本应用说明讨论了老虎光学公司的超微量水分分析仪如何帮助半导体制造商确保其散装气体的纯度。我们来看看推动半导体行业将分析仪性能推向新高度的驱动因素，并展示Tiger最新的H2O分析仪HALO KA Max H2O如何通过达到前所未有的检测灵敏度和响应速度来应对这一挑战。

推动半导体制造的现代应用

半导体市场正迎来一个新的创新时代，新的应用推动了对先进半导体器件的需求，这些器件对可靠性、功率处理能力和功耗提出了更严格的要求，同时将更多的功能封装到更小的封装中，减少了技术节点。在这些要求越来越高的应用程序中，功能越来越强大的智能手机和平板电脑，它们的目标是提高电池寿命。最近，汽车传感器系统、物联网（IoT）、下一代无线通信（5G）和智能电网已成为未来几年和几十年具有巨大扩展潜力的应用。例如，未来的自动驾驶汽车（如图1所示）需要大量的能源。

图1未来自动驾驶汽车的艺术图解

计算能力的实时处理来自摄像机和传感器的输入；并且必须有必要的高性能处理器既可靠又高效。

对高质量气体和更好的分析的需求

为了应对这些新应用的挑战，半导体行业的国际器件和系统路线图（IRD）¹将制造质量列为一个关键方面；因此，半导体器件制造商正在对制造过程的各个方面实施更严格的控制，从洁净室环境和晶圆加工工具到用于生产的原材料，其中许多是气体。因此，改善气体质量控制是半导体制造厂提高产量和降低故障率的最重要措施之一。

随着对监测和确保更严格和更一致的气体质量的需要，对更灵敏和准确的分析技术提出了要求。与此同时，响应速度也变得越来越重要，因为晶圆厂运营商严重依赖实时过程控制来提高生产能力。

老虎光学公司自2001年成立以来一直为半导体行业提供激光水分分析仪阵列。在许多最先进的半工厂中，老虎腔衰荡光谱（CRDS）分析仪是确保制造过程中使用的主要气体质量的金标准，这些气体通常是N2、CDA、O2、H2、Ar和He。由于H2O是最关键的气体杂质之一，Tiger的分析仪以其最终的灵敏度、快速的响应速度和出色的可靠性在fab中扮演着至关重要的角色。

一种棘手的情况微量水检测的困难

H2O是工厂气体质量控制的首要任务，因为它对工艺的破坏性很强，而且是最难避免的污染物之一。从分析的角度来看，气体中的水分检测往往是一项困难的任务，因为分子倾向于粘附在表面。对于依赖于与H2O分子的物理相互作用的分析技术，因此很难实现快速响应。此外，半导体器件制造的检测限要求非常严格，从十亿分之几（ppb）低到百万分之几（ppt），这超出了许多痕量检测技术的灵敏度极限。

成功测量此应用的水分最关键的方面是：

1.零基线灵敏度和准确度

2.基线稳定性

3.反应速度

零基线的准确性。有一个真正的零是确保分析仪基线精度的关键。大多数传统分析仪都依赖于零气体来校准仪器的基线。但在ppt水平的H2O，真的有“零气体”这样的东西吗？虽然现代净化器在去除水分方面非常有效，但这样低的H2O水平通常低于大多数净化器制造商的规格。因此，由于很难从“零气体”中完全去除H2O，因此，依靠零气体校准的测量技术很难获得精确的零。相反，Tiger的CRDS系统不依赖于零气体测量来获得仪器的零校准。Tiger的分析仪使用“光谱零点”，即H2O不吸收的波长，以确定真正的测量基线，而不依赖于气体中是否存在H2O。在测量操作期间，分析仪不断参考该真零点的浓度读数，以保持绝对精度。

基线稳定性。微量水分测量的另一个关键方面是长期稳定性。大多数传统分析仪在校准过程中都会遇到漂移，这就要求分析仪定期进行“归零”。那么，如果零气体慢慢增加它的含水量，会发生什么呢？这种“水分蠕动”很容易由净化器故障引起；而H2O的缓慢上升可能与仪器漂移无法区分。在这种情况下，分析仪的周期性调零会导致一个移动的偏移量，这可能会掩盖样品气体中湿度水平缓慢但真实的增加。因此，对进程的潜在威胁可能变得无法检测。

老虎的系统并非如此。CRD的时间性和绝对性的直接结果，任何显著性。

1 HALO KA Max和HALO KA H2O检测规范

*定义为超过24小时的3σ或干燥极限中的较大值

图2老虎光学公司最先进的HALO KA H2O微量水分分析仪

（左）和下一代HALO KA Max H2O（右）

漂移源，如环境因素或激光漂移，在测量过程中被抵消，使分析仪基线漂移在分析仪的LDL规范范围内。因此，超高纯度气体中的所有真实残余H2O仍将在分析仪中显示为真实读数，而不是“校准”。

反应速度。水分的粘性也会导致大多数H2O分析仪的响应速度变慢。然而，现代晶圆厂更喜欢实时监控其生产过程，这使得快速检测杂质干扰或其他问题成为必要。CRDS在该领域已被证明在这方面更为优越，因为它是一种纯光学、非接触式检测方法，不依赖于与H2O分子的物理相互作用（例如，与基于电解或晶体的水分分析仪不同）。因此，没有可能限制分析仪响应的交互时间。此外，老虎光学一直致力于通过限制内部体积和表面积、应用高级表面处理和优化气体流量来提高响应时间，从而提供的响应速度仅为几分钟而不是数小时。

