ACAIC 2024主题论坛：半导体材料/器件高质量发展与下一代分析仪器论坛成功召开

2024/11/22阅读：8 次

2024年11月16日下午，第九届中国分析仪器学术大会（ACAIC 2024）——半导体材料/器件高质量发展与下一代分析仪器论坛在广东省深圳市登喜路国际大酒店召开，本次分论坛由中国科学院上海硅酸盐研究所组织，中国科学院上海硅酸盐研究所汪正研究员主持本次论坛。

中国科学院上海硅酸盐研究所汪正研究员主持会议

半导体行业是一个技术密集型的行业，其生产工艺复杂，设备精密度要求高，整体流程涉及到成百上千道工序。随着半导体制造工艺越来越高，其制造难度及品质管控也在呈指数级增长。因此，对材料纯度、制造精度等都提出极高要求，而这也给材料、器件的分析检测技术带来了巨大的挑战。该论坛旨在进一步探讨我国半导体及其相关信息技术领域的最新研究进展和发展趋势，特别是半导体材料分析检测技术，推动我国半导体材料事业快速发展，加强各领域学术交流与协同创新。

报告嘉宾：中国科学院半导体研究所赵德刚研究员

报告题目：《氮化镓半导体激光器材料行业现状及趋势》

氮化镓（GaN）基材料被称为第三代半导体，其光谱范围覆盖了从近红外、可见光到深紫外全波段，在光电子学领域有重要的应用价值。GaN基蓝光LED的发明引发了照明技术和产业的革命，而GaN基激光器在激光显示、激光照明、激光加工等领域有重要的应用，更是高难度的光电子器件，受到了广泛关注。尽管激光器在多个领域具备应用潜力，但其在日常生活中的普及程度远不及 LED。这主要归因于激光器技术难度颇高，面临诸多严峻挑战。在大失配的异质外延方面，由于材料特性差异较大，致使外延过程中产生较多缺陷；P 型掺杂过程中，补偿与钝化现象严重，极大地影响了掺杂效果；量子阱的发光效率处于较低水平，且均匀性欠佳；此外，其结构极为复杂，这些因素都制约了激光器的广泛应用。

赵德刚课题组针对上述问题积极开展了大量深入的研究工作。在大失配外延领域，通过不懈努力成功制备出具有高迁移率的 GaN 材料，该成果在世界 MOCVD 领域处于领先地位，为后续相关研究提供了卓越范例。同时，在 AIN 材料外延技术上取得重大突破，为深紫外激光器的研发奠定了坚实基础。P型掺杂方面，课题组深入探究并精准发现碳杂质补偿问题，进而通过创新方法有效抑制了这一不良影响，并且巧妙利用碳杂质成功实现了欧姆接触，极大地改善了器件的电学性能。在量子阱研究方面，课题组专注于调控局域态，有效抑制了 V 型缺陷以及碳杂质带来的负面影响，显著提升了量子阱的性能表现。此外，精心设计了多种新颖结构，有效抑制了损耗和泄露问题，全面优化了激光器的整体性能。并且课题组成功研制出蓝光、紫光、绿光激光器，相关工作得到国际认可。展望未来，GaN 激光器具有极为广阔的发展前景，有望朝着多波长、大功率高效率以及多种结构集成化的方向发展。在国产芯片面临诸多困境的当下，GaN 激光器技术的持续发展对于攻克国产芯片难题起着不可或缺的关键作用，值得各方持续高度关注并大力投入研发资源，共同推动其不断向前发展。

