HORIBA HF-960低浓度型HF/HCl/NH₃浓度监测仪：精密化学计量核心

摘要

在半导体制造过程中，湿法清洗与刻蚀工艺对化学药液浓度的控制精度直接影响晶圆的洁净度、良率与可靠性。随着器件特征尺寸不断微缩至纳米量级，传统百分比的浓度控制方式已无法满足工艺要求，化学药液的精准监测正式进入了ppm（百万分比）级的超精密管控时代。日本HORIBA（堀场）集团基于其在液体测量领域的技术积累，推出了HF-960系列低浓度型HF/HCl/NH₃浓度监测仪。该系列采用四电极碳流通型电导率测量-浓度换算方法，配备耐腐蚀性能优良的玻璃碳传感器，实现了低浓度区域内±25ppm的高再现性，为单晶圆清洗、RCA标准清洗工艺及刻蚀过程管理提供了实时、稳定、长寿命的在线监测解决方案。本文从产品体系架构、核心技术参数、测量原理、传感器技术、输出与通信功能、典型应用场景及选型建议等方面，对HF-960M及HF-960系列进行系统技术解析。

一、引言

在半导体制造工序中，湿法清洗是贯穿始终的基础环节。从晶圆进入产线的清洗，到光刻、刻蚀、薄膜沉积后的中间清洗，再到最终封装前的最后清洗，每一步都离不开精确配比的化学药液。在RCA标准清洗工艺中，SC-1（NH₄OH/H₂O₂/H₂O）用于去除颗粒与有机污染物，SC-2（HCl/H₂O₂/H₂O）用于去除金属离子污染；刻蚀工艺中（HF）用于去除氧化硅层，盐酸（HCl）用于特定金属的清洗处理。这些工艺的成功与否，从根本上取决于化学药液浓度的精确性。

随着65nm、45nm及更先进制程节点的演进，传统RCA清洗工艺中的化学药液正面临日益严苛的低浓度控制要求。传统的光学或滴定法浓度测量在面对半导体级超纯、低浓度化学液时，往往存在响应速度慢、维护繁琐或精度不足的固有瓶颈。在此背景下，HORIBA推出的HF-960系列低浓度型浓度监测仪应运而生。

HORIBA在半导体湿法工艺液体测量领域深耕多年，自1995年推出化学浓度监测仪以来，已在该领域确立了全球的份额。HF-960系列正是这一技术积淀的集中体现——以在线、实时、高精度的设计理念，将化学药液浓度的监控能力从宏观的百分比级别推进至微观的ppm级别，确保每一片晶圆都在高度一致的理想化学环境中被处理。

二、产品体系与型号架构

HF-960系列按照测量范围和应用场景划分为三大主力型号：HF-960M（低浓度型）、HF-960H（全浓度型）和HF-960EM（超高浓度卫生规格型）。三款型号共享相同的四电极碳传感器测量原理，但测量量程和接液部件材料有所区别，形成了从ppm级微量浓度至50%高浓度范围的全覆盖产品矩阵。

HF-960M低浓度型是该系列中专为低浓度精确监测设计的型号，覆盖HF和HCl的ppm级测量范围，并支持NH₃浓度的同步测量。该型号与65nm、45nm等先进制程对RCA清洗药液低浓度控制需求的深度契合，成为单晶圆清洗和批量清洗应用的重要工具。

HF-960H全浓度型侧重于宽量程通用测量，覆盖HF和HCl从低浓度至高浓度的完整区间，支持四类测量模式：HF浓度、HCl浓度、电导率和温度。其采用的四电极玻璃碳传感器具有优异的耐化学腐蚀性，特别适用于半导体制造过程中HF和HCl的双组分浓度管理。

HF-960EM超高浓度型是为满足半导体工艺卫生规格而设计的型号，采用全PFA接液部件的传感器，传感器尺寸优化极限，支持高达50% HF浓度的超宽测量范围，电导率范围扩展至0~2000mS/cm。该型号还具备自动校正测量范围切换功能，从低浓度到未稀释原液均可实现高精度测量。

