【摘要】
東レリサーチセンター股份有限公司（所在地：東京都中央區日本橋本町一丁目７番２號，社長：真壁芳樹，以下簡稱「TRC」）透過高度優化誘導耦合電漿質譜儀※1的單一微小粒子分析法（spICP-MS※2）的樣品製備方法及測定條件，開發出能以國內最高等級靈敏度分析半導體製造過程中備受關注的雜質金屬奈米粒子之粒子濃度與粒徑分佈的技術。利用此技術，TRC將開始提供以半導體製造用藥液中的奈米粒子為對象的委託分析服務。
隨著半導體製程不斷微細化，奈米※3尺寸的微小粒子（奈米粒子）即使是極微量，也可能成為造成斷線或短路等缺陷的原因。因此，從確保良率的觀點來看，製造過程中使用的藥液純度管理變得日益重要。
spICP-MS是一種高靈敏度分析方法，能夠逐一偵測液體中存在的金屬奈米粒子，並同時測定其粒徑與粒子數濃度。TRC透過建構能最大化此方法特點的獨特分析系統，實現了對藥液中所含極微量雜質奈米粒子的偵測與定量評估。此服務預期將有助於進一步提高藥液的純度，並對先端半導體製造的良率提升做出貢獻。
【背景】
在半導體高性能化與省電化不斷發展的同時，元件的微細化也持續加速。另一方面，金屬奈米粒子造成的污染已成為引發積體電路斷線或短路的原因之一而備受關注。半導體製造過程中使用了光阻劑※4、酸、有機溶劑等多種藥液，這些藥液中所含的雜質金屬奈米粒子對元件可靠性與良率的影響不容忽視，因此，對於能高靈敏度且定量評估藥液中極微量金屬奈米粒子的技術，一直有著強烈的需求。
spICP-MS是一種分析方法，即使在極低濃度（數 ppt※5，即十億分之一）下也能偵測分散於液體中的金屬奈米粒子，對於評估藥液等中的雜質金屬奈米粒子非常有效。然而，過去存在著因樣品製備所用試藥的雜質、樣品中的金屬離子或夾雜物、以及測定裝置內的污染等因素所引起的雜訊訊號影響，以及測定條件些微差異導致的靈敏度波動，使得微量、微小粒子的偵測變得困難等課題。
【技術與分析例】
針對這些課題，TRC結合了樣品製備所用溶劑的高純度化、為保持裝置內部清潔的運行管理，以及針對測定對象藥液與粒子進行的測定條件優化，建構了能最大化spICP-MS特點的分析系統。結果，實現了對半導體製造用藥液中存在的極微量金屬奈米粒子進行高靈敏度且穩定的偵測與評估。
作為證明此技術有效性的一例，圖1顯示了使用spICP-MS確認半導體製造過程中作為光阻劑溶劑或清洗劑所使用的丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA※6）中雜質金屬奈米粒子量的結果。
直接測定市售高純度PGMEA時，檢測出鋁（Al）和鐵（Fe）等金屬奈米粒子。此結果表明，即使是通常被認為是「高純度」的藥液中，也存在金屬奈米粒子作為雜質。使用此PGMEA進行樣品製備時，難以區分檢測到的粒子是來自樣品本身還是來自製備所用的PGMEA。另一方面，在對此溶劑進行精製後進行類似分析時，幾乎檢測不到金屬奈米粒子，這表明使用適當精製的試藥，能夠進行更高靈敏度且更可靠的雜質評估。此外，從精製後的PGMEA中檢測到的Fe粒子相當於溶劑濃度0.04 ppt，達到了極高的偵測靈敏度。
此外，本方法透過溶解於適當的溶劑中，也能夠評估樹脂中所含的金屬奈米粒子，對於推測以固體樹脂為原料的藥液中的污染源也有效。樹脂中極微量金屬奈米粒子的分析，是首次透過使用精製後的高純度溶劑來溶解樹脂才得以實現。今後，透過將適用範圍擴展到各種溶劑和材料，將能應對更廣泛的分析需求。
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常見問題
What is the new service offered by Toray Research Center?
Toray Research Center has launched a new contract analysis service for detecting and quantifying impurity metallic nanoparticles in chemical solutions used in semiconductor manufacturing. This service utilizes a highly optimized single-nanoparticle inductively coupled plasma mass spectrometry (spICP-MS) technique.
Why is the analysis of nanoparticles in semiconductor chemical solutions important?
As semiconductor devices become smaller and more complex, even trace amounts of nanoparticles in the nanometer range can cause critical defects like disconnections and short circuits, leading to reduced device reliability and lower manufacturing yields. Therefore, strict purity control of the chemical solutions used is essential.
What makes Toray Research Center's technology unique or advanced?
TRC has achieved the highest sensitivity in Japan by highly optimizing sample preparation methods and measurement conditions for spICP-MS. Their unique analysis system, combined with high-purity solvents and rigorous operational management, allows for the sensitive and stable detection of extremely trace amounts of impurity nanoparticles.
What is spICP-MS?
spICP-MS stands for single-nanoparticle inductively coupled plasma mass spectrometry. It is a highly sensitive analytical method capable of detecting and simultaneously measuring the size and particle number concentration of individual metallic nanoparticles in a liquid sample.
What kind of nanoparticles can be analyzed?
The service focuses on metallic nanoparticles that act as impurities in semiconductor manufacturing chemical solutions. The technology can also be applied to evaluate metallic nanoparticles contained within resins by dissolving them in appropriate solvents.