报告嘉宾：中国科学院上海硅酸盐研究所汪正研究员

报告题目：《等离子体质谱在半导体用高纯材料的分析研究》

半导体行业在近年来展现出持续向上的发展态势，据预测，到 2024 年其市场规模将实现两位数的增长，有望达到 5884 亿美元。集成电路行业包含了设备设计、制造以及封测等多个关键环节，在制造材料方面，涉及硅片、光刻胶、电子气体、cmp 材料等众多品类，而封装材料则涵盖焊线、液体密封剂、锡球等。材料的纯度对于芯片的整体性能起着极为重要的作用，在半导体制程中，多达 50% 的废弃硅片均是由于所使用的试剂及材料中存在的痕量污染所致。碱金属与碱土金属容易引发元器件出现漏电及低击穿现象，对制程产生的影响最为严峻；过渡元素和重金属会致使元器件的寿命缩短，暗电流增大；具有扩散作用的渗透元素虽能影响电子和空穴的数量，但必须对其含量加以严格控制，尤其是在轻掺硅晶片中的 B、P 元素含量，因其对制程的影响显著，其含量测试要求也在不断提升。

化学品中金属杂质的管控要求从最初的 ppm 级逐步发展至 10 个 ppt 级别，并且后续有可能进一步降至 1 个 ppt，这无疑给分析测试工作带来了极为严苛的挑战，几乎所有元素都需要被精准控制在亚 ppt 级别。光刻胶作为其中的重要组成部分，包含有机试剂与添加剂等成分，随着制程从 30 纳米不断演进至几纳米，对于其中金属杂质的要求也从小于 0.1 ppm（即 10 个 ppb）大幅提升至需控制在 0.1 个 ppb。

电感耦合等离子体质谱（ICP - MS）是进行定量分析，特别是液体定量分析的一种行之有效的方法。当下存在多种仪器类型，诸如单杆、串联杆、高分辨质谱等，其检出限能够达到 ppt 水平。然而，在实际操作过程中，必须充分考虑到人员、机器、材料、方法、环境等整个人机料法环因素的综合影响，因为这些因素均会对最终的分析结果产生作用。例如在超纯水的分析过程中，由于存在亚氢和亚氧的干扰，使得钾钙铁等元素的分析难以达到 ppt 水平，不过可以借助冷焰模式来实现离子电离，从而降低背景影响，但这一操作也会降低基体耐受性和金属氧化物分解的效率。所以，冷等离子技术仅适用于无基体或者基体较为简单的样品。

样品自身特性同样会产生影响，比如在对二氧化硅进行处理后，仍会残留 ppm 级的硅，这将会对痕量元素的测定造成干扰，因此有必要深入探究在不同机制下 ICP - MS 所存在的干扰情况。以钙元素分析为例，钙离子与氨发生反应属于吸热反应，而亚离子与氨的反应则是放热反应，通过引入少量氨气能够有效去除亚离子背景，进而实现低含量钙的精准检测，并建立起良好的线性关系，像水中的多数元素其检测能力能够达到亚 ppt 甚至 0.1 ppt 水平。对于第三代半导体碳化硅而言，因其药品消解难度较大，于是研发出了激光剥蚀（LA）与 ICP - MS 技术用于材料分析，借助激光作用于样品表面产生气溶胶，利用玻璃标样校准来进一步提升检测能力。

尽管在相关领域已经开展了大量的工作，但依然面临诸多亟待解决的问题与深入思考的方向。例如随着科技要求的提高，分析元素含量需要达到 ppq 水平，如何达成这一目标成为了全新的挑战。液体样品有时需要经过处理才能进行分析，固体样品（如第三代半导体等）、难处理样品或高基体样品怎样实现低含量测试，样品处理过程中的污染问题如何解决，气体应当如何进行捕获与测定，以及如何达成智能分析，对于大尺寸器件（如大硅片）又该如何实现直接分析，LA 分辨率怎样才能达到更低的纳米级并且实现极低含量检测等等，这些问题都迫切需要在未来进一步深入探讨与研究。

