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本應用說明討論了老虎光學公司的超微量水分分析儀如何幫助半導體制造商確保其散裝氣體的純度。我們來看看推動半導體行業將分析儀性能推向新高度的驅動因素，并展示Tiger最新的H2O分析儀HALO KA Max H2O如何通過達到前所未有的檢測靈敏度和響應速度來應對這一挑戰。

推動半導體制造的現代應用

半導體市場正迎來一個新的創新時代，新的應用推動了對先進半導體器件的需求，這些器件對可靠性、功率處理能力和功耗提出了更嚴格的要求，同時將更多的功能封裝到更小的封裝中，減少了技術節點。在這些要求越來越高的應用程序中，功能越來越強大的智能手機和平板電腦，它們的目標是提高電池壽命。最近，汽車傳感器系統、物聯網（IoT）、下一代無線通信（5G）和智能電網已成為未來幾年和幾十年具有巨大擴展潛力的應用。例如，未來的自動駕駛汽車（如圖1所示）需要大量的能源。

圖1未來自動駕駛汽車的藝術圖解

計算能力的實時處理來自攝像機和傳感器的輸入；并且必須有必要的高性能處理器既可靠又高效。

對高質量氣體和更好的分析的需求

為了應對這些新應用的挑戰，半導體行業的國際器件和系統路線圖（IRD）1將制造質量列為一個關鍵方面；因此，半導體器件制造商正在對制造過程的各個方面實施更嚴格的控制，從潔凈室環境和晶圓加工工具到用于生產的原材料，其中許多是氣體。因此，改善氣體質量控制是半導體制造廠提高產量和降低故障率的最重要措施之一。

隨著對監測和確保更嚴格和更一致的氣體質量的需要，對更靈敏和準確的分析技術提出了要求。與此同時，響應速度也變得越來越重要，因為晶圓廠運營商嚴重依賴實時過程控制來提高生產能力。

老虎光學公司自2001年成立以來一直為半導體行業提供激光水分分析儀陣列。在許多最先進的半工廠中，老虎腔衰蕩光譜（CRDS）分析儀是確保制造過程中使用的主要氣體質量的金標準，這些氣體通常是N2、CDA、O2、H2、Ar和He。由于H2O是最關鍵的氣體雜質之一，Tiger的分析儀以其最終的靈敏度、快速的響應速度和出色的可靠性在fab中扮演著至關重要的角色。

一種棘手的情況微量水檢測的困難

H2O是工廠氣體質量控制的首要任務，因為它對工藝的破壞性很強，而且是最難避免的污染物之一。從分析的角度來看，氣體中的水分檢測往往是一項困難的任務，因為分子傾向于粘附在表面。對于依賴于與H2O分子的物理相互作用的分析技術，因此很難實現快速響應。此外，半導體器件制造的檢測限要求非常嚴格，從十億分之幾（ppb）低到百萬分之幾（ppt），這超出了許多痕量檢測技術的靈敏度極限。

成功測量此應用的水分最關鍵的方面是：

1.零基線靈敏度和準確度

2.基線穩定性

3.反應速度

零基線的準確性。有一個真正的零是確保分析儀基線精度的關鍵。大多數傳統分析儀都依賴于零氣體來校準儀器的基線。但在ppt水平的H2O，真的有“零氣體”這樣的東西嗎？雖然現代凈化器在去除水分方面非常有效，但這樣低的H2O水平通常低于大多數凈化器制造商的規格。因此，由于很難從“零氣體”中完全去除H2O，因此，依靠零氣體校準的測量技術很難獲得精確的零。相反，Tiger的CRDS系統不依賴于零氣體測量來獲得儀器的零校準。Tiger的分析儀使用“光譜零點”，即H2O不吸收的波長，以確定真正的測量基線，而不依賴于氣體中是否存在H2O。在測量操作期間，分析儀不斷參考該真零點的濃度讀數，以保持絕對精度。

基線穩定性。微量水分測量的另一個關鍵方面是長期穩定性。大多數傳統分析儀在校準過程中都會遇到漂移，這就要求分析儀定期進行“歸零”。那么，如果零氣體慢慢增加它的含水量，會發生什么呢？這種“水分蠕動”很容易由凈化器故障引起；而H2O的緩慢上升可能與儀器漂移無法區分。在這種情況下，分析儀的周期性調零會導致一個移動的偏移量，這可能會掩蓋樣品氣體中濕度水平緩慢但真實的增加。因此，對進程的潛在威脅可能變得無法檢測。

老虎的系統并非如此。CRD的時間性和絕對性的直接結果，任何顯著性。

1 HALO KA Max和HALO KA H2O檢測規范

*定義為超過24小時的3σ或干燥極限中的較大值

圖2老虎光學公司最先進的HALO KA H2O微量水分分析儀

（左）和下一代HALO KA Max H2O（右）

漂移源，如環境因素或激光漂移，在測量過程中被抵消，使分析儀基線漂移在分析儀的LDL規范范圍內。因此，超高純度氣體中的所有真實殘余H2O仍將在分析儀中顯示為真實讀數，而不是“校準”。

反應速度。水分的粘性也會導致大多數H2O分析儀的響應速度變慢。然而，現代晶圓廠更喜歡實時監控其生產過程，這使得快速檢測雜質干擾或其他問題成為必要。CRDS在該領域已被證明在這方面更為優越，因為它是一種純光學、非接觸式檢測方法，不依賴于與H2O分子的物理相互作用（例如，與基于電解或晶體的水分分析儀不同）。因此，沒有可能限制分析儀響應的交互時間。此外，老虎光學一直致力于通過限制內部體積和表面積、應用高級表面處理和優化氣體流量來提高響應時間，從而提供的響應速度僅為幾分鐘而不是數小時。

