科研賦能：珀金埃爾默助力半導體材料研發(fā)-公司動態(tài)-珀金埃爾默企業(yè)管理（上海）有限公司

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Spectrum 3 MIR/NIR/F
珀金埃爾默HS2400頂空進樣器具有很高
PerkinElmer GCMS 240
GC 2400™ 平臺-帶分
PerkinElmer MPS 320&
TrasION 1080 ICP-MS水

科研賦能：珀金埃爾默助力半導體材料研發(fā)

發(fā)布時間：2024/6/21

　　近年來中國在半導體領域的發(fā)展已經(jīng)取得了一定的成就，想進一步的突破，仍面臨著很大的挑戰(zhàn)，限制中國半導體發(fā)展的關鍵因素集中在半導體設備和先進材料等方面。在材料方面，包括光刻膠、前驅(qū)體、硅材料、電子化學品等，是技術壁壘高的半導體關鍵材料，亟待廣大科研單位及相關企業(yè)進行攻關。對這些關鍵材料的研發(fā)過程中，包括材料的優(yōu)化開發(fā)、作用機理探究、定性定量分析、材料性能評估以及質(zhì)量控制等，都需要使用各類分析手段。珀金埃爾默(PerkinElmer)作為分析儀器領先的全球供應商，廣泛和深入的服務于全球研究機構(gòu)和企業(yè)，助力半導體材料的研發(fā)。

珀金埃爾默分析技術在半導體材料研發(fā)中的應用

1
光刻膠

　　光刻膠是半導體制造和微電子制造中的關鍵材料之一，其研發(fā)和生產(chǎn)是半導體產(chǎn)業(yè)鏈中的關鍵環(huán)節(jié)，對于提升半導體制造工藝的精細度和效率具有重要意義。

　　光刻膠中金屬元素雜質(zhì)的存在會對其感光性能和成品質(zhì)量產(chǎn)生影響，如降低分辨率、增加膠層的不均勻性等。光刻膠主要成分是樹脂、光引發(fā)劑，單體等，主要成分都是有機物。在使用ICP-MS分析光刻膠中的金屬雜質(zhì)時，遇到的主要挑戰(zhàn)是儀器對有機試劑的耐受能力以及反應池消除質(zhì)譜干擾的能力。為了避免前處理可能帶來的污染，通常采用有機溶劑稀釋后直接進樣的方式測試。珀金埃爾默NexION系列ICP-MS采用獨有的34 MHz頻率，使等離子體具有更強的趨附效應，中心通道更寬，有機類樣品在經(jīng)過等離子體時解離更完全，儀器測試有機樣品時具有更好的穩(wěn)定性。

NexION ICP-MS點炬狀態(tài)直接進空氣不熄炬，
體現(xiàn)出強大的基體耐受能力

　　同時，在進行ICP-MS分析時，光刻膠中大量的碳、作為等離子體的氬等會帶來嚴重的質(zhì)譜干擾，如12C12C+對24Mg+的干擾、12C15N+對27Al+的干擾，40Ar12C+對52Cr+的干擾、40Ar16O+對56Fe+的干擾等，NexION系列ICP-MS具有化學分辨能力，其核心就是采用具有專利技術的配備軸向加速電壓的四極桿作為反應池，配合使用反應活性強的純氨氣作為反應氣，在反應模式下能夠徹底消除干擾，保證測試結(jié)果的準確度，達到精確評估光刻膠質(zhì)量的目的。

光刻膠中受干擾元素典型檢出能力

軸向加速四極桿通用池技術，
確保質(zhì)譜干擾的去除

　　曝光動力學研究對于光刻膠的研發(fā)異常關鍵，因為其效能直接決定了制程良品率和生產(chǎn)效率。利用紫外光譜能夠監(jiān)測光刻膠在曝光過程中發(fā)生的光化學反應，通過跟蹤特定化學鍵或官能團的變化，研究人員可以評估光刻膠的反應動力學和光化學穩(wěn)定性。

高性能紫外-可見-近紅外分光光度計
(輔助建立DILL透光模型)

　　為了更加準確原位模擬光刻膠在不同紫外-可見波段下的曝光歷程，可采用差示掃描量熱分析儀(DSC)和紫外光源聯(lián)用進行分析，兩者的聯(lián)用，適合用于研究光刻膠的固化動力學過程，為研發(fā)更加穩(wěn)定可靠的新一代無機金屬氧化物復合光刻膠提供準確熱力學數(shù)據(jù)支撐。

紫外光-差示掃描量熱分析儀

　　在光刻膠配方開發(fā)過程中，出色的分析手段將極大幫助研究人員獲取反饋信息。單獨的手段往往具有局限性，比如熱重(TG)沒有結(jié)構(gòu)定性能力，因此研究人員往往只能依靠個人的主觀經(jīng)驗推測每個分解溫度區(qū)間所產(chǎn)生組分的化學結(jié)構(gòu)歸屬，這對于光刻膠配方逆向開發(fā)和性能優(yōu)化等領域的應用存在較大的不確定性。而單獨的紅外(FTIR)或者氣質(zhì)(GC/MS)均存在單一溫度維度測試的局限性，無法有效的還原溫度維度或?qū)崿F(xiàn)原位檢測的要求。而采用分析技術的聯(lián)用，就可以實現(xiàn)設備間的“協(xié)同效應，揚長避短”，比如熱重引入的溫度維度可以結(jié)合紅外或氣質(zhì)的定性能力，賦予實時分析光刻膠組分隨溫度的動態(tài)逸出過程，做到原位監(jiān)測、還原真實的反應/分解過程，應用于光刻膠配方開發(fā)和環(huán)境顆粒物的相互作用研究。