这些深刻的优势是使老虎光学的水分分析仪成为最准确和可靠的系统，监测进入半导体工厂的散装气体。因此，SEMI组织将CRD概述为在SEMI F112.²中鉴定管道和测量散装气体中痕量H2O的标准技术。

HALO KA和HALO KA Max是半散装气体监测的首选

随着现代半导体制造厂寻求最高水平的性能和可靠性，老虎光学的优质水分分析仪是持续实现最大产量和产量的最佳选择。表1汇总了HALO KA H2O和HALO KA Max的检测限和零精度规范。

HALO KA H2O现代半工厂最先进的水分分析仪。大多数先进的半导体制造厂首选老虎光学公司的CRDS微量水分析仪。

图3老虎光学公司的微量水分分析仪

技术符合SEMI F112标准。许多工厂选择的分析仪是HALO KA H2O（图2，左图）。由于在氮气中的检测限为300 ppt（在24小时内规定为3σ），而在其他散装气体中的检测限甚至更低，因此KA满足了大多数先进半导体制造厂的需要。此外，与竞争对手相比，HALO KA在分析仪机架中节省了大量空间，因为两台分析仪可安装在一个19英寸的插槽内。除了高性能和可靠性外，HALO KA还为工厂节省了大量的运营成本，无需维护、现场校准或备件。

HALO KA Max H2O Tiger的新旗舰H2O分析仪。Tiger Optics的新HALO KA Max（图2，右图）是要求H2O检测限值低于100 ppt的电子气体制造商和半导体制造商的理想选择。这种下一代分析仪标榜更低的检测极限和更快的响应速度。这是Tiger Optics的首款湿度分析仪，在所有主要半散装气体中的检测限值为100 ppt（3σ/24小时或干燥极限）。这个新的性能基准使HALO KA Max成为Tiger系列微量水分分析仪中的新旗舰产品（如图3所示）。

图4:18小时干燥氮气中卤素KA最大基线读数显示

湿度低于100 ppt时性能稳定

为了说明HALO KA Max出色的基线性能，图4显示了干燥氮气下18小时内的读数（黑色轨迹）。测量结果表明，HALO KA Max能够舒适地测量低于100 ppt的温度，这实际上挑战了大多数采样系统实现如此低H2O水平的能力。更令人印象深刻的是分析仪在接近零的水平下的精度（测量值为1σ），在本例中仅为12 ppt。HALO KA Max的保证规格要求在氮气中精度为40 ppt，在He中低至10 ppt。相比之下，红色轨迹显示了HALO KA的基线性能，其在1 ppb以下也表现出出色的性能，其测量精度（1σ）为74 ppt，在氮气中的保证精度规格为100 ppt。

HALO KA Max卓越检测极限的关键在于其全新的电子和光学平台，允许分析仪以较低的测量噪声运行。此外，新平台有更大的计算能力，优化的流动路径，改进的润湿材料，也允许提高响应速度。当接近低ppt H2O水平时，这对于保持分析仪的实时检测能力非常重要。水分干燥时间随着浓度的降低呈指数增加。在某些情况下，分析仪的响应速度会变得太慢，无法用于实时过程控制。HALO KA Max的优化设计使其能够在ppt到ppb水平上表现出响应速度，而其他仪器只能在更高浓度下实现。图5通过模拟过程控制情况（1ppb控制限值和偶尔的H2O峰值仅为十亿分之几（用橙色标记表示）的过程控制情况，生动地说明了这一事实。光环KA-Max不仅灵敏地捕捉到了最小的峰值，而且在如此低的水平上，它不可思议的响应速度也立即显示出了不安。这意味着您的进程可以立即受到保护。

图5显示了HALO KA Max对水分峰值的响应

在低ppb水平下，模拟过程控制限值为1ppb

图6 CRDS原理

水分过多。一旦去除H2O源，分析仪也会在几分钟内返回到控制限值以下，因此过程可以在最小延迟下恢复。虽然HALO KA Max可以相当轻松地执行此操作，但它应该需要注意的是，大多数其他分析仪既没有灵敏度也没有速度以同样的精度响应这些模拟的水分扰动。

结论

总而言之，老虎目前的超微量水分分析仪组合使现代半导体工厂比以往任何时候都能更有效、更可靠地保护他们的工艺过程，使其气体质量不受影响。通过使用HALO KA H2O和HALO KA Max H2O，晶圆厂已准备好满足当前和未来高性能设备的质量要求。

腔衰荡光谱

所有老虎光学仪器都是基于CRD的。CRDS系统的关键组件如图6所示。

CRDS的工作原理是将激光调谐到样本物种的独特分子指纹。准确的测量光环需要毫秒的时间。光衰变的时间，本质上，提供了一个准确，无创，快速的手段来检测污染物。

老虎光学概述

泰格光学成立于2001年，一直是高性能激光气体分析仪的首选供应商，以提高行业标准和实现前沿研究。通过利用科学家、工程师和行业专家的专业知识，我们提供先进的整体解决方案、现场支持、分析仪培训和建议，帮助客户提高产量和降低成本。通过创建提供快速、可靠和稳定测量的现成解决方案，Tiger Optics支持天然气和化工生产、半导体制造和许多其他市场的持续创新。