报告嘉宾：吉林大学宋薇教授

报告题目：《半导体/金属复合SERS基底用于催化与传感研究》

一些纳米材料表面吸附的一些分子，在激光的照射下，它会产生一些特异性的拉曼信号的增强，即表面增强拉曼（SERS）。众多纳米材料如金属氧化物、金属硫化物、碳基材料、金属有机骨架材料等，具备量子尺寸效应与催化效应，虽部分材料本身SERS活性不佳，但与某些金属复合后可兼具SERS活性与催化活性。其涉及的SERS机制包含电子场增强与电子转移化学增强，金属与半导体复合时会产生协同效应提升SERS活性，如银箔与氧化锌纳米纤维复合的实例，且该复合体系可用于光催化降解实验，SERS 在催化研究中有独特优势，可更精准监测表面分子变化。

纳米酶作为 2007 年发现的低成本、稳定类酶材料，特定分子在其相关酶作用下会发生氧化及光谱、颜色变化，引入还原性物质可改变其信号，从而实现对不同分子的传感检测。金的镍铁水滑石半导体材料具有氧化物酶活性，汞离子及有机汞的加入会增强其氧化性，能检测低浓度有机汞，且该材料可在短时间内降解有机汞并实现循环利用，成本较低。多金属氧簇金属及骨架材料等分别具备不同酶性质及催化效应，可用于检测多种物质的抗氧化能力及相关浓度，如茶叶、黄酒等。

在生物医学检测领域，金镍酸镧材料通过与外泌体表面蛋白抗体复合，可作为纳米酶联免疫检测材料，区分癌症患者术前术后健康状态，基于此进一步采用双步逼近法，利用特殊包裹材料与金多酸及抗体复合，提升检测效率与灵敏度，用于区分胰腺癌患者与正常人的外泌体个数。金属碳点材料因特殊杂化具有半导体量子点效应，构建核壳结构后可因电荷转移改变荧光特性并增强SERS效应，小尺寸银石墨烯钢铁材料可进入细胞核，用于检测过氧化氢浓度。基因探点核壳结构材料具有光热效应与谷胱甘肽酶性质，激光照射可提升催化活性，用于治疗小鼠肿瘤并能监测肿瘤微环境氧化应激效应。

综上所述，研究旨在开发兼具SERS与催化活性的材料，实现其在催化功能、原位监测催化过程以及污染物处理和生物体系疾病诊疗等多方面的应用，推动相关技术的实用化发展。

报告嘉宾：北京北方华创微电子装备有限公司曹永友高级工程师

报告题目：《半导体洁净制造理论及超高纯检测分析技术的应用与展望》

按照 IRDS路线图，半导体沿先进制程、特色工艺、三维封装三个方向发展，这为设备带来广阔空间。半导体工艺分为前端的晶体管制造与后端的金属互联，前后端对设备要求差异显著。前端因涉及晶体管的P - N节或源、散、漏等结构，对金属污染颗粒及检测线要求达ppt级别，后端同一制程节点要求则低很多。从芯片解剖照片可知，前道晶体管特征尺寸为纳米级，后道逐渐放大至微米级。不同制程的设备腔室对芯片良率有决定性影响,在先进制程中，零部件金属夹杂量可达10的 8次方原子数每平方厘米这样一个污染量，芯片要求更为苛刻，小芯片上特定尺寸要求金属夹杂量小于特定数值，这对设备及零部件材料腔室套件提出了极为严苛的要求。同时，前道与后道对洁净度要求不同，某部件用于特定制程不意味着可覆盖所有工序。

半导体装备零部件与材料在纯度、结构、工艺、洁净度、精度、可靠性及稳定性等方面需满足设备工艺要求，必须具有精度高、批量小、多品种、尺寸复杂且要求苛刻的特点。设备上游材料与子系统多依赖海外，如高纯度化学品、输特气用的超高纯不锈钢气体管路、外延生长用的高纯石墨、等离子刻蚀腔用的半导体级低介电损耗陶瓷等。这些材料部分国内检测能力不足，导致评价指标虽符合要求，但应用时会出现污染问题。半导体装备常用材料多为传统材料，如金属材料（铝、铝合金、不锈钢、特种焊接特种合金）及非金属材料，对于非金属材料，关注重点并非纯度，而是微量元素（如钠钾钙）含量是否稳定，部分特种材料表面还需进行各种表面处理与涂层，并采用如 LDCVD、PVD 等技术进行表征，运用 LASD MAX、拉曼等分析方法分析图层特性，对化学品需评估微量金属离子、有机物颗粒等。

