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科儀新知
2019.09.20

彩世界低半導體製程中微量元素分析之背景值干擾

半導體常應用於科技與電子產品

半導體(Semiconductor)為一種電導率介於絕緣體與導體之間的物質,通常採用矽或鍺作為材料,經過加入特定的元素(如砷、磷、硼……)即可成為不同形式的半導體,可作成測光器、放大器、整流器……進而應用於電子產品、通訊、工業儀器等領域,無論是從科技或是經濟發展的角度來看,半導體都占有非常重要的地位,本篇將介紹如何降低半導體製程中微量金屬元素分析(Trace Metal Analysis)之背景值干擾。

彩世界於半導體製程中的重要性

半導體產品的完成需經過許多步驟,包括切割、研磨、蝕刻、拋光、洗淨、檢驗、包裝…等。在處理半導體材料的過程中需使用到許多化學溶劑與酸、鹼溶液、去離子水,這些在製程中會接觸到的媒介皆有可能會殘留雜質與特定污染物等不純物質如有機物、微量金屬元素於半導體材料上,這些不必要的微量金屬元素皆可能會造成半導體製品性能降低或缺陷,因此測定在製程中使用之化學溶液中的超微量金屬含量、與檢驗半導體製品的潔淨度,皆成為半導體製造中不可或缺的步驟。

從源頭降低超微量分析中的背景值干擾

半導體製程中使用了許多種類的化學溶液,這些化學溶液的純度與保存溶液的容器皆需保有高潔淨度,如此才能有效避免製造過程中金屬元素的殘留。

在選擇化學溶液如高純度酸液的部份,除了直接購買市售酸液,另一個選擇是以次沸點超純酸蒸餾器(Sub-Boiling Distillation System)製造高純度酸液。下表1比較了以次沸點超純酸蒸餾器製造之酸液與市售超純酸液中微量金屬的濃度,由數據可見以次沸點超純酸蒸餾器製作出的酸液純度比市售超純酸還高,測出之微量金屬濃度皆為個位數ppt等級。

待測金屬元素偵測極限 (ppt)市售高純度硝酸 (ppt)次沸點超純酸蒸餾器製造之硝酸 (ppt)
Li1<1<1
Na11<1
Mg12<1
Al11<1
K1<1<1
Ca1<1<1
Cr151
Fe174
Ni171
Cu164
Zn1<1<1
W1<1<1
Hf1<1<1
Mn1<1<1
Ti1<1<1
Co1<1<1
Ge1<1<1
Sb1<1<1
Te1<1<1
Ag1<1<1
Au1<1<1
Gd1<1<1
La1<1<1
Pt1<1<1
Sr1<1<1
Zr1<1<1
In1<1<1
Mo12<1
Ta1<1<1
Be1<1<1
V111
As122
Cd1<1<1
Cs1<1<1
Ba1<1<1
Pb1<1<1

表1 次沸點超純酸蒸餾器製造、市售酸液中微量金屬濃度比較

使用高潔淨度PFA器具為降低微量元素分析背景值的保證

在半導體製作過程中,除了使用高純度酸液來避免微量金屬的污染以外,使用高潔淨度的鐵氟龍容器也能降低微量分析背景值。

超潔淨鐵氟龍實驗瓶(Purillex PFA/FEP Bottles)是以最高純度等級的原始含氟聚合物樹脂、在ISO Class 7無塵室中以射出拉伸吹瓶成型(Stretch Blow Molding)技術生產而出,與傳統押吹成型(Extrusion Blow Molding)技術相比,能讓鐵氟龍實驗瓶表面更細緻光滑,使污染物不容易殘留於瓶身表面,有效降低污染風險。於無塵室中進行PFA實驗瓶的製作,更可防止空氣中的顆粒污染,維持PFA製品於製造過程中的高潔淨度。

Savillex公司於無塵室中製造PFA製品

為了證明鐵氟龍實驗瓶之潔淨度,本研究測量了三個超潔淨鐵氟龍實驗瓶之金 屬含量,其實驗程序與分析結果如下:

  • 清潔:

以去離子水(Deionized water)沖洗超潔淨鐵氟龍實驗瓶,接著浸泡於高純度2% HNO3/ 1 % HF溶液中並保持50°C,置放七天後,倒掉此溶液並以去離子水充份清洗實驗瓶。

  • 提取實驗瓶中的微量金屬元素:

以高純度2% HNO3/ 1 % HF溶液浸泡實驗瓶,並使實驗瓶再次置放於50°C七天,此溶液即含有從實驗瓶中提取出的微量金屬元素。

  • 微量金屬元素分析:

