Carla Frege
TOFWERK, Switzerland
高端半导体产业的研发和生产区域，俗称洁净室或者无尘室(cleanroom)，可能是地球上对空气质量要求最高的场所之一。在半导体工艺越来越接近摩尔极限的今天，除了原材料品质、工艺硬件和运行参数之外，洁净室内的空气质量与晶圆产量和产率也有很强的正相关性[1]。在这个大前提下，对洁净室内气态分子污染物（airborne molecular contaminants, AMC）的检测需要也越来越精确和敏感，同时也将常规化。
半导体产业一般参照ISO 14664-1标准来进行洁净室定级：基于每单位体积空气内颗粒物的数浓度和大小分布，洁净室级别可分级在ISO 1到ISO 9之间。与环境大气中的机理类似，洁净室空气中颗粒物也可以分为一次或二次生成。一次源主要来自于整个洁净室FAB的供气和过滤系统，而二次生成则与某些特定气态前驱物息息相关。除了常见的无机/有机酸、氨气和碱分子之外，可能促进新粒子生成和生长的有机化合物也需要纳入监控清单之内。
本文中利用Vocus CI-TOF质谱仪，分别在某半导体工厂ISO 6和ISO 8级别的洁净室内进行了测量。每间洁净室内分别选取了两个采样点，共四个采样点（图1）
图1. 某工厂内两间洁净室内的采样点分布，A和B点位于ISO 8级别洁净室1，C和D点位于ISO 6级别洁净室2。
Vocus CI-TOF质谱仪的秒级检测能力使得多点采样，测量的整体时间和成本控制在合理的范围之内。也就意味着，分布在车间内的设备异常或工艺错误，突发或者人为污染或泄漏都可以在几秒钟内被Vocus系统检测到。图2展示了上述四个采样点连续检测到的丙酮、乙酸和环戊酮浓度数值。首先值得注意的是，Vocus检测仪在切换不同采样点和零气过程当中的信号快速爬升和下降速度（也就是俗称的T90仪器响应时间）。丙酮的浓度差异不大，说明极大可能是来自于洁净室工作人员呼出气体，没有溶剂使用的影响。环戊酮的浓度与ISO等级成相关性：ISO 8级别的洁净室内浓度较高。乙酸在两间洁净室的各测量点的浓度不尽一致，根据现有的数据，没有一个显著性的规律，具体原因需要更多测量结果来解答。
图2. 两间洁净室不同采样点的测试结果节选。环戊酮浓度（黑色线条）在两间洁净室之间有显著差异而乙酸浓度（红色）则无显著差异。丙酮（蓝色）浓度相对一致，也说明了它在两间洁净室内的共同来源：人员呼出气体。
Vocus CI-TOF质谱仪独有的灵活性和拓展性可以将AMC的可检测物种扩大到 其他种类。图3展示的是在碘负离子模式下采样点B获取的谱图以及一些节选的无机/有机酸等物种检测信息。
图3. B采样点的负离子谱图信息。在谱图低、中、高质荷比范围都有较明显的信号检出：包含有乙酸(CH3COOH), 氟乙醛 (C2H3FO2), 硝酸 (HNO3), 三氟乙酰胺 (C2H2F3NO), C4H2O4, 马來酸 (C4H4O4), 含氟表面活性剂PFAS (C5F10H2O2 and C6H10H2O2)等。
参考文献
1. Den et.al., Journal of The Electrochemical Society 153(2):G149-G159, 2005, DOI:10.1149/1.2147286