三款型号的核心性能对比如下：

三、核心技术参数

3.1 测量范围与精度

HF-960M在低浓度测量性能方面展现了HORIBA的技术水准。其HF和HCl的测量范围均为0~5000 ppm，NH₃测量范围扩展至0~10000 ppm。

在测量精度方面，HF-960M实现了±25ppm的高再现性精度，显示分辨率达到5000 ppm（相当于0.5%）。这一精度意味着即使在5000 ppm满量程的测量中，波动范围也仅占满量程的0.5%。对于低浓度化学液在单晶圆清洗中的精确控制要求，这种高重复性确保每一批次晶圆都能在高度一致的化学环境中完成处理。

对于HF-960H，其重复性和线性度指标同样严谨：HF/HCl浓度测量重复性为±0.5% F.S. （等效输入值） ，线性度为±0.5% F.S.（等效输入值） ；电导率测量线性度为±1.0% F.S.（等效输入值）。

3.2 电导率与温度测量

电导率是浓度换算的核心输入参数。HF-960M提供两个电导率量程：高浓度量程0~50.00 mS/cm和低浓度量程0~2.000 mS/cm，温度补偿功能基于各化学物质的温度特性数据实现精确的温度补偿测量。

温度传感器采用铂电阻1000Ω/0℃的规格，温度测量范围为0~100℃，小数点后可选择1位或2位显示。高精度的温度补偿是电导率法浓度监测的核心要素之一——溶液电导率对温度高度敏感，没有精确补偿的测量将产生显著误差。

HF-960M对HF、HCl和NH₃浓度的测量均基于各自的温度特性数据进行温度补偿，确保在不同工艺温度条件下测量结果的可靠性。HF-960EM的温度测量上限为80℃，适用于HF溶液在较高温度下的在线监测。

3.3 结构设计与防护等级

HF-960系列指示转换器采用96mm × 96mm的DIN标准面板安装尺寸，外形尺寸仅为宽96 × 高96 × 深115 mm，外壳深度约105mm（面板安装时），重量约550克。这一紧凑尺寸使其能够轻松嵌入半导体设备的控制柜中，在洁净室空间资源极其宝贵的半导体生产线上，为设备集成工程师提供了充分的设计灵活性。

在防护性能方面，HF-960M前面板达到IP65防尘防水等级，能够抵御清洗区域可能存在的化学品溅射和湿气侵蚀；后壳为IP20防护等级，端子部分为IP00，适用于室内面板安装环境。

3.4 电源与合规标准

HF-960系列采用24V DC ±10% 低压直流供电，最大功耗为10W。低压直流供电方式在半导体洁净室环境中具有显著优势——既降低了电磁干扰风险，又使设备可采用泛用化工业电源适配器部署，简化了配电设计。

在合规性方面，HF-960系列全系符合CE标志和FCC Part 15标准要求。HF-960M在环保设计方面走得更远——采用无铅焊料将芯片嵌入印刷电路板，符合RoHS指令要求，体现了HORIBA在精密仪器制造与环境保护方面的双重承诺。

3.5 适用传感器

HF-960M配套使用FS-10F系列流通式传感器，该系列传感器以其优异的耐腐蚀性能为核心特征。FS-10F传感器的接液部分采用了玻璃碳、PFA（全氟烷氧基树脂）及Kalrez®全氟醚橡胶等经过精密筛选的耐腐蚀材料，能够长时间耐受HF、HCl等强酸的化学侵蚀，从根本上保证了传感器核心电极的长期稳定性和测量准确性。

HF-960H则配套FES-510系列流通式碳传感器，采用四电极玻璃碳结构，同样具有出色的耐化学腐蚀性能。传感器尺寸经过优化设计，可在空间受限的半导体设备中灵活安装。

四、测量原理与传感器技术

4.1 四电极电导率测量-浓度换算方法

HF-960系列实现高精度测量的核心原理在于四电极电导率测量-浓度换算方法，这是HORIBA在液体测量领域多年技术积淀的结晶。

与传统两电极电导率测量方法相比，四电极法具备以下技术优势：消除电极极化效应——四电极结构中的电流电极与电压电极分离，有效避免了直流极化效应对测量准确性的影响；宽动态范围——可在更宽的电导率范围内保持线性度，适用于从超纯水到高浓度化学液的全量程测量；抗污染能力——四电极结构对电极表面污染物的敏感度低于两电极法，在半导体化学品这种极易产生表面沉积物的腐蚀性环境中显得尤为重要。