將步驟2得到的溶液與空白溶液預濃縮125倍,以HR-ICP-MS(高解析感應耦合電漿質譜儀)進行63種金屬元素的微量分析,結果如表2:

待測金屬元素空白樣品 (ppt)1號瓶 (ppt)2號瓶 (ppt)3號瓶 (ppt)
Ag107(LR)<0.3<0.3<0.3<0.3
Al27(LR)0.8<0.50.80.8
As75(HR)<10<10<10<10
Au197(LR)<0.5<0.5<0.5<0.5
B11(LR)40204030
Ba138(LR)0.030.060.060.1
Be9(LR)<0.6<0.6<0.6<0.6
Bi209(LR)<0.2<0.2<0.2<0.2
Ca44(LR)991110
Cd114(LR)<0.2<0.2<0.2<0.2
Ce140(LR)0.20.10.20.2
Co59(MR)<0.1<0.1<0.1<0.1
Cr52(MR0.9<0.60.90.4
Cs133(LR)<0.01<0.01<0.01<0.01
Cu63(MR)<0.5<0.5<0.5<0.5
Dy164(LR)<0.01<0.01<0.01<0.01
Er166(LR)<0.01<0.01<0.01<0.01
Eu153(LR)<0.01<0.01<0.01<0.01
Fe56(MR)2<0.823
Ga69(LR)<0.3<0.3<0.3<0.3
Gd158(LR)0.02<0.020.030.03
Ge74(LR)<0.6<0.6<0.6<0.6
Hf180(LR)<0.02<0.02<0.02<0.02
Ho165(LR)<0.07<0.07<0.07<0.07
In115(LR)<0.01<0.01<0.01<0.01
K39(MR)<0.8<0.8<0.8<0.8
La139(LR)<0.02<0.02<0.02<0.02
Li7(LR)<0.1<0.1<0.1<0.1
Lu175(LR)<0.01<0.01<0.01<0.01
Mg24(LR)0.20.30.60.5
Mn55(MR)<0.1<0.1<0.1<0.1
Mo98(LR)<0.10.10.41
Na23(LR)3333
Nb93(LR)<0.01<0.01<0.010.02
Nd142(LR)0.020.020.030.03
Ni58(MR)7576
Pb208(LR)<0.080.1330.168<0.08
Pd106(LR)<0.04<0.04<0.040.05
Pr141(LR)<0.01<0.01<0.01<0.01
Pt195(LR)<1<1<1<1
Rb85(LR)<0.1<0.1<0.1<0.1
Re187(LR)<0.2<0.2<0.2<0.2
Rh103(LR)<0.2<0.2<0.2<0.2
Ru102(LR)<0.1<0.1<0.1<0.1
Sb121(LR)<0.09<0.09<0.09<0.09
Sc45(MR)<0.04<0.04<0.04<0.04
Sm152(LR)<0.02<0.02<0.02<0.02
Sn120(LR)<1<1<1<1
Sr88(LR)<0.5<0.5<0.5<0.5
Ta181(LR)<0.03<0.03<0.03<0.03
Tb159(LR)<0.01<0.01<0.01<0.01
Te125(LR)<0.3<0.3<0.3<0.3
Th232(LR)<0.1<0.1<0.1<0.1
Ti48(MR)2.50.55.42.4
Tl203(LR)<0.2<0.2<0.2<0.2
Tm169(LR)<0.02<0.02<0.02<0.02
U238(LR)<0.05<0.05<0.05<0.05
V51(MR)<0.04<0.04<0.04<0.04
W184(LR)0.40.10.50.4
Y89(LR)<0.01<0.01<0.01<0.01
Yb174(LR)<0.01<0.01<0.01<0.01
Zn66(MR)0.40.50.50.3
Zr90(LR)<0.01<0.010.030.02

表2 以HR-ICP-MS分析超潔淨鐵氟龍實驗瓶中63種金屬元素之結果

超潔淨PFA / FEP鐵氟龍實驗瓶適用於半導體產業

結果顯示出多數的元素含量於空白樣品中皆接近或低於ICP-MS之偵測極限,而由超潔淨鐵氟龍實驗瓶中提取出的微量元素濃度也都接近於空白樣品,此實驗證明了採用最高純度原料並以射出拉伸吹瓶成型技術生產出極潔淨的鐵氟龍容器,非常適合超純試劑之存放與超微量分析的應用。除此之外,使用化學耐受性佳的高純度鐵氟龍霧化器,也可有效避免ICP-MS檢測時的元素背景值干擾,提供您最潔淨的微量元素分析。

Reference

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