在数字化连接的世界中，人们越来越多地需要功能更强、更小、更快、更智能的设备高效与无缝执行任务和运行流程。由于半导体具备运算能力，并且可提高电子设备性能的能力，因此成为大多数现代技术应用与设备的基础。这些设备需求量的增加促使半导体行业快速发展，为半导体制造技术的创新提供了有利条件。
什么是半导体制造？
半导体制造流程为：在半导体晶圆上制成由二极管、电阻器与晶体管等组件组成的集成电路（IC）；然后将晶圆切割成单独的IC，进行封装与集成后制造出最终产品。半导体晶圆由纯元素制成，通常是硅。根据应用的不同，其他元素（如锗或砷化镓等材料）也可用于晶圆制造。晶圆制造是一种技术先进的工艺，每一个步骤都需要确保高精度，其中涉及到专业设备与洁净室环境。
半导体制造过程
第1步：设计
无晶圆厂或独立设计公司与电子设备制造商设计半导体芯片。
第2步：前端制造
亦称作晶圆制造，它是半导体行业的关键步骤，建造集成电路不同单个组件的所有初始阶段均发生在此过程中。它首先将纯硅锭切成圆片/晶圆，然后将晶圆抛光至完美无瑕的表面，再然后在晶圆上形成复杂的图案，通过多个广泛而先进的步骤形成集成电路。
第3步： 后端制造
在后端制造中，硅晶圆经过精确切割以形成单个晶粒/半导体芯片，然后执行组装与封装步骤。对封装的芯片进行测试，以确保其符合印刷电路板（PCB）上最终组装的规范。PCB制造与芯片制造中的封装步骤密切相关，因为PCB支撑与连接电子组件。PCB制造过程涉及蚀刻、层压、钻孔、电镀、丝网印刷与光刻等步骤。
第4步：最终产品集成
将芯片集成，以制造出最终产品，例如：智能手机或计算机。
随着新制造技术的开发以及材料科学领域的创新，晶圆制造工艺不断改进，以满足半导体芯片下游技术应用的更多需求。继这些创新之后，整个半导体制造生态系统（即：设计与无工厂公司、工厂/代工厂、集成设备制造商与材料供应商）均参与新一代半导体芯片的研究与开发。
半导体制造工作流程中的典型挑战是什么？
制造无缺陷的半导体芯片对于人类日常生活的顺利运行至关重要，包括使用到的产品和经济社会运行过程中的私人与公共服务。半导体行业致力于：
精确度
在晶圆制造的每个步骤（例如：光刻、蚀刻与掺杂）中，均需要高精度才能达到最终产品所需的性能与质量。
全面质量控制
利用多种分析技术对制备工艺进行广泛的监控与质量控制，以满足半导体芯片所需的质量标准。芯片中非常轻微的缺陷都会造成生产效率、良率、正常运行时间与最终收入的损失。
例如，在前端制造中，清洁与蚀刻槽以及其他加工化学品的成分对于达到后续制造步骤所需的晶圆性能至关重要。
高效且高产
随着数字化新时代的到来，对于电子设备与半导体芯片的需求不断增加。因此，半导体制造业在生产效率方面承受着巨大压力。
安全性
除了提高制造工作流程的生产效率外，确保安全也很重要，尤其是使用具有潜在危险的化学品时，例如：用于蚀刻的含过氧化物的溶液或用于清洗溶液的强酸混合液。
数据管理与可追溯性
为了使每个芯片达到所需的质量，半导体制造涉及的多个步骤、工艺、材料与化学品、分析以及操作人员都至关重要。为了实现有效的质量管理与工作流程可追溯性，必须建立用户与数据管理系统。
设备可靠性
半导体制造需要使用成本高昂的复杂与先进设备，例如：光刻系统与化学处理设备，以及用于现场质量控制与监测的设备。确保该设备的可靠性与性能以及避免停机，这对于要求苛刻的半导体制造周期至关重要。
解决环境问题
半导体行业是水与能源密集型行业。此外，随着行业的飞速发展，芯片制造过程中产生的温室气体（GHG）排放与废水令人担忧，尤其是制造过程中大量使用危险化学品。然而，为了应对更加环保的供应链压力，大型芯片制造企业正在加紧努力，以减小对环境的影响，比如改用可再生能源，以及对制造过程中使用的水执行循环-再利用-回收过程。
前端制造解决方案