测量过程可概括为两步转换法：

第一步：电导率测量。传感器内置的四电极结构对流通的样品溶液施加微小的交流激励信号，精确测量溶液的电导率（单位：mS/cm）。同步集成的铂电阻温度传感器（Pt1000）以高精度检测溶液温度。温度数据的采集精度是整个测量链中的关键环节——溶液电导率随温度变化的幅度可达每摄氏度数个百分点，没有精确补偿的测量是无法满足ppm级浓度精度的。

第二步：浓度换算。指示转换器根据用户预设的、对应特定化学品的 “电导率-浓度-温度"关系模型，利用测量得到的电导率和温度数据，实时换算出目标化学物质的浓度值。用户可通过输入化学浓度与电导率及温度特性之间的关系，实现精确的浓度换算，这一功能尤其适用于低浓度化学溶液的稀释控制。

与传统光学测量方法相比，HORIBA采用的这种电化学测量技术更适合在半导体制造过程中的复杂化学环境下进行长期稳定监测，且维护需求更低。

4.2 玻璃碳传感器的耐腐蚀设计

化学液的强腐蚀性是所有在线监测设备面临的严峻考验。HF-960M的核心部件——FS-10F系列流通式传感器，在材料工程层面进行了深度优化。

玻璃碳（Glassy Carbon） 是传感器电极的核心材料。玻璃碳兼具玻璃的化学惰性和碳材料的高电导率，其独特的无定形结构使其对HF、HCl等强腐蚀性化学药液表现出高的耐受性，且不会向溶液中释放金属离子污染物。

PFA（全氟烷氧基树脂） 作为传感器壳体和流体通道的主体材料，具有对几乎所有化学药液的惰性和极低的析出特性。PFA接液部件确保了整个流路系统的化学清洁度，满足半导体工艺对痕量金属污染的严格控制要求。

Kalrez®全氟醚橡胶 用于传感器密封部件，是目前行业内化学耐受性全面的弹性体材料之一。它在高温浓硫酸、浓硝酸、HF等腐蚀性环境中的密封寿命远超普通氟橡胶。

三种高性能材料的组合使用，使得FS-10F系列传感器能够在强酸、高温的严苛化学环境中长期稳定运行，显著降低了因传感器腐蚀导致的维护频率和更换成本。

4.3 温度补偿技术的精确实现

对于HF、HCl和NH₃的浓度测量，设备根据各自独立的温度特性数据，通过高精度的温度补偿算法实现精确测量。这种基于化学物种特异性的温度补偿机制，有效消除了环境温度波动和工艺温度变化对测量结果的影响，保证了数据的可靠性和重复性。

HORIBA在温度补偿领域的技术积累，使得即使在样品温度从常温变化至80℃的过程中，HF-960系列依然能够输出稳定、准确的浓度读数，避免了因温度波动造成的虚假浓度变化——这一特性在刻蚀工艺等存在显著热效应的工序中尤为重要。

五、测量功能与输出配置

5.1 多参数一体化测量能力

HF-960M支持五种测量模式的同时或选择性配置：HF浓度、HCl浓度、NH₃浓度、电导率和温度。用户无需购买多台不同功能的设备即可同时满足多种化学物质的监测需求。

HF-960H支持四种测量模式：HF浓度、HCl浓度、电导率和温度。HF和HCl浓度采用基于各自温度特性数据的温度补偿测量方法，同时还可作为其他化学药液的电导率计使用，实现“一机多能"的仪表配置方案。

5.2 模拟输出与报警触点

HF-960M提供7个输出点和3通道传输输出，可灵活分配至不同测量参数（HF浓度、HCl浓度、NH₃浓度、电导率和温度），便于与各种PLC或SCADA控制系统集成。