半导体晶圆厂的洁净室是工业建筑的核心，需严格控制温度、湿度、压差、颗粒污染物、微震、静电、电磁干扰等指标，确保在可控范围内。超纯水在不同制程节点对有机物颗粒、溶解有机硅、细菌、金属离子等要求各异，先进制程5 纳米以下要求金属夹杂量在 ppt以下，且需在线监控以保障工艺可靠性与稳定性。对于液体化学品，它分为清洗类与功能类，清洗化学品对金属夹杂量要求小于 10 个 ppt以下。

半导体污染物主要包括颗粒、离子、金属、有机物、静电等，其中静电在半导体零部件或组装过程中易被忽视。金属材料的自然氧化层、陶瓷或脆材料的微观破碎层等易产生颗粒与金属污染的因素，同时指出在半导体结晶室中化妆品、抽烟气味等会产生空气分子污染，这些污染可能导致器件失效，如钠钾钙影响沟道漏电、反转、击穿、镜头腐蚀、阈值电压漂移等，污染源来自洁净室所有物品，人员与环境、产品间污染物迁移机制需重点关注。例如人手或生产设施接触零件、无尘布等会增加钠钾金属量，穿着无尘服不动或稍有动作都会产生大量颗粒，半导体生产过程涉及的包装材料、手套、无尘布、水、化学品、环境等细节易被忽视，却是解决先进制程污染物问题的关键。

在分析检测技术方面，以半导体零件清洗为例，白光下零件可能看似仅有少量颗粒，但在紫外灯下却满是颗粒，国内多数结晶室管控水平仍存在大量 5 微米以上颗粒，难以支撑先进制程。对于半导体腔室部件的涂层及微观表面，需借助先进表征手段分析纳米尺度表层组织至块材基材特征，当前国内多依赖国外如 EAG 或八大机构，部分高校也在开发相关分析检测方法。检测方法涉及颗粒、金属、离子、有机污染等，虽国内有相关设备如 SAP MAX、XPS、EDS 等，但需结合半导体零部件材料特性制定特定制样方法，否则会因背景不准影响检测结果并产生干扰因素。例如可通过超声波震荡分析颗粒尺寸形貌及源头，利用 SAP MAX 识别污染工序与洁净工序并通过生产改善、擦拭分析实验控制污染，在某些场景使用非高纯材料并通过后续清洗组装测试降低客户端污染。

洁净制造方面，实验室及生产过程在更换耗材、手套、电子化学品时需进行交叉污染检测，分析超高层化学品的 CD 和氮气若未经过特定过滤器会因自身污染导致背景值失效，水与化学品使用也易被忽视。当前重点工作之一是识别金源生产涉及的所有 SEMI标准，国内在半导体设备相关的设备设施、气体、液体化学品、量测等方面标准存在空白，作为SEMI全球中国区代表正在推进此项工作，国外相关标准制定多由高校与企业承担，如超高纯树脂评价涉及超纯水 PMC、超高层组装测试分析、表面处理、微量金属及电子级化学品等，随着制程推进指标要求更苛刻，国内高校与科研院所参与度低，导致研究成果难以匹配工程应用。

最后建议科研、企业及分析仪器相关方关注洁净要求，科研院所在基础科学与交叉学科前沿应用方面加大投入，以解决半导体设备开发及关键零部件基础材料配套中的问题，提升分析检测对配套能力的支撑作用。

