚀刻速率不均匀的情况，影响电路图案的精度，在掺杂工艺的实际操作里，杂质的存在有可能改变掺杂原子的分布和浓度，让晶圆电学性能无法达到设计要求^[1]。

二、现有纯度分析方法评估

（一）常用纯度分析方法介绍

在晶圆厂里面，由于行业针对特气化学品产品纯度有着特殊要求，所以其纯度分析工作极为重要，需要采用特殊的气相色谱、ICP - AES也就是电感耦合等离子体原子发射光谱法以及ICP - MS即电感耦合等离子体质谱法等非常规分析方法来确保特气达到高质量标准。特殊的气相色谱法是利用气体在固定相和流动相之间分配系数存在的差异来进行分离和分析，能够通过检测不同成分在色谱柱当中的保留时间和峰面积来对多种气体成分开展定性和定量分析，其操作相对比较简单，在一定程度上能够满足特气化学品纯度分析需求。ICP - AES是把样品引入到高温等离子体当中，让样品里面的原子激发并发射出特定波长的光谱，然后凭借检测这些光谱的强度来确定样品当中元素的含量，该方法具备灵敏度高以及可同时分析多种元素等优点，对检测特气中可能存在的金属杂质有着较好效果。ICP - MS作为一种更为先进的分析方法，融合了电感耦合等离子体的高温电离能力和质谱的高灵敏度检测能力，能够检测到低至ppb级别的极低含量杂质，对于晶圆厂这种对特气纯度要求极高的情况十分适用。

表1 特气化学品纯度分析方法表

（二）现有方法存在的问题

因为要检测的杂质含量低到了 ppb 级别，常规分析方法无法胜任这项检测工作，这些方法对仪器设备的要求非常高，设备的购置和维护费用十分昂贵，这对于一些小型晶圆厂而言是不小的负担。这些分析方法的操作过程很复杂，需要专业技术人员进行操作和维护，要是操作人员技术不够熟练，就可能造成分析结果出现误差。

三、纯度分析方法优化策略

（一）仪器设备改进

仪器设备改进是提升纯度分析准确性与效率的基础，以岛津的仪器为例，其气相色谱仪GC - 2030运用双通道、两阀四柱以及双TCD系统，可实现对主要杂质如H₂、CF₄、CO₂、N₂O等成分的分析，数据重现性良好且具备优良的检出限，该仪器通过十通阀直接进样并反吹重组分，能在12分钟内实现多种低含量杂质的同时快速分析，并且双通道相互独立，利用在线自动进样可实现连续高通量分析，岛津电感耦合等离子体质谱仪ICPMS - 2050 LF采用溶液吸收法对样品进行前处理，能够测定气体中的40多种金属元素，此方法灵敏度高、准确度好且操作简单，测试方法检出限低、线性范围广，能满足电子特气中多元素杂质的同时检测要求，通过对这类仪器进行进一步的技术升级和性能优化，可更好地适应不断提高的纯度分析需求。

（二）分析流程优化

分析流程优化能有效提升分析效率并降低误差，考虑到目前需检测的杂质含量低至ppb级别，常规分析方法难以完成检测任务，特殊分析方法操作复杂且易受外界干扰，所以可简化样品前处理过程来减少人为操作误差，以优化溶液吸收法具体步骤为例让其更高效稳定，同时建立标准化分析流程明确各环节操作规范与质量控制要点，以此确保每次分析都能得出准确可靠结果，还可运用自动化技术实现样品进样数据采集和分析结果输出自动化，减少人工干预提高分析效率。

（三）新分析技术的引入

引入新分析技术给纯度分析增添了更多可能性，虽然当下常用特殊气相色谱、ICP - AES、ICP - MS等非常规分析方法，但伴随科技不断发展能够探索新兴分析技术，比如研究更为先进的光谱分析技术以提高对杂质检测灵敏度和选择性，开发基于纳米技术的传感器从而实现对特气中微量杂质快速实时检测^[2]。