模拟输出范围可在浓度测量范围（0~200%）内任意设置，这意味着用户可以自定义输出信号与被测参数的映射关系——例如将4-20mA信号对应至实际工艺关注的窄浓度区间，从而获得更精细的浓度值分辨率和控制精度。

HF-960H则提供4通道传输输出（4-20mA DC或0-20mA DC可选，各通道绝缘型），最大负载电阻900Ω，传输输出范围可在测量范围内任意设定。此外还配备5个触点输出（含多个报警触点），触点容量为240V AC/1A或30V DC/1A（阻性负载），可实现浓度超限告警、设备异常报警、远程控制等功能。

HF-960M的输出内容尤为丰富，除了各浓度的上限、下限报警外，还提供浓度计异常输出、异常样品测量输出等多种特殊输出功能，为工业现场的过程监控和故障排查提供了更多维度的信息接口。

5.3 RS-485通信功能

HF-960M标准配备RS-485通信接口。操作人员可在远离测量点的仪表区域通过RS-485网络实时查看测量值、更改设置参数等控制操作，实现了设备的远程访问与集中管理能力。

在大规模半导体生产线上——工艺设备通常分布在数千平方米的洁净室中——RS-485组网方案使得多台HF-960M可以通过现场总线接入中央监控系统，工程团队无需在每个工艺槽旁亲临操作即可完成对所有点位的全面监控，大幅提升了设备管理效率。

5.4 自动量程切换功能

HF-960系列在全系产品中均搭载了自动量程切换功能。显示器能够自动在高浓度和低浓度区间之间切换，同时在所有量程范围内维持有效的电导率分辨率，确保用户始终在优测量精度下读取浓度值。

自动量程切换功能的实现依赖于HORIBA对电导率-浓度关系的深入理解——在低浓度区，少量的浓度变化即可引起显著的电导率波动，因此需要更精细的测量分辨率；而在高浓度区，电导率趋于饱和，可切换到更宽的量程以覆盖全范围。自动切换设计避免了人工量程选择可能导致的量程不匹配和精度损失问题，使HF-960系列在浓度大幅波动的动态过程中仍能保持稳定、准确的测量性能。

六、典型应用场景

6.1 单晶圆清洗工艺浓度控制

在单晶圆清洗系统中，化学药液以极小的流量和用量喷射至高速旋转的晶圆表面，因此对浓度的实时控制要求极为苛刻。HF-960M可实时监测清洗液中HF和HCl的ppm级浓度波动，配合控制系统自动调节化学品的供给量，确保每一片晶圆都在最佳工艺条件下进行清洗，从而最大限度提高产品良率和批次一致性。

在单晶圆清洗工艺中，HF-960M的核心价值在于其能够以毫升级的响应速度提供实时浓度反馈，及时捕捉化学品供给系统的微小波动，在浓度偏差刚出现但尚未影响清洗效果时就发出纠偏信号，将工艺偏差控制在可接受范围内。

6.2 RCA标准清洗工艺过程管控

RCA清洗工艺是半导体制造中使用广泛的湿法清洗流程。HF-960M能够精确监控SC-1（NH₄OH/H₂O₂/H₂O）和SC-2（HCl/H₂O₂/H₂O）等清洗液中的NH₃和HCl浓度，在确保对颗粒和金属离子去除效果的同时，尽可能减少化学品的过量消耗和晶圆表面微损伤。

随着65nm、45nm及更先进技术节点的推广，RCA清洗液的浓度已从传统的重量百分比级别向低浓度ppm级别过渡。HF-960M恰好匹配了这一演进趋势，将NH₃的测量范围扩展至10000 ppm，为先进制程所需的极稀清洗液提供了必要的测量能力。

6.3 刻蚀工艺在线浓度监测

在氧化硅去除等刻蚀工序中，HF浴槽的浓度变化直接影响刻蚀速率和均匀性。HF-960H具备从低浓度到高浓度的宽范围测量能力，可对刻蚀浴槽中的HF浓度进行连续在线监测，在浓度下降时提醒操作人员补液，确保刻蚀速率的工艺可重复性。同时，对于需要对刻蚀槽液进行浓度校准时，HF-960系列的浓度换算功能也能够大幅简化标定流程，降低人工操作误差。

