通过高级分析和可持续性实现半导体行业转型

半导体行业趋势和洞察

尽管存在季节性波动和宏观环境不确定性，但半导体行业在 2024 年大幅反弹后，在 2025 年表现出韧性，这主要是由于人工智能应用的繁荣。 目前，全球半导体销售额预计将达到 1 万亿美元，需求由技术创新推动，包括对生成式 AI 的持续兴趣、数字孪生的日益普及以及自动驾驶技术的进步。 数据流量和发电量的爆炸式增长也推动了对额外计算能力的需求。
为了克服这些挑战并保持其增长轨迹，半导体行业必须不断创新。通过利用新技术（例如高级分析工具），它可以增强其响应不断变化的市场需求和推动进步的能力。

挑战和机遇

半导体行业面临几项关键挑战，包括产量损失和提高其可持续性的压力。幸运的是，先进的分析仪器可以通过提供精确的杂质检测和改进的质量控制 （QC） 在克服这些障碍方面发挥关键作用，这对于降低故障率和提高整体生产效率至关重要。
良率是半导体工厂 （fab） 竞争力的关键，直接影响成本和产能利用率。周边 污染造成的 50% 的产量损失，1、2 Yield 增强和污染控制是制造商的首要任务。然而，这可能要求很高，因为污染物可以在多个阶段进入制造过程，包括注入、蚀刻、沉积、平坦化、清洁和光刻。
此外，由于线宽越来越小，薄膜层越来越薄（低至 10 纳米），杂质含量必须保持在十亿分之几，以确保集成电路 （IC） 制造的一致产量。 超痕量污染物会降低产量并影响产品可靠性，杂质分析必须涵盖制造过程的所有阶段，从超纯水和晶圆制造材料到最终产品的质量保证 （QA），甚至来自洁净室空气和制造设备的污染物。
晶圆厂材料（例如晶圆、加工化学品、光刻胶、电子特种气体、溅射靶材等）的质量控制 至关重要。因此，在供应链的每个阶段，使用既定的标准化测试和检验程序来保持最佳的 QA/QC 至关重要，因为这可以减少污染、材料可变性和配方差异。
随着全球半导体产能的不断扩大，芯片制造与环保之间的冲突日益凸显。为了解决这个问题，公司正在制定环境、社会和治理 （ESG） 指南和政策，以支持绿色制造、绿色设计、绿色采购和绿色产品。 S ustainable 化学品管理——一种优先考虑人类健康和环境保护的化学品处理方法——是成功的 ESG 政策的另一个关键组成部分，因为它强调化学品管理实践的透明度、协作和持续改进。
这种转变的例子是全氟和多氟烷基物质 （PFAS） 的替代品以及 PFAS 减排的研究。含有 PFAS 的材料在半导体制造中至关重要，因为y 具有许多半导体应用所需的一系列独特特性，包括表面张力、稳定性和化学相容性。 这些化合物用于加工化学品和制造设备，确保可靠性和性能。然而，PFAS 带来了重大的环境和健康挑战。半导体行业一直在识别、测试和实施改进的过程控制，以最大限度地减少有害物质（包括含 PFAS 的材料）释放到环境中。

帮助半导体行业应对挑战的技术

新技术的出现使半导体行业能够应对现有挑战并抓住新的增长机会。建立伙伴关系和促进合作对于推进创新技术和增强整个半导体价值链的服务能力至关重要。这包括过程监控、晶圆厂材料的质量控制、无机和有机杂质的检测、纳米颗粒的鉴定、遵守环境健康和安全标准以及真空泄漏检测等领域。
杂质检测和 QC 技术的开发对于保持高产量和降低加工成本至关重要。 最麻烦的污染物是金属杂质和颗粒，它们可能导致元件泄漏，降低元件的击穿电压，并可能导致故障和失效。
电感耦合等离子体质谱法 （ICP-MS） 等先进技术对于在制造过程的每个阶段检测痕量和超痕量元素杂质和颗粒是必不可少的。 电感耦合等离子体发射光谱 （ICP-OES） 也适用于 IC 制造中使用的高基体材料测试。
除了元素杂质外，在整个制造过程中监测和控制有机污染也至关重要，因为即使是痕量杂质也会降低产量。
半导体行业面临着原材料和一系列物质（包括光刻胶和化学机械平坦化 （CMP） 材料）的 QC 挑战。这些挑战包括提高生产质量的研究，以及分析聚合物分子量、控制合成过程、进行配方研究、鉴定杂质和净化化学品等任务。困难在于缺乏可用数据。
一种策略是利用多平台检测技术，例如凝胶渗透色谱 （GPC）、高效液相色谱 （HPLC）、液相色谱-三重四极杆质谱 （LC-QQQ）、液相色谱-四极杆飞行时间 （LC-QTOF）、气相色谱 （GC） 和气相色谱-质谱 （GC-MS）.这些可以共同收集确保商品符合最严格要求所需的综合数据。
为了实现经济高效的制造，自动化和智能解决方案（例如在线/在线监测 水、加工化学品和环境中的污染物）有助于确保制造过程的每个阶段（从晶圆制造材料到晶圆测试和最终产品质量保证）都符合最高标准。这有助于改进根本原因分析并加快良率提高。

分析半导体材料的光学特性也很重要。为此，紫外/可见光 （UV/Vis） 光谱用于测试 CPU 和 RAM 等设备中薄膜涂层晶圆的透射、散射和反射。这有助于评估镀膜层的光学性能并检查其均匀性。结果可以帮助识别和解决涂层过程中的任何问题。
除了支持生产、提高纯度和产量外，先进的分析工具还支持合规性。半导体和电子行业必须遵守一系列环境健康与安全 （EH&S） 法规和行业标准，例如化学品注册、评估、授权和限制 （REACH）、限制在电气和电子设备中使用某些有害物质 （RoHS）、电气和电子设备中的废物 （WEEE） 和 SEMI.这些标准管理着从原材料测试到最终产品的 QA/QC、辅助过程（如排放监测和控制）以及废水排放。
例如，解决 PFAS 挑战需要大量研发投资，以找到与其性能和稳定性相匹配的可行替代品，同时遵守法规以减少 PFAS 排放并确保安全处理和处置。
先进的分析工具在这项工作中至关重要，能够精确监测制造设施、材料和环境中的 PFAS 水平。这些工具可帮助制造商检测和减少 PFAS 排放，确保符合严格的环境法规。

半导体行业的未来

在一系列要求苛刻的技术发展的推动下，半导体行业正处于变革性增长的边缘。它同时面临着监管机构和客户对提高可持续性的呼吁。平衡这两个需求，同时保持生产力，是一项挑战。幸运的是，最新的测试和 QC 技术的使用已经帮助晶圆厂交付下一代高性能产品，提高产量，同时加强行业的环保认证。