四、杂质对特气化学品性能的影响

（一）杂质的来源与种类

特气化学品杂质来源繁多，人体是碱金属杂质重要源头，汗液所含钠钾等碱金属离子操作时可能转移到硅片，即便穿着防静电服衣物也可能残留有金属杂质，工具和容器若没彻底清洁会残留金属杂质，被汗水浸湿后还会吸附更多的金属离子^[3]。皮肤屑和头发也可能携带碱金属离子，就工艺化学品而言，酸、碱、溶剂等虽经过纯化处理，但仍可能含有微量金属杂质，不过芯片厂商会选高纯度化学品并严格纯化降低杂质含量，生产过程中设备磨损会产生各种杂质，高压高温下设备部件磨损会产生金属微粒，密封材料老化会使外界污染物进入到生产中，设备维护不善也会在生产里引入杂质，操作不当像人员失误致物料混合不均、工艺参数控制不当以及设备参数调整不合理等都会产生杂质，化学反应副产物也不能被忽视，反应机理不明、反应物选择性不佳以及反应条件控制不当都会导致副反应产生杂质，从环境因素角度看，工厂附近大气污染带来的粉尘和气体污染物，还有水源污染和土壤污染都会使杂质进入生产过程^[4]。

（二）杂质对特气化学品物理化学性质的影响

杂质种类方面主要是颗粒、有机残余物和金属污染物这几类，颗粒包含聚合物、光刻胶以及蚀刻杂质等物质，这些颗粒由工艺设备、环境和气体等因素引入，若粘附在硅表面会影响下一工序几何特征和电特性，有机残余物有人的皮肤油脂、净化室空气和机械油等情况，其中残留光刻胶是有机残余物主要来源，会在晶圆表面形成薄膜进而阻碍清洗液到达表面，金属污染物可分为重金属和碱金属两类，以铜、镍等为代表的重金属以及以钠、钾等为代表的碱金属，它们会经由扩散或电迁移的方式在芯片中扩散并影响半导体器件性能^[5]。

（三）杂质在晶圆制造过程中的影响

金属杂质有可能改变硅晶体的导电性，会让绝缘体变成导体或者使导体变成半导体，这对于需要精确控制电导性的半导体设备而言是严重问题，金属杂质还可能引入晶体方面的缺陷，如点缺陷、位错等情况，影响硅晶体电学和机械性能，降低其性能以及可靠性。在退火步骤当中金属杂质扩散到硅晶体内部会改变掺杂分布，进而对芯片的性能造成影响。在晶圆制造的整个过程里，杂质所产生的危害极大，颗粒杂质粘附在硅表面会影响光刻、刻蚀等工艺的精度，导致电路图案出现偏差，降低芯片性能和产品良率，有机残余物形成的薄膜会阻碍清洗液与晶圆表面接触，使清洗工作无法彻底完成，影响后续工艺的整体质量，金属污染物会对器件性能产生影响，比如在界面形成缺陷，在氧化或外延工艺中引入层错，导致 PN 结漏电减少少数载流子寿命，严重时会致使整个生产线被污染，造成生产全面瘫痪的状况^[6]。

结论：

在仪器设备改进方面，可以借鉴岛津等先进仪器的技术并做进一步的升级优化，对于分析流程优化可简化样品前处理工作、建立标准化流程以及引入自动化技术，新分析技术的引入为纯度分析带来了全新的可能。

参考文献：

[1]李贺楠,吴平.电子特气氙中全组分杂质氦离子化色谱检测[J].低温与特气,2025,43(02):39-41.

[2]孙杰,李福芬,曲庆.拉曼光谱在特气分析中的应用[J].低温与特气,2025,43(01):52-54.

[3]郭晓俊,陈建平,张锐.电子特气六氟丁二烯合成工艺进展[J].低温与特气,2024,42(05):11-14.

[4]周志翔,王珂,何红振,等.高纯电子特气痕量杂质分析方法进展[J].低温与特气,2024,42(05):1-5+14.

[5]唐代飞,刘扬洪.小规模6英寸晶圆厂特气系统的维护与质量控制[J].科技创新与应用,2017,(11):71.

[6]林刚.特气业与半导体业的发展近况[J].低温与特气,2009,27(01):4-8.