6.4 化学品稀释与混合过程控制

在化学品供给系统（CDS）中，高浓度原液通常需要被精确稀释至工艺所需浓度后方可使用。HF-960M的浓度转换功能特别适用于低浓度化学溶液的稀释控制，通过与质量流量控制器和PID控制回路的联动，可实现化学药液从原液到使用点浓度的全流程闭环控制。

6.5 下一代电子材料与光伏制造

HF-960系列的应用边界持续向MEMS（微机电系统）制造、功率半导体及光伏电池制造等相邻领域拓展。在MEMS制造中，HF气相刻蚀是释放可动结构的关键工序，HF-960系列可作为刻蚀浴槽浓度监测的核心仪表之一。在光伏电池生产线上，HF和HCl用于多晶硅片的清洗和绒面处理，HF-960系列的在线监测能力可帮助光伏制造商提升产线自动化水平、降低化学品单耗并改善电池片外观一致性。

七、HF-960系列选型对比与建议

面对HF-960M、HF-960H和HF-960EM三款型号，用户应根据具体应用场景中的浓度量程、测量组分和洁净度要求作出合理选择。

优先选择HF-960M的场景：

• 测量浓度在0~5000 ppm级别，用于单晶圆清洗或先进制程RCA清洗中的低浓度化学液控制

• 需要同时测量HF、HCl和NH₃三种化学组分

• 设备空间受限，需要DIN 96×96mm的紧凑尺寸进行密集面板安装

• 要求高再现性（±25 ppm）和RS-485通信接口的远程监控能力

优先选择HF-960H的场景：

• 浓度范围跨越0~10%的HF和HCl，需要宽量程测量能力

• 仅需对HF和HCl进行监测，无需NH₃测量

• 要求更高的电导率量程（0~1000 mS/cm）

• 已有FES-510系列传感器，希望继续兼容使用

优先选择HF-960EM的场景：

• 需要处理高浓度HF（最高50%），包括未稀释原液

• 接液部件必须满足半导体工艺的卫生规格（全PFA）

• 电导率测量需求扩展至2000 mS/cm

• 传感器尺寸须大化缩小以适应极紧凑的安装空间

在HF-960系列之外，HORIBA还提供了针对TMAH（四甲基氢氧化铵）、SC-1多组分溶液、CMP浆料及SPM（硫酸/混合液）等多种半导体工艺化学品的专用浓度监测解决方案。对于多组分工艺液体的实时浓度监控需求，HORIBA的CS-700系列化学浓度监控器可通过改进的光谱测量技术实现多达八个组分的同步测量。

八、结语

HORIBA HF-960低浓度型HF/HCl/NH₃浓度监测仪以四电极碳流通型电导率测量-浓度换算方法为核心技术支撑，在96mm×96mm的紧凑面板尺寸内集成了从精密电导率测量、温度补偿浓度换算到丰富工业输出的完整功能链，展现出高水平的工程集成能力。

FS-10F/FES-510系列传感器在材料工程层面的深度优化——以玻璃碳和PFA为接液核心、辅以Kalrez密封方案——为设备在强腐蚀性化学环境中的长期稳定运行提供了基础保障。HF-960M实现的±25ppm再现性和5000 ppm显示分辨率，直接回应了半导体产业从百分比级控制向ppm级超精密管控演进的时代诉求，在65nm及以下先进制程节点中扮演着提升产品良率和工艺可重复性的重要角色。

从单晶圆清洗到RCA标准工艺，从刻蚀浴槽浓度管理到化学品稀释自动控制，HF-960系列正在全球的半导体工厂中持续发挥“隐形守护者"的作用。随着半导体器件向更小线宽和更多功能层级的持续演进，湿法工艺对浓度的控制要求将进一步从低浓度ppm级向更高分辨率、更低检测下限方向拓展。HORIBA依托其超30年的液体测量技术积累和全球的市场地位，将继续在化学浓度监控领域提供更精密、更智能、更环保的前沿解决方案。