从 ppm 到 ppb

半导体制程里，真正难控制的，可能不是气体，而是「浓度」。

晶圆尺寸越来越大、线宽越来越小，制程对气体纯度、流量与浓度的要求也越来越严格。在 CVD、ALD、Etch、Cleaning，以及各类 Process Gas Monitoring 应用中，气体就不只是「送进设备」这么简单。

n     浓度差一点，会不会影响制程？

n     流量变化，分析结果还可信吗？

n     ppm 甚至 ppb 等级的气体，真的能被准确产生吗？

n     Analyzer 的校正气体，又是如何被确认的？

这些问题的背后，都指向同一件事Gas Concentration Control，而这正是Ultra High Purity Gas Dilution & Gas Mixing发挥作用的地方。

一瓶标准气体，不代表你拥有所有浓度

假设手上有一瓶100 ppm Standard Gas，但今天的测试需要50、20 、10、5、1 ppm，难道每一个浓度都准备一支标准气体？对半导体实验室而言，这不仅增加标准气体的数量，也增加钢瓶管理、储存与更换的负担。更重要的是，如果需要建立 Analyzer 的 Calibration   Curve，单一浓度又怎么完成多点校正？因此，比「准备很多浓度的标准气体」更有效率的方式，是透过精密的Gas   Dilution System，利用高纯度 Balance Gas 将标准气体依照设定比例稀释。

从一个标准气体来源，建立不同浓度的测试条件。Environics Series 4040UHP即可提供从 percent 到 ppb 等级的气体浓度，并支持单点或多点 Calibration。

气体稀释系统不只是「把气体变淡」

半导体制程中，稀释系统可以成为Process Development、Gas Analysis、Analyzer Calibration 与 Process   Monitoring之间的重要桥梁。

01｜RGA：Residual Gas Analysis：让分析仪器知道「多少才算多少」

在半导体制程中，RGA（Residual   Gas Analyzer）等气体分析设备需要具备可靠的浓度响应。问题是Analyzer 显示 10 ppm，真的就是 10 ppm 吗？要回答这个问题，就需要已知浓度的标准气体，透过 Gas Dilution System，可以建立Zero → Low →   Mid → High不同浓度的标准气体，进一步建立Multi-point Calibration   Curve。例如：0 ppm → 1 ppm → 5 ppm → 10 ppm → 50 ppm，再将Analyzer 的 Response 与实际浓度进行比对。

如此才能满足以下需求，也是为什么「精准产生校正气体」会成为半导体气体分析的重要环节。

1.Accuracy

2.Linearity

3.Repeatability

4.Response

5.Detection   Capability

02｜Trace   Gas：从 ppm 走向 ppb

半导体真正棘手的地方，往往不是高浓度。而是Trace Level Gas，当目标浓度进入 ppm、甚至 ppb 等级，任何额外的污染、残留或浓度偏差，都可能影响测试结果。因此，气体稀释系统本身也必须考虑Purity、Leak、Dead   Volume、Material Compatibility与Repeatability。

Environics 的UHP 系统采用Metal Seal MFC、Orbital Welded Joints、VCR fittings，并降低内部 Dead Volume，同时维持低泄漏率，以降低外部大气污染进入校正气体的风险。官方数据列出的 UHP 系统泄漏测试能力可达1 × 10⁻⁹ ATM   cc/sec He 或更佳。

对 ppb 等级应用而言，设备不是只有「准不准」的问题，还要问「在这么低的浓度下，系统本身会不会成为污染来源？」

03｜CVD   / ALD：建立可重复的气体条件

在薄膜沉积相关制程中，气体组成与浓度会直接关系到制程条件。尤其在化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition）与原子层沉积(ALD，Atomic Layer Deposition）等应用中，气体的精准控制尤其重要。例如在制程开发阶段，可以设定不同的气体浓度：

Condition   A：1 ppm

Condition   B：5 ppm

Condition   C：10 ppm

Condition   D：20 ppm

再比较不同条件下的薄膜厚度(Film Thickness)、薄膜均匀性(Film Uniformity)、沉积速率(Deposition Rate)、表面特性(Surface Properties)，这样一来，「改变气体浓度」就不再只是依赖更换不同钢瓶，而可以透过系统化的 Gas Mixing / Gas Dilution 建立可重复的实验条件。