报告嘉宾：中国科学院上海硅酸盐研究所李青副研究员

报告题目：《离子色谱在高纯材料分析的应用》

离子色谱作为一种用于阴离子分析的有效手段，其仪器构成相对简洁，涵盖高压泵、六通阀、色谱柱、抑制器检测器等部件。基于离子交换原理的切换功能，它能够对无机阴离子、阳离子、有机阴阳离子乃至生物大分子、天然有机物等展开分析，故而在环境、食品、医学、农业等诸多学科领域均有广泛应用。李青研究员着重分享离子色谱在电子化学品领域的应用。湿电子化学品在半导体制程中应用极为广泛，涉及清洗、蚀刻等环节，相应地对其要求颇高。从分类来看，主要分为酸类（如氢氟酸、盐酸、硝酸等常用酸）、碱类试剂（如氢氧化钾、四甲基氢氧化铵等）、试剂类（包括超纯水、有机试剂）以及当前热门的半导体前驱体（作为薄膜沉积的核心材料，属于新兴领域）。

半导体试剂的显著特点是纯度极高，组分纯度可达 4 个 9 甚至 5 个 9 及以上，这意味着杂质含量极低，金属离子、无机阴离子、无机盐、有机物等组分含量往往处于 ppb 乃至更低水平。这种高纯度特性给分析工作带来巨大挑战，因其样品基体种类繁多且复杂，进样量过高时，不仅会对仪器自身产生影响，还可能引发干扰。同时，待测样品离子含量极低，单纯依靠稀释测定难以满足半导体分析需求。

在离子色谱领域，常用的应对手段是在线前处理。针对酸碱及有机试剂等三大类，多采用酸基体中和、基体消除等方法在线去除杂质，既能避免污染引入，又可提升方法的检出限。超纯水用量巨大，且随着制程提升，对超纯水要求愈发严苛，现已发展至 ppt 级别，这给超纯水中阴离子测定造成极大困难。常见的测定方法是预浓缩手段，本实验室采用离子色谱进行测定，预浓缩体积达 18 毫升，通过高倍数预浓缩提升待测含量，从而获得较为理想的 5 ppt 阴离子测定结果。

电子特气方面，以二氧化碳为例，其吸收于水中后呈弱酸状态，在水中不完全电离，若采用浓缩方法会产生较大系统峰干扰，难以准确测定待测离子。为此采用抑制器作为前处理装置去除二氧化碳气体及系统干扰峰，再经预浓缩实现低含量检测，加标回收率良好。

对于有机溶剂中的阴离子测定，由于有机溶剂可能损害色谱柱且存在干扰问题，采用基体消除方案。适用于双氧水、异丙醇等样品类型，以重硅酸乙酯为例，其微溶于水，用水萃取难以保证萃取效率，但易溶于乙醇，故采用乙醇替代水作为基体消除溶剂。先使样品吸附，再用乙醇冲洗后测定氯离子，标准样品的 ppb 级结果及标准曲线显示加标回收率可达 106.8。

碱性样品主要采用基体中和方案，使氢氧化钠中的氢氧根离子与氢离子交换后进行测定。未采用基体中和技术时，如氟离子等常见阴离子难以准确测定，采用后谱图效果显著改善。通过该方法分析 2.38% 四甲基氢氧化铵中的阴离子含量，连续精密度较好，检出限约为 0.1 ppb。

酸性样品以磷酸和氢氟酸为例，采用二维色谱技术。氢氟酸为弱酸，在离子排斥柱上有保留，而盐酸、硝酸、硫酸等强酸无保留，借助阀切换技术可实现痕量阴离子分析。通过二维色谱阀切换，取特定时间段的样品进入下级离子色谱柱，实现氢氟酸和磷酸中阴离子的测定（氢氟酸为稀释后测定）。