熱重/紅外/氣質(zhì)(TGA/IR/GC/MS)
聯(lián)用逸出氣體測試平臺

2
前驅(qū)體

　　前驅(qū)體是半導體薄膜沉積工藝的主要原材料，在薄膜、光刻、互連、摻雜等半導體制造過程中，前驅(qū)體主要應用于氣相沉積(包括物理沉積PVD、化學氣相沉積CVD和原子氣相沉積ALD)，以形成符合半導體制造要求的各類薄膜層。此外，前驅(qū)體也可用于半導體外延生長、刻蝕、離子注入摻雜和清洗等，是半導體制造的核心材料之一。

前驅(qū)體介紹

　　用ICP-MS對前驅(qū)體樣品中金屬雜質(zhì)分析時，由于樣品中的金屬元素雜質(zhì)含量低，稀釋倍數(shù)受到限制，導致前處理后的溶液樣品中總固體溶解含量(TDS)較高，對ICP-MS耐鹽能力提出了很高的要求。珀金埃爾默NexION系列ICP-MS采用獨特的大錐孔三錐設計(TCI)和90度四極桿離子偏轉(zhuǎn)技術(QID)，配合全基體進樣系統(tǒng)(AMS)，具有更加優(yōu)異的基體耐受能力，以及更加優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。

(a)大錐孔三錐設計(TCI)
和90度四極桿離子偏轉(zhuǎn)技術(QID)

(b)NexION ICP-MS優(yōu)異穩(wěn)定性
(2000 ppm 硅中35元素100ppt)

　　前驅(qū)體中高基體的硅(Si)或金屬(如Ti)也會產(chǎn)生嚴重的質(zhì)譜干擾，比如高硅會對磷(P)、鈦(Ti)、鎳(Ni)等。利用NexION 系列ICP-MS的化學分辨能力，可以很好的實現(xiàn)前驅(qū)體中痕量雜質(zhì)分析。

(a)高硅基體中對相關元素的質(zhì)譜干擾

(b)NexION ICP-MS
典型受硅基體干擾元素分析

3
硅基材料

　　半導體硅基材料的研發(fā)是半導體集成電路發(fā)展的核心，集成電路制造技術已進入了后摩爾時代，傳統(tǒng)硅基材料在尺寸微縮極限下遇到的關鍵挑戰(zhàn)，是造成集成電路工藝復雜性和系統(tǒng)設計難度顯著提升的重要因素。發(fā)展新材料(如三代半導體SiC等)，探索與硅基技術兼容的新材料、新結(jié)構(gòu)器件集成制造技術，是未來集成電路的重要發(fā)展趨勢，也是后摩爾時代集成電路發(fā)展的主要技術路線之一。

　　利用晶圓表面分解技術(VPD)與NexION 系列ICP-MS結(jié)合，不僅可以對晶圓表面金屬雜質(zhì)分析，也可以對晶圓進行剖面分析。得益于NexION系列ICP-MS出色的性能，每平方原子數(shù)檢出能力可達105。

(a)硅片經(jīng)VPD處理后照片

(b)硅片表面金屬雜質(zhì)分析

(c)摻硼硅片剖面分析

　　配備 MappIR 晶圓分析系統(tǒng)的珀金埃爾默Spectrum 3，不僅可以快速和簡易的實現(xiàn)硅基材料中的碳和氧的雜質(zhì)分析，還可以對涂層、電介質(zhì)以及外延膜進行測量。

(a)Spectrum 3 FT-IR 和 MappIR 系統(tǒng)

(b)不同工藝硅片光譜差異比較

(c)硅片中碳和氧分析

4
電子化學品

　　電子化學品是半導體生產(chǎn)過程一類重要的輔原料，品種很多，包括氫氟酸、硝酸、硫酸、鹽酸、氨水、雙氧水等超純無機試劑和異丙醇(IPA)、丙酮、四甲基氫氧化銨(TMAH)、N-甲基丙絡烷酮(NMP)、丙二醇甲基醚乙酯(PGMEA)等超純有機試劑。電子化學品生產(chǎn)工藝和應用研發(fā)是科研工作者的重要目標，其內(nèi)容包括高純度原料的選擇與預處理、提純技術、復配技術以及各類功能性電子化學品的開發(fā)與應用等方面。

　　ICP-MS作為電子化學品無機雜質(zhì)分析的最重要手段，已經(jīng)廣泛應用于電子化學品開發(fā)與生產(chǎn)質(zhì)量控制中。珀金埃爾默擁有全套的電子化學品ICP-MS分析標準操作方法，將極大的減少分析方法的開發(fā)，提升工作效率，加速研發(fā)過程。