半导体制造对 UHP gases 具有高度需求，包含 Atomic Layer Deposition 以及残余气体分析(Residual Gas Analysis) 等应用。

04｜Gas   Monitor：测得到，还要测得准

制程监控设备最重要的能力之一，就是在低浓度下辨识异常。因此，Gas   Monitor 不只是需要「有讯号」。而是需要知道，这个讯号到底对应多少浓度？

透过已知浓度的 Trace Gas，可以模拟不同污染浓度，进行以下程序，使 Gas Dilution System 成为 Gas   Analyzer / Gas Monitor 验证流程中的重要工具。

Zero   Calibration

↓

Span   Calibration

↓

Multi-point   Calibration

↓

Response   Verification

↓

Detection   Capability Evaluation

05｜Process Development：不用一直换钢瓶，也能快速建立条件

对 R&D Lab 而言，另一个很实际的价值是，把「换气瓶」变成「改设定」，传统方式流程是，换钢瓶 → 更换管路 → Purge → 稳定→ 测试，当测试浓度很多时，实验效率会受到明显影响。

而透过计算机控制的 Gas Mixing / Dilution   System，可以直接设定目标浓度与总流量，由系统自动计算各路气体所需流量。以 Environics 系统而言，Mass Flow Controller 的校正数据可储存于系统中，并可自动计算 Dilution / Span Gas Flow。

对需要大量条件测试的 Process   Development Lab 而言，这意味效能：

1.更多浓度点

2.更少人工操作

3.更高重复性

4.更容易建立标准化测试流程

一套系统，串起半导体的「标准气体 → 校正 → 分析 → 制程」

如果把应用放在一起看，Gas Dilution System 的角色会更加清楚。Process Monitoring / Process Development，这不是单纯的一台「气体稀释器」，而是一个可以连接以下功能的精准气体控制平台。

1.气体标准Gas Standard

2.气体校准Gas Calibration

3.微量气体分析Trace Gas Analysis

4.过程监测Process Monitoring

5.制程开发Process Development

为什么半导体应用需要 UHP Configuration？

对一般气体混合而言，「比例正确」可能就足够，但半导体应用多了一个关键要求，不能让设备本身改变原本的气体，因此 UHP Configuration 的价值就在于降低污染与泄漏风险。

–Metal Seal MFC 降低材料释放与气体污染风险。

–Orbital Welded Joints 减少接点与潜在泄漏路径。

–Minimal Dead Volume 降低不同气体切换时的残留影响。

–Low Leak Rate 降低外部环境进入气体系统的可能性。

–NIST Traceable   Calibration 让流量控制具有可追溯的校正基础。

Environics 的MFC可使用可追溯至NIST 的 Primary Flow Standard进行校正，符合半导体应用的 Accuracy、Repeatability与 Traceability 需求。

真正的问题，不是「能不能稀释」，而是，你能不能相信稀释后的浓度？当目标从%，走向ppm，再走向ppb，测试的要求就不再只是 Flow Control。

而是，Accuracy × Repeatability × Purity ×   Traceability，四者缺一不可，这也是半导体制程与一般气体应用最大的不同。

从 ppm 到 ppb，让每一个浓度都有依据

半导体制程不允许「大概」这件事，尤其当分析仪器需要进行 Calibration、制程需要建立不同气体条件、Gas Monitor 需要验证低浓度 Response 时，一个稳定、精准且具 UHP 设计的 Gas Dilution   System，就是建立可信数据的重要基础。

Environics 的UHP   Gas Mixing / Dilution 系列可针对半导体应用进行配置，包括Series 4020UHP、Series 4000UHP 与 Series 4040UHP，依不同需求提供气体混合、稀释与校正气体产生能力，当制程进入 ppb 等级，气体浓度的每一个细节，都值得被精准控制。

UHP Gas Dilution｜Trace Gas｜Multi-point Calibration｜Process Monitoring让气体浓度，不只是「设定值」，而是可以被控制、被验证、被追溯的数据。