基于真空紫外辐照与质荷比测量的中真空纳米颗粒粒径分布监测新方法

为解决半导体制造中中真空条件下纳米颗粒粒径分布(PSD)定量监测难题，研究人员开发了结合真空紫外(VUV)辐照室和四级杆质荷比(m/q)分析仪的新型测量方案。通过非负最小二乘法(NNLSQ)优化算法，实现了5-50 nm氯化钠(NaCl)纳米颗粒在±3%分辨率下的精准测量，为先进工艺控制(APC)提供了关键技术支持。

　　

在半导体制造领域，随着器件集成度和性能要求的不断提升，工艺控制精度面临严峻挑战。等离子体工艺中产生的纳米颗粒粒径分布(PSD)是反映工艺质量的关键指标，但传统粒子束质谱仪(PBMS)仅能在数百毫托的高压下工作，无法满足现代半导体制造中中真空(数毫托至数十毫托)环境的监测需求。这一技术空白严重制约了虚拟计量(VM)和先进工艺控制(APC)的发展，亟需开发新型原位定量监测方案。

为解决这一难题，研究人员提出创新性的PSD测量方案。该方案采用真空紫外(VUV)辐照室实现纳米颗粒直接光电离，结合由堆叠四级杆带电粒子漏斗和四级杆质量分析仪(QMA)组成的质荷比(m/q)测量装置。通过多级真空系统维持中真空与高真空区的压力差，采用基于光电离模型的非负最小二乘法(NNLSQ)配合梯度下降优化算法，仅需相对辐照强度比值即可实现PSD重建。

m/q Measurement device for nanoparticles in the free molecular regime
研究团队设计的测量装置突破传统PBMS的气动透镜限制，通过堆叠四级杆结构产生的交直流复合电场实现带电纳米颗粒的聚焦传输。QMA在10^-5
Torr超高真空下工作，通过差分抽气系统实现与中真空区的压力隔离，确保在5-50 nm粒径范围内达到21%的传输效率和±3%的质量分辨率。

Simulation results and discussions
模拟结果显示：对于遵循麦克斯韦速度分布、初始电荷随机分配的球形NaCl纳米颗粒，在5-50 nm范围内可准确重建峰归一化单分散PSD。当分布变化斜率为-0.4至0.5 nm^-1
时，粒径模态误差<5.6%，几何标准偏差(GSD)误差<2.0%。研究证实VUV辐照强度比值的精确控制是保证测量精度的关键。

Conclusions
该研究成功开发出适用于中真空环境的纳米颗粒PSD测量新范式，通过创新的硬件架构和算法设计，突破传统PBMS的压力限制。方案在保持±3%质量分辨率的同时，首次实现中等真空条件下纳米颗粒的定量原位监测，为半导体制造工艺的VM和APC系统提供了重要技术支撑。未来通过优化VUV光源和电离效率，有望进一步拓展测量范围至更小粒径。

研究团队在CRediT贡献声明中明确分工：Jongmin Yoon负责核心算法开发与数据分析，Seungjae Lee参与设备验证，Taesung Kim统筹项目方向。该成果发表于《Journal of Aerosol Science》，为纳米颗粒表征领域提供了重要的方法论突破。