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半導體材料無機非金屬離子和金屬元素解決方案——光刻膠篇
半導體材料無機非金屬離子和金屬元素解決方案——光刻膠篇
李小波 潘廣文
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近年來，隨著物聯網、人工智能、新能源汽車、消費類電子等領域的應用持續增長以及5G的到來，集成電路（integrated circuit）產業發展正迎來新的契機。
集成電路制造過程中，光刻工藝約占整個芯片制造成本的35%，是半導體制造中最核心的工藝。涉及到的材料包括多種溶劑、酸、堿、高純有機試劑、高純氣體等。在所有試劑中，光刻膠的技術要求最高。賽默飛憑借其在離子色譜和ICPMS的技術實力，不斷開發光刻膠及光刻相關材料中痕量無機非金屬離子和金屬離子的檢測方案，助力光刻膠產品國產化進程。從光刻膠溶劑、聚體、顯影液等全產業鏈，幫助半導體客戶建立起完整的質量控制體系。
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光刻膠是什么？
光刻膠又稱抗刻蝕劑，是半導體行業的圖形轉移介質，由感光劑、聚合物、溶劑和添加劑等四種基本成分組成。將光刻膠旋涂在晶圓表面，利用光照反應后光刻膠溶解度不同而將掩膜版圖形轉移到晶圓表面，實現晶圓表面的微細圖形化。根據光刻機的曝光波長不同，光刻膠種類也不同。
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光刻相關材料
光刻相關材料主要有溶劑、顯影劑、清洗劑、刻蝕劑和去膠劑，這些材料被稱為高純濕電子化學品，是集成電路行業應用非常廣泛的一類化學試劑。
光刻膠常用溶劑有丙二醇甲醚/丙二醇甲醚醋酸酯（PGME/PGMEA）、甲醇、異丙醇、丙酮和N-甲基吡咯烷酮（NMP）等。
常見的正膠顯影劑有氫氧化鈉和四甲基氫氧化銨等，對應的清洗劑是超純水。
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光刻膠及光刻相關材料中
金屬離子、非金屬陰離子對集成電路的影響
半導體材料擁有獨特的電性能和物理性能，這些性能使得半導體器件和電路具有獨特的功能。但半導體材料也容易被污染損害，細微的污染都可能改變半導體的性質。通常光刻膠、顯影液和溶劑中無機非金屬離子和金屬雜質的限量控制在ppb級別，控制和監測光刻工藝中無機非金屬離子和金屬離子的含量，是集成電路產業鏈中非常重要的環節。
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光刻膠及光刻相關材料中
無機金屬離子、非金屬離子的測定方法
國際半導體設備和材料產業協會（Semiconductor Equipment and Materials International,SEMI）對光刻膠、光刻工藝中使用的顯影劑、清洗劑、刻蝕劑和去膠劑等制定了嚴格的無機金屬離子和非金屬離子的限量要求和檢測方法。離子色譜是測定無機非金屬離子雜質（F-、Cl-、NO2-?、Br-、NO3-?、SO42-、PO43-、NH4+）最常用的方法。在SEMI標準中，首推用離子色譜測定無機非金屬離子，用ICPMS測定金屬元素。賽默飛憑借其離子色譜和ICPMS的領先技術，緊扣SEMI標準，為半導體客戶提供簡單、快速和準確的光刻膠和光刻相關材料中無機金屬離子和非金屬離子的檢測方案，確保半導體產業的發展和升級順利進行。
針對光刻膠及光刻相關材料中痕量無機非金屬離子和金屬元素的分析，賽默飛離子色譜和ICPMS提供三大解決方案。
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方案一
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NMP、PGMEA、DMSO等有機溶劑中
痕量無機金屬和非金屬離子的測定方案
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光刻膠所用有機溶劑中無機非金屬離子的限量要求低至ppb~ppm級別。賽默飛離子色譜提供有機溶劑直接進樣的方式，通過譜睿技術在線去除有機基質，一針進樣同時分析SEMI標準要求監控的無機非金屬離子。整個分析過程無需配制任何淋洗液和再生液，方法高效穩定便捷，避免了試劑、環境、人員等因素可能引入的污染。