這些深刻的優勢是使老虎光學的水分分析儀成為最準確和可靠的系統，監測進入半導體工廠的散裝氣體。因此，SEMI組織將CRD概述為在SEMI F112.2中鑒定管道和測量散裝氣體中痕量H2O的標準技術。

HALO KA和HALO KA Max是半散裝氣體監測的首選

隨著現代半導體制造廠尋求最高水平的性能和可靠性，老虎光學的優質水分分析儀是持續實現最大產量和產量的最佳選擇。表1匯總了HALO KA H2O和HALO KA Max的檢測限和零精度規范。

HALO KA H2O現代半工廠最先進的水分分析儀。大多數先進的半導體制造廠首選老虎光學公司的CRDS微量水分析儀。

圖3老虎光學公司的微量水分分析儀

技術符合SEMI F112標準。許多工廠選擇的分析儀是HALO KA H2O（圖2，左圖）。由于在氮氣中的檢測限為300 ppt（在24小時內規定為3σ），而在其他散裝氣體中的檢測限甚至更低，因此KA滿足了大多數先進半導體制造廠的需要。此外，與競爭對手相比，HALO KA在分析儀機架中節省了大量空間，因為兩臺分析儀可安裝在一個19英寸的插槽內。除了高性能和可靠性外，HALO KA還為工廠節省了大量的運營成本，無需維護、現場校準或備件。

HALO KA Max H2O Tiger的新旗艦H2O分析儀。Tiger Optics的新HALO KA Max（圖2，右圖）是要求H2O檢測限值低于100 ppt的電子氣體制造商和半導體制造商的理想選擇。這種下一代分析儀標榜更低的檢測極限和更快的響應速度。這是Tiger Optics的首款濕度分析儀，在所有主要半散裝氣體中的檢測限值為100 ppt（3σ/24小時或干燥極限）。這個新的性能基準使HALO KA Max成為Tiger系列微量水分分析儀中的新旗艦產品（如圖3所示）。

圖4:18小時干燥氮氣中鹵素KA最大基線讀數顯示

濕度低于100 ppt時性能穩定

為了說明HALO KA Max出色的基線性能，圖4顯示了干燥氮氣下18小時內的讀數（黑色軌跡）。測量結果表明，HALO KA Max能夠舒適地測量低于100 ppt的溫度，這實際上挑戰了大多數采樣系統實現如此低H2O水平的能力。更令人印象深刻的是分析儀在接近零的水平下的精度（測量值為1σ），在本例中僅為12 ppt。HALO KA Max的保證規格要求在氮氣中精度為40 ppt，在He中低至10 ppt。相比之下，紅色軌跡顯示了HALO KA的基線性能，其在1 ppb以下也表現出出色的性能，其測量精度（1σ）為74 ppt，在氮氣中的保證精度規格為100 ppt。

HALO KA Max卓越檢測極限的關鍵在于其全新的電子和光學平臺，允許分析儀以較低的測量噪聲運行。此外，新平臺有更大的計算能力，優化的流動路徑，改進的潤濕材料，也允許提高響應速度。當接近低ppt H2O水平時，這對于保持分析儀的實時檢測能力非常重要。水分干燥時間隨著濃度的降低呈指數增加。在某些情況下，分析儀的響應速度會變得太慢，無法用于實時過程控制。HALO KA Max的優化設計使其能夠在ppt到ppb水平上表現出響應速度，而其他儀器只能在更高濃度下實現。圖5通過模擬過程控制情況（1ppb控制限值和偶爾的H2O峰值僅為十億分之幾（用橙色標記表示）的過程控制情況，生動地說明了這一事實。光環KA-Max不僅靈敏地捕捉到了最小的峰值，而且在如此低的水平上，它不可思議的響應速度也立即顯示出了不安。這意味著您的進程可以立即受到保護。

圖5顯示了HALO KA Max對水分峰值的響應

在低ppb水平下，模擬過程控制限值為1ppb

圖6 CRDS原理

水分過多。一旦去除H2O源，分析儀也會在幾分鐘內返回到控制限值以下，因此過程可以在最小延遲下恢復。雖然HALO KA Max可以相當輕松地執行此操作，但它應該需要注意的是，大多數其他分析儀既沒有靈敏度也沒有速度以同樣的精度響應這些模擬的水分擾動。

結論

總而言之，老虎目前的超微量水分分析儀組合使現代半導體工廠比以往任何時候都能更有效、更可靠地保護他們的工藝過程，使其氣體質量不受影響。通過使用HALO KA H2O和HALO KA Max H2O，晶圓廠已準備好滿足當前和未來高性能設備的質量要求。

腔衰蕩光譜

所有老虎光學儀器都是基于CRD的。CRDS系統的關鍵組件如圖6所示。

CRDS的工作原理是將激光調諧到樣本物種的獨特分子指紋。準確的測量光環需要毫秒的時間。光衰變的時間，本質上，提供了一個準確，無創，快速的手段來檢測污染物。

老虎光學概述

泰格光學成立于2001年，一直是高性能激光氣體分析儀的首選供應商，以提高行業標準和實現前沿研究。通過利用科學家、工程師和行業專家的專業知識，我們提供先進的整體解決方案、現場支持、分析儀培訓和建議，幫助客戶提高產量和降低成本。通過創建提供快速、可靠和穩定測量的現成解決方案，Tiger Optics支持天然氣和化工生產、半導體制造和許多其他市場的持續創新。