这是晶圆制造的第一步，其中对硅锭进行切割，以获得硅晶圆。晶圆在代工厂与晶圆厂中经过多道化学与机械工艺，才能达到所需的平面度与质量。通过一系列的晶圆制造步骤（例如：光刻、蚀刻、清洁与掺杂）对其进行处理，以制成集成电路的各种组件。一系列湿法加工步骤（例如：蚀刻、清洁与抛光）使用到各种特种化学品。
过程化学品、蚀刻、电镀与清洗槽的质量控制
高效与安全监测
在晶圆制造、电镀与PCB加工中，经常监测不同的电镀、蚀刻与清洁槽非常重要。如果活性溶解物质（酸、碱、离子）的浓度低于所需浓度，则需要及时补充。
METTLER TOLEDO提供自动滴定过程、由自动滴定仪进行的结果计算、样品制备步骤以及独立于操作人员的样品系列分析。超越系列滴定解决方案与InMotion™自动进样器连接，可提高处理量，大幅减少操作人员工作量。可通过自动试剂加样与废液处理确保操作安全性，从而减少与危险化学品的接触。作为自动化揭盖系统，CoverUp™样品盖可以简单并且有效地保护操作人员不受有害溶剂与气体的影响。
蚀刻过程旨在选择性地去除基板表面上的顶层。常用的蚀刻溶液由酸液混合物（例如：氢氟酸与硝酸）或者硝酸、磷酸与乙酸混合物组成。由于蚀刻速率主要取决于溶液中游离酸的浓度，因此定期监测酸含量变得至关重要。碱性清洗液或蚀刻液中通常使用氢氧化钠与氢氧化钾等碱性物质；滴定法是监测碱性溶液中含量的首选方法。
为了在蚀刻与抛光步骤之间进行彻底清洁，通常使用过氧化氢与非离子表面活性剂混合物。要检查清洁溶液的有效性，必须确定过氧化物或表面活性剂等活性成分的浓度。可从多种表面活性剂滴定方法中为目标表面活性剂做出良好选择。
可以自动在线监测电镀液中的碱与酸含量等各种参数。DispenSix液体处理器或TV 6进样阀可直接从浴槽自动吸液与分液；当与分液杯或InMotion™分液套件结合使用时，还可实现取样、排液与清洁过程自动化。
避免抄录错误可提高质量、数据安全性与效率。SmartSample™将工作流程集成到超越系列分析天平的单个界面中。当InMotion™自动进样器配备SmartSample套件时，超越系列滴定仪可自动读取滴定杯RFID标签上的所有样品信息。快速扫描后，SmartChemical会立即将数据从滴定试剂传输至滴定仪。
快捷简单的质量检验
通常需要对加入的化学品进行预防性质量控制，以避免因手动处理容器造成的风险，或因外部系统或设备故障造成的质量影响。处理化学品的不良成分有可能造成劣质硅晶圆、设备故障与化学品浪费。通过测量密度与折光率，可以快速轻松地检查加入化学品的浓度。
METTLER TOLEDO提供一系列具有不同自动化与数据管理水平的密度与折光率测量解决方案，适合于不同应用需求。
我们提供便携式手持解决方案与自动化多参数解决方案，用于折光率与密度测量。
通过测量特定波长处的吸光度，可以快速准确地定量测定各种分析物。METTLER TOLEDO提供的紫外可见分光光度计采用坚固设计并且配有持久耐用的氙气灯，可瞬间完成全光谱扫描，无需预热。它们可无缝融入分析工作流程，在实验室工作台上占用空间小，可根据应用要求实现模块化，易于清洁，并且一键式用户界面可实现独立与自动测量。LabX™ for UV/Vis为安全的实验室工作流程提供了各种数据管理功能。METTLER TOLEDO通过LabX为XPR分析天平与紫外可见分光光度计提供内置工作流程解决方案，确保准确与可重复的测量以及自动化工作流程，并为每个步骤中提供指导。
前端制造工作流程中的一些重要应用包括：通过测量硝酸盐在300 nm处的吸光度轻松测定硝酸浓度，或定量测定电镀溶液中的金属离子浓度，例如：锰、铜、金等。
原位反应监测与优化
清洁不当导致的杂质与残留物会对晶圆制造下游加工步骤以及最终产品的质量产生影响。对清洁与清洗槽成分的质量进行精确的原位监测有助于避免纠正措施带来的额外成本。