ICS 6000高壓離子色譜
有機試劑閥切換流路圖
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光刻膠溶劑中ng/L級超痕量金屬雜質的測定，要求將有機溶劑直接進樣避免因樣品制備過程引起的污染。由于?PGMEA?和?NMP具有高揮發性和高碳含量，其基質對ICPMS分析會引入嚴重的多原子離子干擾，并對等離子體帶來高負載。iCAP TQs ICP-MS?中采用等離子體輔助加氧除碳，并結合冷等離子體、串聯四級桿和碰撞反應技術，可有效去除干擾。變頻阻抗式匹配的RF發生器設計，可輕松應對有機溶劑直接進樣，并可實現冷焰和熱焰模式的穩定切換。
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冷焰TQ-NH3模式測定
NMP中Mg
熱焰TQ-O2模式測定
NMP中V
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NMP、PGMEA有機溶劑直接進樣等離子體狀態
未加氧（左），加氧（右）
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方案二
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顯影液中無機金屬離子及非金屬離子測定方案
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光刻工藝中常用的正膠顯影液是氫氧化鈉和四甲基氫氧化銨，對于這兩大堿性試劑賽默飛推出強大的在線中和技術，樣品僅需稀釋2倍或無需稀釋直接進樣，避免了樣品前處理引入的誤差和污染，對此類樣品中陰離子的定量限達到10ppb以下。這一方法幫助多家高純試劑客戶解決了堿液檢測的技術難題，將該領域的高純試劑純度提升到國際先進水平。
中和器工作原理
四甲基氫氧化銨TMAH是具有強堿性的有機物，作為顯影液的TMAH常用濃度為2.38%,?為了避免樣品處理中引入的污染，ICPMS通常采用直接進樣方式測定。在高溫下長時間進樣堿性樣品，會導致腐蝕石英炬管，引起測定空白值的提高。iCAP TQs使用最新設計的SiN陶瓷材料Plus Torch，耐強酸強堿，可一勞永逸地解決堿性樣品中痕量金屬離子的測定。
新型等離子體炬管Plus Torch
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方案三
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光刻膠單體和聚體中鹵素及金屬離子測定方案
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光刻膠單體和聚體不溶于水，雖溶于有機試劑但容易析出，常規方法難以去除基質影響。賽默飛推出CIC在線燃燒離子色譜-測定單體和聚體中的鹵素，通過燃燒，光刻膠樣品基質被完全消除，實現一次進樣同時分析樣品中的所有鹵素含量。燃燒過程實時監控，測定結果準確穩定，滿足光刻膠中痕量鹵素的限量要求。
圖?CIC燃燒離子色譜儀
SEMI P32標準使用原子吸收、ICP光譜和ICP質譜法來測定光刻膠中ppb級的Al Ca Cr?等10種金屬雜質，樣品前處理可采用溶劑溶解和干法灰化酸提取兩種方法。溶劑溶解法是使用PGMEA等有機溶劑將樣品稀釋50-200倍，超聲波振蕩充分溶解后，直接進樣測定。部分聚合物較難溶解于有機溶劑中，將采用500-800度干法灰化處理，并用硝酸溶解殘留物提取。iCAP TQs采用在樣品中添加內標工作曲線法測定，對于不同基質樣品及處理方法的樣品可提供準確的測定結果。
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總結
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針對集成電路用光刻膠及光刻相關材料，賽默飛離子色譜和ICPMS提供無機非金屬離子和金屬離子雜質檢測的完整解決方案，為光刻膠及高純試劑客戶提供安全、便捷可控的全方位支持。“膠”相輝映，賽默飛在行動，助力集成電路產業發展，促進光刻膠國產化進程，歡迎來詢！
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