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半导体行业解决方案之PAG杂质鉴定、溯源

发布：沃特世科技（上海）有限公司(Waters)

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在半导体制造中的光刻技术通常占集成电路芯片制造成本的30%，并随着行业需求的发展，向着更小（更轻、更薄、更窄）的电路路径发展，例如ArF（193nm）或EUV（13.6nm）。如果激光改变，很多与光刻相关的材料也需要随之变化。例如光抗蚀剂涂层应该更薄，并更精确地控制紫外线曝光的反应。此外，配制后的光刻胶应具有适当的附着力和强度等，以保证蚀刻线路的精准度。

光刻胶配方中主要由基础聚合物、光致酸产生剂和猝灭剂等组成，其中材料的选择、配方的比例和杂质均会影响光刻工艺，对预期蚀刻的线路稳定性带来风险。针对其杂质的鉴定和溯源对于配方优化和研究尤为重要。Waters Xevo G3 QTof结合waters_connect UNIFI软件，可“工程精简”地实现结构确证、杂质溯源。

图1.光刻常用化学品。

光致酸产生剂PAG杂质分析

PAG主要有离子型和非离子型，这两种类型的PAG在其结构中均由产酸部分和光吸收部分组成。对于其结构的研究有助于增加灵敏度和效率。例如对于光吸收部分，可以通过：

引入官能团提高光吸收或降低S+和I+的结合强度；
引入能吸收更多EUV光的原子元素；
引入具有不对称性的官能团，以提高非离子PAG的溶解性。

在本案例中就以碘盐PAG的杂质分析为例（实验条件和硫盐PAG杂质分析案例，扫描文末二维码索取）。

图2.PAG材料设计。

结构确证

使用甲醇溶解后制成不同浓度用于主成分和杂质分析。基于Waters MS^E非数据依赖性数据采集、Waters UPLC技术的高效分离能力和软件的拆分能力，可同时获得母离子和碎片离子的信息。借助精确质量数和同位素获得可能的化学式，进一步基于软件匹配到的碎片信息，验证结构的可行性。在该案例中，PAG阴阳离子部分测得的碎片均有发生分子重排，在阳离子的碎片中获得C19H23的特征碎片信息。

图3.PAG阳离子和阴离子的质谱色谱图。

杂质鉴定和溯源

基于特征性的碎片和中性丢失信息，可以优先查找和主成分有共同特征结构的杂质信息。在采集获取到的候选化合物列表中，通过“共同碎片”和“中性丢失”功能，输入感兴趣的碎片质荷比信息，查找到特征杂质。并可通过二元比对功能，在扣除空白或者原液后，对杂质成分进行分析。

图4.借助共同特征结构查找相关杂质。

图5.PAG杂质鉴定过程。

表6.PAG材料杂质百分比。

杂质分析流程

杂质分析解决方案基于一个软件平台waters_connect UNIFI中，实现从二元比对、多元统计数据挖掘，到基于杂质与主成分的关系查找杂质，以及利用已知的合成信息/降解途径，进一步查找和溯源杂质。在纯度把控要求异常严苛的半导体光刻材料、OLED以及超纯化学品杂质分析中均具有广泛的应用（扫描文末二维码，获取杂质分析流程应用讲解视频）。