为什么质谱仪质量分辨率对气态微污染物（AMC）监测如此重要

半导体制造过程中 AMC 监测

气态微污染物（AMC，Airborne Molecular Contamination）控制在半导体工艺良率至关重要，尤其是在先进工艺节点下，痕量存在的气态化学物种即可影响良率和器件性能。快速响应-飞行时间质谱（TOF-MS）因其高灵敏度以及可快速同时采集全谱AMC的能力，被广泛用于实时 AMC 监测，从而提供对半导体制造中各种环境的全面表征。由于半导体制造环境中的化学组成高度复杂，AMC 物种的准确识别高度依赖于 TOF 质谱分析器的质量分辨率。

TOF-MS 中的质量分辨率

质量分辨率（R）定义为 M/ΔM，其中：

• M 为质荷比（m/Q） 

• ΔM 为峰半高宽（FWHM） 

它描述了质谱仪分离相邻质荷比离子的能力——这一能力对于区分同量异位物种（isobaric species）至关重要。所谓同量异位物种，是指具有相同名义质量、但元素组成不同，因此具有略微不同精确质荷比的化合物们。 

在现实 AMC 分析场景中，经常会遇到包含潜在相互干扰化学组分的复杂混合气体。分析仪分辨率不足会导致峰重叠、错误识别以及错误的污染源归因。

在晶圆厂环境中，这可能导致在异常事件期间采取不适当或延迟的污染控制响应，从而直接影响工艺运行回复时间与后续产品良率。 

分辨率影响实例：同量异位 AMC 物种

示例 1：挥发性有机物（VOC）—— TMS 与 PGME

三甲基硅醇（TMS）和丙二醇单甲醚（PGME）是两种化学性质完全不同的 AMC 物种：

• TMS 来源于硅基工艺化学品 

• PGME 来源于光刻工艺中的溶剂背景 

在采用丙酮试剂离子的化学电离质谱（CIMS）上，两者都会以质子化丙酮加合物形式出现在整数质荷比 149 Th 处：

• TMS：149.0961 Th / C₃H₁₀OSi·(C₃H₆OH)⁺

• PGME：149.1189 Th / C₄H₁₀O₂·(C₃H₆OH)⁺

尽管名义质量相同，但精确质量不同。 

如图 1 左图所示：

• 当 R = 1000 时，两种物质无法分离，仅表现为一个重叠在一起的峰 

• 当 R = 10,000 时，则可以清晰分离，从而实现两个物种的独立准确识别与定量分析。

示例 2：有机酸 —— 乳酸与草酸

乳酸（C₃H₆O₃）与草酸（C₂H₂O₄）是工业及洁净室环境中常见的有机酸类 AMC。

在使用碘负离子作为试剂离子的 CIMS 中，两者都会形成整数质荷比为 217 Th 的信号峰（图1右）：

• R = 1000：乳酸和草酸峰重叠 

• R = 10,000：峰完全分离

如何根据化学环境复杂度选择所需分辨率

AMC 监测所需的质量分辨率主要取决于采样环境中的化学复杂程度，包括：

• 共存化学物种数量 

• 同量异位物种相互干扰程度 

这与以下因素有关：

• 工艺化学体系 

• 制造设备类型 

• 不同污染物在晶圆厂区域中的汇聚和滤除情况。

ISO 洁净室等级并不能代表化学复杂度

ISO 14644-1 洁净室等级仅定义洁净室空气中颗粒浓度，但并不能可靠预测 AMC 的化学复杂度（Li et al., 2007 ; Den et al., 2020）。

在先进工艺节点中，即使颗粒数数量很低，也可能存在复杂的气相化学环境。例如：

• 干法蚀刻后的晶圆释放酸性气体，比如

o SiF₄ 

o HBr 

o HCl 

o HF 

• 进一步与洁净室中的 NH₃ 反应 ，从而原位形成细盐颗粒。 

因此，颗粒计数低，并不能等同于化学污染风险低。简单来说，仅依赖颗粒监测会低估真实 AMC 污染挑战。

不同环境下的推荐分辨率

化学组成较简单的环境

例如：

• 化学种类有限的工艺区 

• AMC 来源和环境背景明确 

• N₂ 吹扫后的环境 

特点：

• 共存物种少 

• 谱图较简单 

此时：

• 中等分辨率（R ≈ 1000） 

• 通常已足够实现 AMC 识别与定量

  
  

化学组成复杂的环境

例如：

• 集成式工艺设备区 

• 同时存在光刻、刻蚀、沉积、CMP 

• FOUP 内微环境 

特点：

• 共存物种相互干扰几率大 

• 谱图高度拥挤 

此时：只有 R ≈ 10,000 的高分辨率分析仪，才能实现无歧义识别与准确定量。 

结论

质量分辨率是基于 TOF-MS 的 AMC 监测中的关键参数。

高质量分辨率能够：

• 降低谱图解读难度 

• 清晰分离同量异位物种 

• 提高污染物识别与污染源归因的可靠性 

这些能力能够直接转化为：

• 更快的定向污染响应 

• 更可靠的污染控制决策

• 更快的半导体制造回复时间

• 更高的良率与稳定性。

参考文献 

• ISO 14644 1, 2015. Cleanrooms and associated controlled environments – Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration. International Organization for Standardization.

• Li, S.-N. et al., 2007. Case study of micro contamination control. Aerosol and Air Quality Research 7(3), 432–442.

• Den, W. et al., 2020. Airborne molecular contamination: Recent developments in the understanding and minimization for advanced semiconductor device manufacturing. ECS Journal of Solid State Science and Technology 9, 064003.

TOFWERK成立于2002年，总部位于瑞士图恩市。TOFWERK是一家集飞行时间质谱仪（TOFMS）的研发、生产、销售和服务于一体的分析仪器公司，致力于为实验室检测和外场监测提供多选择的仪器分析方案。目前，公司的主要产品包括Vocus化学电离-飞行时间质谱（提供PTR以及各种‘软’电离化学离子源），电感耦合等离子体-飞行时间质谱（icpTOF），微波诱导等离子体-飞行时间质谱（mipTOF）等。 

经过20多年的发展，TOFWERK公司在真空系统设计、高速数据采集软硬件、数据处理展示软件和飞行时间质谱分析仪等领域取得了显著的技术突破、并获得了广泛的市场认可。依托公司先进的工业设计和生产平台，使得新型仪器从图纸设计到快速量产得以实现，能为科研单位，研究实验室和应用市场的分析需求提供量身定制的解决方案。目前在全球安装量超过 1000 台，员工规模达130人，业务保持盈利增长。

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2026年1月，TOFWERK正式加入布鲁克大家庭，进一步拓展其在大气化学研究、空气质量监测、暴露组学（exposomics）、食品及香精香料检测，以及半导体洁净室监测等应用领域的布局。 

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