通過高級分析和可持續性實現半導體行業轉型

半導體行業趨勢和洞察

盡管存在季節性波動和宏觀環境不確定性，但半導體行業在 2024 年大幅反彈后，在 2025 年表現出韌性，這主要是由于人工智能應用的繁榮。 目前，全球半導體銷售額預計將達到 1 萬億美元，需求由技術創新推動，包括對生成式 AI 的持續興趣、數字孿生的日益普及以及自動駕駛技術的進步。 數據流量和發電量的爆炸式增長也推動了對額外計算能力的需求。
為了克服這些挑戰并保持其增長軌跡，半導體行業必須不斷創新。通過利用新技術（例如高級分析工具），它可以增強其響應不斷變化的市場需求和推動進步的能力。

挑戰和機遇

半導體行業面臨幾項關鍵挑戰，包括產量損失和提高其可持續性的壓力。幸運的是，先進的分析儀器可以通過提供精確的雜質檢測和改進的質量控制 （QC） 在克服這些障礙方面發揮關鍵作用，這對于降低故障率和提高整體生產效率至關重要。
良率是半導體工廠 （fab） 競爭力的關鍵，直接影響成本和產能利用率。周邊 污染造成的 50% 的產量損失，1、2 Yield 增強和污染控制是制造商的首要任務。然而，這可能要求很高，因為污染物可以在多個階段進入制造過程，包括注入、蝕刻、沉積、平坦化、清潔和光刻。
此外，由于線寬越來越小，薄膜層越來越薄（低至 10 納米），雜質含量必須保持在十億分之幾，以確保集成電路 （IC） 制造的一致產量。 超痕量污染物會降低產量并影響產品可靠性，雜質分析必須涵蓋制造過程的所有階段，從超純水和晶圓制造材料到最終產品的質量保證 （QA），甚至來自潔凈室空氣和制造設備的污染物。
晶圓廠材料（例如晶圓、加工化學品、光刻膠、電子特種氣體、濺射靶材等）的質量控制 至關重要。因此，在供應鏈的每個階段，使用既定的標準化測試和檢驗程序來保持最佳的 QA/QC 至關重要，因為這可以減少污染、材料可變性和配方差異。
隨著全球半導體產能的不斷擴大，芯片制造與環保之間的沖突日益凸顯。為了解決這個問題，公司正在制定環境、社會和治理 （ESG） 指南和政策，以支持綠色制造、綠色設計、綠色采購和綠色產品。 S ustainable 化學品管理——一種優先考慮人類健康和環境保護的化學品處理方法——是成功的 ESG 政策的另一個關鍵組成部分，因為它強調化學品管理實踐的透明度、協作和持續改進。
這種轉變的例子是全氟和多氟烷基物質 （PFAS） 的替代品以及 PFAS 減排的研究。含有 PFAS 的材料在半導體制造中至關重要，因為y 具有許多半導體應用所需的一系列獨特特性，包括表面張力、穩定性和化學相容性。 這些化合物用于加工化學品和制造設備，確保可靠性和性能。然而，PFAS 帶來了重大的環境和健康挑戰。半導體行業一直在識別、測試和實施改進的過程控制，以最大限度地減少有害物質（包括含 PFAS 的材料）釋放到環境中。

幫助半導體行業應對挑戰的技術

新技術的出現使半導體行業能夠應對現有挑戰并抓住新的增長機會。建立伙伴關系和促進合作對于推進創新技術和增強整個半導體價值鏈的服務能力至關重要。這包括過程監控、晶圓廠材料的質量控制、無機和有機雜質的檢測、納米顆粒的鑒定、遵守環境健康和安全標準以及真空泄漏檢測等領域。
雜質檢測和 QC 技術的開發對于保持高產量和降低加工成本至關重要。 最麻煩的污染物是金屬雜質和顆粒，它們可能導致元件泄漏，降低元件的擊穿電壓，并可能導致故障和失效。
電感耦合等離子體質譜法 （ICP-MS） 等先進技術對于在制造過程的每個階段檢測痕量和超痕量元素雜質和顆粒是必不可少的。 電感耦合等離子體發射光譜 （ICP-OES） 也適用于 IC 制造中使用的高基體材料測試。
除了元素雜質外，在整個制造過程中監測和控制有機污染也至關重要，因為即使是痕量雜質也會降低產量。
半導體行業面臨著原材料和一系列物質（包括光刻膠和化學機械平坦化 （CMP） 材料）的 QC 挑戰。這些挑戰包括提高生產質量的研究，以及分析聚合物分子量、控制合成過程、進行配方研究、鑒定雜質和凈化化學品等任務。困難在于缺乏可用數據。
一種策略是利用多平臺檢測技術，例如凝膠滲透色譜 （GPC）、高效液相色譜 （HPLC）、液相色譜-三重四極桿質譜 （LC-QQQ）、液相色譜-四極桿飛行時間 （LC-QTOF）、氣相色譜 （GC） 和氣相色譜-質譜 （GC-MS）.這些可以共同收集確保商品符合最嚴格要求所需的綜合數據。
為了實現經濟高效的制造，自動化和智能解決方案（例如在線/在線監測 水、加工化學品和環境中的污染物）有助于確保制造過程的每個階段（從晶圓制造材料到晶圓測試和最終產品質量保證）都符合最高標準。這有助于改進根本原因分析并加快良率提高。

分析半導體材料的光學特性也很重要。為此，紫外/可見光 （UV/Vis） 光譜用于測試 CPU 和 RAM 等設備中薄膜涂層晶圓的透射、散射和反射。這有助于評估鍍膜層的光學性能并檢查其均勻性。結果可以幫助識別和解決涂層過程中的任何問題。
除了支持生產、提高純度和產量外，先進的分析工具還支持合規性。半導體和電子行業必須遵守一系列環境健康與安全 （EH&S） 法規和行業標準，例如化學品注冊、評估、授權和限制 （REACH）、限制在電氣和電子設備中使用某些有害物質 （RoHS）、電氣和電子設備中的廢物 （WEEE） 和 SEMI.這些標準管理著從原材料測試到最終產品的 QA/QC、輔助過程（如排放監測和控制）以及廢水排放。
例如，解決 PFAS 挑戰需要大量研發投資，以找到與其性能和穩定性相匹配的可行替代品，同時遵守法規以減少 PFAS 排放并確保安全處理和處置。
先進的分析工具在這項工作中至關重要，能夠精確監測制造設施、材料和環境中的 PFAS 水平。這些工具可幫助制造商檢測和減少 PFAS 排放，確保符合嚴格的環境法規。

半導體行業的未來

在一系列要求苛刻的技術發展的推動下，半導體行業正處于變革性增長的邊緣。它同時面臨著監管機構和客戶對提高可持續性的呼吁。平衡這兩個需求，同時保持生產力，是一項挑戰。幸運的是，最新的測試和 QC 技術的使用已經幫助晶圓廠交付下一代高性能產品，提高產量，同時加強行業的環保認證。