METTLER TOLEDO的ReactIR™与ReactRaman™探头采用坚固耐用的便携式设计。One Click Analytics™可轻松转换获取的过程数据。与功能强大的iC软件套件的进一步集成有助于深入了解过程，可将其用于研发，以进一步优化清洗与清洁溶液的成分。
化学机械抛光（CMP）浆料制备与质量控制
CMP浆料混合物由分散颗粒与液相中的化学物质组成。准确称量抛光浆液的各个组分对于避免损坏晶圆与晶圆加工设备至关重要。PBK9/PFK9-APW秤台可轻松集成到自动化称量过程中，最大称量值为3,000 kg，还可进行设置，以此来抵消可能会对称量结果造成影响的环境因素。Powermount™称量模块是最大重量为5000 kg的料罐称量应用的理想之选，不仅具有高准确性与可靠性，而且可监测状态，确保系统性能达到预期要求，让您安心无忧。为了帮助您找到适合浆料过程的称量解决方案，METTLER TOLEDO可提供GWP®建议。
在抛光过程中，必须在不同阶段监测混合浆料中分散固体的百分比，以确保出色抛光度。使用快速水份测定仪可快速并且轻松地实现这一目标。卤素水份测定仪HX204具有先进的功能，易于使用，具有数据与用户管理功能，并且通过可自定义的控制限值快速做出决策。使用内置的方法开发向导，可以非常轻松地开发出一种可靠的方法，在很短的时间内与参比烘箱程序的结果相匹配，从而提高生产效率。
监测CMP浆料的pH值与电导率对于保持稳定的胶体浆料非常重要；这可以通过选择合适的单参数或多参数台式pH计，或具有数据管理选件以及适合配件、电极与耗材的自动化系统轻松实现。
过氧化氢（H2O2）是CMP浆料混合物中常用的化学氧化剂。抛光效率取决于硅晶圆上的氧化过程。许多方法（例如：滴定法）可用于测定用于生产浆液的溶液中H2O2的浓度。密度或折光率测量也可实现快速、简单与安全的分析，可以使用METTLER TOLEDO的台式密度计与折光率仪或便携式解决方案轻松进行。为了达到经济有效且高质量的晶圆产量，可在用于下游抛光应用之前，通过确保CMP混合浆料的密度在预定义的范围内，控制其质量。
用于水循环管理的准确在线测量解决方案
在一座典型的半导体工厂中，每天要使用数千立方米的超纯水（UPW）清洁、蚀刻与冲洗晶圆与基板。精确可靠的过程分析测量对于确保超纯水适用于晶圆制造步骤，以及优化用水量，从而大幅提高回收率与再利用率至关重要。METTLER TOLEDO Thornton的超纯水监测解决方案获得了全球标准制定组织的认可，可确保在晶圆制造过程中使用优质水。我们的UniCond™电极与6000TOCi、2850Si与2300Na分析仪可以安装在去离子水系统中，可以检测电阻率、TOC、硅与钠的任何变化，并且大幅减少操作人员工作量。
晶圆/芯片称量
光刻过程中的光刻胶测试
光刻胶是涂在芯片上的感光材料，然后在光刻过程中通过带图案的光掩模将其部分曝光，以形成IC电路。差示扫描量热法（DSC）是了解化学放大型抗蚀剂（CAR）（一种光刻胶材料）的物理化学行为以及优化光刻工艺的强大工具。使用温度调制DSC（TMDSC），可在一次测量中确定光刻过程的热效应（例如：汽化、交联）以及光刻胶材料的玻璃化转变温度。
当制备用于测量DSC的几毫克样品时，XPR微量天平是一项关键资产。使用XPR天平，只需单击一下即可将称量结果传输至STARe软件。METTLER TOLEDO提供完整的工作流程解决方案，其中包括DSC仪器、天平、软件与配件，以及在微量称量与热分析方面的广泛应用专业知识。
废水质量
芯片制造过程中的蚀刻溶液与CMP工艺使用氢氟酸，这会导致半导体行业流出物中的氟化物浓度较高。通常利用沉淀、絮凝与过滤法去除可能存在的污染物。只有在理想的pH范围内才能成功沉淀；因此，流出物的pH值会间接表明污染物浓度是否低于某个限值。也可通过使用离子选择性电极（ISE）直接测量离子浓度的方式监测废水（例如：使用perfectION™ comb F电极测量氟离子）。