燃烧炉离子色谱可用于解决部分有机试剂无法直接进样离子色谱的问题，如一些大分子或树脂类有机试剂，因稀释可能存在粘度或纯度问题。其原理是在离子色谱前端增设燃烧部分，固体或液体样品进入燃烧炉，炉温最高可达 1100 度，多数有机组分可挥发燃烧，氟、氯、溴等易挥发组分进入吸收液后再进入离子色谱测定。在显示领域的OLED材料中有较多应用，检出限约为 0.5 ppm，可用于有机或其他高纯有机类样品分析，但存在一定局限性。温度方面，仪器常设置为 1050 度，在此条件下部分样品如氟化物可能无法完全挥发，多为无机盐类样品受影响；此外，样品中空白问题也较为突出，若充入 50 毫克样品，空白为 10 ppb 时，换算可得空白污染程度约为 1.4 ppm，若要实现 0.5 ppm 或更低检出限，提高样品量可能导致燃烧不完全，空白增加会抬高分析检出限，且部分无机盐因熔沸点高难以分析，卤素还存在腐蚀问题。

回顾离子色谱在电子化学品中的应用，超纯水采用预浓缩技术可将阴离子杂质测定至 ppt 级别，有机溶剂通过基体消除可达 ppb 至 ppt 级别，碱性样品经基体中和、酸性样品通过二维离子色谱可实现 ppb 级检出，燃烧炉离子色谱对有机组分有约 0.5 ppm 的检出能力。

报告嘉宾：中国科学院上海有机化学研究所王昊阳高级工程师

报告题目：《有机半导体材料的体系化质谱分析方法》

有机半导体材料是以有机电子学为基础衍生发展而来的新型有机材料种类，通过对有机半导体材料分子结构分析及性能研究，对提升有机半导体材料性能，拓展有机半导体材料的应用有重要意义。根据有机半导体材料领域具体的分析与测试需求和研究对象的不同，需要建立体系化的质谱分析方法与手段。采用高分辨质谱技术结合不用离子化方式，可以实现对有机半导体材料分子结构的表征和分析，还可以结合热脱附/热裂解分析对有机半导体材料中的聚合物及其相关添加剂进行分析。只有通过这种多种质谱学技术的融合方式，建立体系化质谱分析方法，并进一步紧密结合光谱和NMR技术才能真正有效地对有机半导体材料进行表征与分析，进而避免分析中的盲点和误区。

报告嘉宾：上海市计量测试技术研究院集成电路产业中心李春华高级工程师

报告题目：《痕量检测技术在集成电路材料领域的应用》

集成电路材料是产业发展的基础，痕量杂质是集成电路材料的重要质量指标。痕量阴阳离子杂质种类繁多，难以逐一列举。这些杂质主要源于四个方面：一是对下游产品有重大影响的杂质元素，例如衬底材料中不期望有硼和磷；二是原材料必然引入的杂质；三是生产工艺过程中接触材料迁移的杂质，如不锈钢输送管线会迁移不锈钢材料；四是环境中的污染元素，像钾、钠、钙、镁等在环境中普遍存在且易迁移，这四类构成了痕量阴阳离子的主要来源与限制方式。

颗粒是集成电路材料中第二大权重系数的影响因素，其受重视程度日益提升。目前技术手段可表征至 30 纳米，20 纳米虽可读取数据，但无法进行量子溯源，数据的物理意义难以证实。此外，痕量有机杂质和水分虽非本次重点，但也是集成电路材料关注要点。在集成电路领域，针对阳离子问题多采用 ICP-MS解决，因其对痕量检出限的极低极限值构成挑战，基本运用 Sms 技术。Sms 发展历经四个阶段：首先是单四极杆的出现，某些元素可达到 0.1个ppt的检出限；同时期出现高分辨质谱即磁质谱，理论上可实现1万分辨率，理论上不存在质谱干扰，但实际情况有所不同；接着出现三重四极杆与碰撞反应池，当前应用较多，旨在消除质谱干扰；最后是集成电路常用的三轴四级杆，增加碰撞反应池，有效清除质谱干扰。

