干貨分享 | 半導體制程氣體分析的六大挑戰

半導體制造過程中使用的氣體種類繁多，這些氣體大致上可區分為大宗氣體與特殊氣體。從制程功能的角度來看，氣體的分類更為細致，包括反應用氣體、清洗用氣體、燃燒用氣體、載氣等。

在半導體制造的微觀世界里，制程氣體扮演著至關重要的角色，它直接影響工藝精度、產品良率以及生產安全。然而，這些氣體的分析與監測卻面臨著諸多挑戰。

■ 挑戰1：超高純度與痕量雜質檢測
半導體制造對制程氣體的純度要求極高，像氬氣、氮氣、硅烷等氣體，其純度需達到 ppb（十億分之一）甚至 ppt（萬億分之一）級別。因為哪怕是一丁點的微量雜質，如水分、氧氣、顆粒物等，都可能導致晶圓缺陷。
傳統檢測技術（如氣相色譜、質譜），在靈敏度與抗干擾能力方面存在不足。高分辨率質譜（HRMS）和激光光譜技術（如 TDLAS）應運而生，但這類設備不僅成本高昂，維護難度也極大。

■ 挑戰2：復雜混合氣體的實時分析
半導體工藝中，常常會用到多組分的混合氣體（如 C4F8/O2/Ar 蝕刻氣體）。分析時需同時監測主成分、副產物（如 CFx、聚合物）及殘留物，但不同氣體的光譜或質譜信號可能重疊（如N?與CO的質荷比相近），導致檢測結果混淆。
更具挑戰性的是，快速工藝（如原子層沉積ALD）要求分析系統具備毫秒級響應能力，而傳統采樣方法因延遲問題難以滿足。

■ 挑戰3：極端環境下的分析可靠性
半導體制造環境可能涉及高溫（>500℃）、高壓、等離子體或腐蝕性氣體（如Cl?、HF）。這些極端條件對傳感器材料構成了嚴峻挑戰，容易導致傳感器腐蝕或熱漂移，從而影響分析結果的準確性(如金屬氧化物半導體傳感器在HF環境中可能會失效，而等離子體則會干擾光學檢測信號)。

■ 挑戰4：毒性/易燃氣體安全監測
硅烷（自燃）、砷烷（劇毒）、六氟化鎢（強腐蝕）等氣體一旦泄漏，可能引發嚴重的安全事故。因此，需要在極低濃度（ppm級）下快速檢測這些氣體，同時避免因環境干擾導致的誤報。

■ 挑戰5：數據分析與系統整合
制程氣體分析產生的海量數據需要實時處理，并與制程設備（如MES系統）進行聯動。此外，多源數據（如氣體濃度、流量、溫度）的同步與關聯分析也是一大挑戰。

■ 挑戰6：新興工藝帶來的新需求
隨著半導體技術的不斷發展，先進制程（如3nm以下）、第三代半導體（GaN、SiC）及EUV光刻技術等新興工藝對氣體提出了更高的要求。例如，EUV光刻需要控制H?中的CO雜質，以防止鏡面污染；SiC外延生長需要精確調控SiH?/C?H?比例，傳統熱導檢測器（TCD）因動態范圍限制難以勝任。

在半導體制程中，氣體分析的關注點不僅涵蓋一般氣體標準中的純度項目，更多雜質項目（包括金屬、離子、顆粒等）同樣是關鍵監測對象。由于不同氣體特性差異顯著，分析時需針對其特性，采用專用或特殊設計的實驗室分析儀器或線上分析儀器。

SGS半導體超痕量分析實驗室

此外，實驗室的安全設施與尾氣處理系統也是必需考量要素，需確保在氣體分析過程中有效控制安全風險及環境影響。而在特殊氣體的取樣（采樣）環節，其技術要求與安全防護的重要性甚至高于分析環節本身。

SGS已在臺灣與愛爾蘭建立了完善的半導體氣體分析能力，檢測范圍覆蓋純度、雜質、水分、氧氣、顆粒、金屬、離子等多項指標；SGS位于上海的半導體超痕量分析實驗室目前已具備部分檢測能力，并正積極拓展更齊全的分析服務，以滿足半導體行業日益嚴苛的氣體檢測需求。