后端制造解决方案
这是组装与封装阶段，在该阶段，从晶圆上切下单个半导体芯片，然后将其封装在一个外壳中。在下一步中，键合线将芯片连接至外部电路。该过程还包括根据标准与法规对集成电路进行测试与最终检测。
半导体芯片的封装与组装
环氧树脂固化
在集成电路封装过程中，使用环氧树脂将硅晶粒牢固地固定在引线框架中。为了了解如何为所需封装设定时间、优化工艺以及减少芯片封装过程中的故障，可以研究环氧聚合物的固化动力学。STARe软件提供名为Model Free Kinetics（MFK）的选件，可用于预测环氧树脂的固化与玻璃化行为。
在引线键合中测量金属线径
引线键合是使用细键合线在微芯片或其他集成电路与芯片基板之间建立电气互连的过程，在洁净室条件下进行。ASTM-F205等标准方法建议通过称量方式测量引线键合中所使用细线的直径。XPR微量天平占地面积小、采用符合人体工程学的双终端概念并且具有定位灵活的特点，因此非常适合在洁净室环境中使用。XPR微量天平准确度高，并且配备适合的配件（例如：用于管状样品的秤盘），因此可轻松称量细金属丝。
精准的称量解决方案可用于其他各种应用，例如在封装步骤中校准点胶机，以及为滴定与DSC等定量分析技术制备样品等。
用于无缝、可追溯和安全实验室工作流程的软件解决方案
METTLER TOLEDO的实验室软件解决方案通过电子数据采集与强大的数据评估功能加快处理速度，帮助实现工作流程自动化，以及通过集中资产管理减少人工管理。启用仪器的连接能力可实现对互连设备的简单集中控制。轻松检索数据实验室软件有助于满足数据可靠性需求，从而达到内部与外部法规要求。
LabX™实验室软件可管理仪器、SOP与用户。它通过数字化、电子数据管理与工作流程指导提高生产效率，通过单一软件解决方案达到法规标准要求以及满足数据可靠性需求。LabX可以完全连接METTLER TOLEDO天平、滴定仪、pH计、紫外可见分光光度计、密度计与折光率仪、熔点测定系统以及自动化解决方案。
STARe超越系列热分析软件是一个功能强大的平台，可连接METTLER TOLEDO的热分析系统，实现模块化、灵活性与自动化。
用于自动化反应器和原位分析的iC软件套件将整个实验工作流程集成到自动化合成反应器与原位分析中，让过程数据可视化以及对结果的解释与报告变得简单，从而获得每次实验的实时与互联图片，以及帮助做出研发决策，以进一步优化过程与产品。
确保可靠性能的服务
METTLER TOLEDO的专业服务涵盖产品的整个生命周期，从安全的设备选择、正确的安装到用户培训，通过初始与定期校准校准确保完美开始。其中还包括验证服务，以确保设备的性能与可靠性，帮助您遵守当地与全球规范与法规，并提供预防性维护服务，以帮助大幅降低风险与延长设备的使用寿命。
了解并且从多种服务中选择适合您需求的服务包，在购买时使用ExtendedCare，或者稍后使用BasicCare、StandardCare与ComprehensiveCare。
我们利用良好的测量管理规范帮助您找到符合自己需求的仪器，提供各种建议和培训，让您能够高效操作、校准与维护仪器。
半导体制造的卓越分析手册
为了在半导体行业实现高效、安全与经济有效的制造过程与实验室分析，METTLER TOLEDO制作了一本手册，其中全面概述了我们的分析能力以及我们的软件与服务产品。
解决方案
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出版物
常见问题解答
半导体制造中如何使用水？通常需要多少水？