光刻胶方面，实验室采用三项技术：在线加氧技术，可去除光刻胶基体中碳基体的干扰，将碳转化为二氧化碳后由真空系统排出；冷却雾化技术，降低溶剂挥发，提升雾化效率，增强灵敏度；微量剂量技术，将雾化器和中心管更换为细管，确保等离子体不熄火。三项技术叠加使有机测试变得如同水测试般简便，约 90% 的有机测试不再受有机质干扰，检出限降低，操作简易，且能在多个实验室重现，实验室对光刻胶的检测，检出限和 BC 均可达到 PPT 级别。

金属前驱体测试存在两大难点：一是水氧敏感性，因其为固体，在未制成前易转化为难以消化的固体，导致ICPMS无法进样。针对此问题，采用无水无氧手套箱，可在完全无水无氧条件下处理高金属基体和高硅基体，能同时处理多个样品，无敞开环境，避免外界污染。正硅酸乙酯也可采用此方案处理，处理后可同时进行阴阳离子检测。二是高金属基体的基体抑制效应与质谱干扰，质谱适宜千分之二的固含量测试，高金属基体含量达百分之三十几，会降低等离子化效率。实验室采用离子柱交换技术，捕获或去除 99% 的重金属离子，或进行 1 万倍稀释，使基体浓度处于 500ppm 至 5000ppm 之间，以实现基体匹配。此外，对于金属基体特有的干扰，如硝酸基质或盐酸基质在金属基体中的干扰，以钴基体中砷钴氧与砷钠重叠为例，实验室采用质量转移方式消除干扰，实现 PPT 级检出限。

随后，李春华介绍了痕量阴离子技术解决方案。在集成电路领域有两种主要方法，传统闭塞法与离子色谱法，其中约 85% 采用离子色谱法。实验室具备离子色谱的六种技术：一是在线浓缩技术，其难点在于使浓缩量能让检测器有足够响应值，本实验室浓缩 10 毫升，同时实现全自动标准曲线绘制。全自动在线离子色谱通过浓缩 10 毫升与标准曲线全自动化，实现超低在线浓缩。二是二次中和技术，用于碱性样品检测，如氨水，有两种技术方案，一种是利用抑制器电解水中氢，中和碱性样本中的氢氧根，降低碱浓度；另一种是使基体挥发，如让氨挥发，检测剩余水中的阴离子。三是二维排除离子色谱，主要应用于氢氟酸和磷酸检测，2 倍稀释和 10 倍稀释标准曲线可从一个 ppb 开始绘制。四是有机相气相离子色谱，带浓缩柱与浓缩装置，将基体脱离后直接上机检测。五是燃烧炉离子色谱，用于解决光刻胶树脂问题，因其不溶且上离子色谱易溶胀堵塞柱子，该技术适用于光刻胶树脂的总卤素检测。六是在线粒子色谱，已非未来技术，多个厂已应用，实验室拥有工程机，正在制定其性能评价方法标准。离子色谱未来趋势为在线化，以避免人员差异与污染，同时离子色谱材料不断进步，有效柱容量呈指数级提升，部分理论研究老师可精准控制阴离子在分析柱上的分析位置。实验室可实现人拉 20 个 PPT 的检测结果，目前正要求团队成员均达到此水平。

最后介绍颗粒检测技术解决方案。常规液态颗粒检测技术有电阻法、光阻法、光散射法等，目前常用光子相关光谱法，以实现纳米级检测。当前工业应用广泛的仍是激光衍射与动态光散射技术。在 500 纳米以下颗粒检测中，离线数据已无意义，推荐采用在线检测，在线检测中微气泡是最大影响因素，因其会被当作颗粒度统计，进行颗粒检测时需多加留意。

报告嘉宾：中山大学电子与信息工程学院刘川教授

报告题目：《场效应晶体管非理想特性的分析与利用》

薄膜晶体管采用半导体薄膜，有别于硅晶体管。硅多为单晶形式，而薄膜晶体管的优势在于半导体薄膜易于沉积，可形成大面积薄膜。当前主要材料为非晶半导体，涵盖氧化物半导体，如常用的氧化铟、氧化锌、ITO 等，手机中逐渐更多地采用 ITO 制作器件，其主要特性为带隙宽度大，故而导通电路极低，并且与 CPU CMOS 后道工艺兼容性良好，可大面积成膜。应用场景涵盖显示、成像、集成芯片计算。

在分析半导体迁移率方面，原本看似简单，但由于诸多新型半导体的出现，情况变得复杂。理想晶体管的电流与电压呈正比关系，迁移率为常数。然而实际情况中，电流呈现曲线，迁移率数值混乱，不同人取值各异，这一问题在有机半导体、碳纳米管、硫化钼、石墨烯等材料中均存在，且缺乏有效的分析手段。理论层面影响迁移率的主要因素有传输因子、注入因子、积累因子。对于传输因子，已有众多针对硅、有机、氧化物、二维半导体等的理论研究。前期工作是运用一种较为通用的理论，将这些不同半导体的模型统一于一个框架内，用以描述迁移率与温度的变化关系，此为一种实用的工具，有助于更精准地测量迁移率。

注入因子方面，简单来讲即课本中提及的金属与半导体的接触注入问题。传统的欧姆接触在晶体管中对注入调控作用微弱，但对于新型半导体（氧化物、有机、二维材料等），其调控极为复杂。课本中常提及的热发射、隧穿、扩散这三个过程原本被视为孤立的，但在新型半导体中它们相互关联，致使注入的载流子浓度与单电压关系呈现非线性。这导致测量与分析的复杂性大幅增加，使得测量所得的实际迁移率为真实半导体迁移率乘以一个难以通过传统方法测定的系数。

积累因子是指电荷在界面的积累情况。传统的热氧硅在电容测量时表现稳定，电容为固定常数。但只要混入少量离子，电容测量结果就会发生变化，可能出现反向滞后，测量电容值可能逐渐增加、增加至饱和、增加后减少再返回等复杂情况。一般的半导体分析仪难以检测到这些情况，因其通常仅能达到 100 赫兹，而电化学工作站能揭示真实情况，二者差异显著。并且该情况无法在器件上直接测量，仅能通过电化学工作站测量，这也是导致许多晶体管测量所得迁移率及亚阈值摆幅与传统硅晶体管截然不同的重要原因。虽可通过计算得出结果并在实验中观察到定性趋势，但传统方法无法测定真实情况，为此总结出相关模型，并设计了实验方法。

主要介绍两种方法：一是四探针方法，原漏电极中间两个电极测量的方法，在此基础上进行拓展，即便原漏电极电压较大，也能精准测量某处电场与电势，进而准确提取电流与迁移率。

另一种是双电层电容分析方法，用电化学工作站可测量，但晶体管难以直接测量，于是采用自研的双通道运算放大器，将双通道功能集成于一台设备，该设备具有低压通道与主通道，主通道设计有前置放大器，可实现飞安级电流测量，辅助通道可进行毫安级电流电压测量。添加数字源表后，可增加脉冲特性，在栅极加电压，原漏电极测电流，脉冲宽度可在一微秒内调节，电压幅度 5 - 20 伏可调，原漏级电压约三伏，电流在纳安到微安级别，时间分辨率约几百微秒，足以满足测试需求。测试结果显示，通过常规 ID 曲线测量迁移率较高，但双通道测试发现真实数值远低于常规测量值，表明直流加交流双通道策略可有效揭示假象并消除离子影响。

在自研仪表方面，自研的原表与运算放大器搭配，在许多情况下可取代两台设备，如三端器件测量。采样率达 38k，前置放大器可将最小量程提升至一皮安。这些设备已交付清华、北大、中科大、东南大学、中科院物质研究所进行测量，东南大学认为其是国产高频设备中唯一可取代苏黎世设备用于生物阻抗检测的仪器，还可用于量子光源等精密测量。

主办单位：

中国仪器仪表学会分析仪器分会

承办单位：

中国科学院深圳先进技术研究院

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