水既可作为溶剂、冷却剂与清洁剂，也可用于废物管理，在半导体制造中发挥着重要作用。超纯水（UPW）通常在工厂现场生产，用于晶圆表面清洁。半导体制造每天消耗数千立方米的超纯水。最近的一项调查估计，全球半导体行业的日用水量为170万立方米。
由于该行业耗用大量淡水和产生大量废水，因此为了实现半导体行业的可持续发展，用水量是需要优化的关键因素之一。包括水循环利用、回收与再利用在内的策略对于半导体行业的未来发展至关重要。
超纯水的控制应有多严格？
晶圆良率在生产集成电路的经济可行性方面变得越来越重要，由于超纯水质量是影响良率的重要因素，因此严格控制超纯水至关重要。当前的线宽在5到7纳米之间，有些制造商正在朝着3纳米目标努力。这需要超纯水满足新的纯度建议。
SEMI F63已经发布了最新的用水规格：
- 电阻率：25 °C > 18.18 MΩ - cm
- TOC: < 1.0 ppb
- 颗粒/毫升：< 0.3 @ 0.05 μm
- 菌落总数：≤ 1 / 100ml
为了检测痕量级、ppb级污染物，实时监测对于减少产品损耗和防止生产中断至关重要。
大幅减少超纯水的溶解氧含量是否重要？
是的。超纯水中的高含量溶氧是是导致晶圆氧化的原因之一，会导致晶圆良率下降。因此，不同的去离子水冲洗步骤需要精确与快速测量，以保持低含量的溶氧。
减少溶解氧还有助于保持较高的水电阻率，这对于后续的处理步骤以及控制去离子化与连续电极去离子纯化过程至关重要。
超纯水中的硅会产生怎样的影响？
在集成电路表面变干的硅将会造成许多质量问题，例如：降低膜的粘附力、接触面阻力等。因此，如果在发现和消除污染源时发现硅含量超差，将会导致生产延误和收入损失。
为了尽量减少这些问题，必须在正确的位置持续监测超纯水中的硅含量，并且进行亚ppb级控制。
是否可以使用滴定法直接从镀液中监测电镀过程中的酸或碱含量？
是的，您可以使用连接至TV6取样阀或DispenSix液体处理器的METTLER TOLEDO超越系列滴定仪对其进行监测。监测酸或碱浓度的过程可以完全自动化。TV6取样阀或DispenSix液体处理器自动从电镀槽中获取准确的样品量，并将其转移至滴定分液杯。测量过程无需任何用户关注。此外，LabX软件的“计划”功能允许根据计划重复开始分析。请查看此处的应用手册示例。
建议使用哪种分析方法测定半导体制造中所使用溶剂的水分含量？
卡尔费休滴定法是测定样品中水分含量的常用分析方法。可使用METTLER TOLEDO卡尔费休（KF）水分仪测定水份含量。我们编写了许多关于测定溶剂中水分含量的应用手册。
METTLER TOLEDO的XPR分析天平如何为滴定工作流程提供支持？
为完善该解决方案，METTLER TOLEDO的XPR分析天平提供了一种支持无线滴定称量技术的滴定方法。借助RFID技术，SmartSample™解决方案可实现超越系列滴定仪与超越系列分析天平之间的无缝交互。自动化数据传输可防止出错和节省宝贵时间。
如何使用紫外可见分光光度法测定半导体制造中加工化学品与材料的稳定性与纯度？
紫外可见分光光度法可通过多种方式用于半导体制造过程：
确定稳定性/降解/保质期：通过测量溶液在特定波长下的吸光度，可以确定溶液的稳定性。如果吸光度随时间发生明显变化，则可能表明溶液不稳定，并最终发生降解。然后，可使用此信息确定溶液的最佳存储条件，并确保其在尽可能长的时间内保持稳定。
杂质鉴定：紫外可见分光光度法可用于鉴定特定杂质，通过比较样品与参比物质的吸收光谱进行。可以根据两种物质之间的吸光度差异鉴定特定杂质。或者，通过测量一系列具有已知杂质浓度的参比物质的吸光度，可以生成校准曲线。该曲线可用于根据吸光度确定半导体材料中的杂质浓度。总体而言，紫外可见分光光度法可提供关于加工化学品/材料中杂质浓度的宝贵信息，可用于控制与优化最终产品的质量。