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HORIBA HF-960低濃度型HF/HCl/NH?濃度監測儀：精密化學計量核心

2026-6-9　　閱讀(292)

摘要

在半導體制造過程中，濕法清洗與刻蝕工藝對化學藥液濃度的控制精度直接影響晶圓的潔凈度、良率與可靠性。隨著器件特征尺寸不斷微縮至納米量級，傳統百分比的濃度控制方式已無法滿足工藝要求，化學藥液的精準監測正式進入了ppm（百萬分比）級的超精密管控時代。日本HORIBA（堀場）集團基于其在液體測量領域的技術積累，推出了HF-960系列低濃度型HF/HCl/NH?濃度監測儀。該系列采用四電極碳流通型電導率測量-濃度換算方法，配備耐腐蝕性能優良的玻璃碳傳感器，實現了低濃度區域內±25ppm的高再現性，為單晶圓清洗、RCA標準清洗工藝及刻蝕過程管理提供了實時、穩定、長壽命的在線監測解決方案。本文從產品體系架構、核心技術參數、測量原理、傳感器技術、輸出與通信功能、典型應用場景及選型建議等方面，對HF-960M及HF-960系列進行系統技術解析。

一、引言

在半導體制造工序中，濕法清洗是貫穿始終的基礎環節。從晶圓進入產線的清洗，到光刻、刻蝕、薄膜沉積后的中間清洗，再到最終封裝前的最后清洗，每一步都離不開精確配比的化學藥液。在RCA標準清洗工藝中，SC-1（NH?OH/H?O?/H?O）用于去除顆粒與有機污染物，SC-2（HCl/H?O?/H?O）用于去除金屬離子污染；刻蝕工藝中（HF）用于去除氧化硅層，鹽酸（HCl）用于特定金屬的清洗處理。這些工藝的成功與否，從根本上取決于化學藥液濃度的精確性。

隨著65nm、45nm及更先進制程節點的演進，傳統RCA清洗工藝中的化學藥液正面臨日益嚴苛的低濃度控制要求。傳統的光學或滴定法濃度測量在面對半導體級超純、低濃度化學液時，往往存在響應速度慢、維護繁瑣或精度不足的固有瓶頸。在此背景下，HORIBA推出的HF-960系列低濃度型濃度監測儀應運而生。

HORIBA在半導體濕法工藝液體測量領域深耕多年，自1995年推出化學濃度監測儀以來，已在該領域確立了全球的份額。HF-960系列正是這一技術積淀的集中體現——以在線、實時、高精度的設計理念，將化學藥液濃度的監控能力從宏觀的百分比級別推進至微觀的ppm級別，確保每一片晶圓都在高度一致的理想化學環境中被處理。

二、產品體系與型號架構

HF-960系列按照測量范圍和應用場景劃分為三大主力型號：HF-960M（低濃度型）、HF-960H（全濃度型）和HF-960EM（超高濃度衛生規格型）。三款型號共享相同的四電極碳傳感器測量原理，但測量量程和接液部件材料有所區別，形成了從ppm級微量濃度至50%高濃度范圍的全覆蓋產品矩陣。

HF-960M低濃度型是該系列中專為低濃度精確監測設計的型號，覆蓋HF和HCl的ppm級測量范圍，并支持NH?濃度的同步測量。該型號與65nm、45nm等先進制程對RCA清洗藥液低濃度控制需求的深度契合，成為單晶圓清洗和批量清洗應用的重要工具。

HF-960H全濃度型側重于寬量程通用測量，覆蓋HF和HCl從低濃度至高濃度的完整區間，支持四類測量模式：HF濃度、HCl濃度、電導率和溫度。其采用的四電極玻璃碳傳感器具有優異的耐化學腐蝕性，特別適用于半導體制造過程中HF和HCl的雙組分濃度管理。

HF-960EM超高濃度型是為滿足半導體工藝衛生規格而設計的型號，采用全PFA接液部件的傳感器，傳感器尺寸優化極限，支持高達50% HF濃度的超寬測量范圍，電導率范圍擴展至0~2000mS/cm。該型號還具備自動校正測量范圍切換功能，從低濃度到未稀釋原液均可實現高精度測量。

三款型號的核心性能對比如下：

參數/功能	HF-960M	HF-960H	HF-960EM
測量對象	HF / HCl / NH?	HF / HCl	HF / HCl
HF測量范圍	0~5000 ppm (0~0.5%)	0~10%	0~50%
HCl測量范圍	0~5000 ppm (0~0.5%)	0~10%	0~10%
NH?測量范圍	0~10000 ppm	—	—
電導率測量范圍	0~50.00 / 0~2.000mS/cm	0~1000mS/cm	0~2000mS/cm
溫度測量范圍	0~100℃	0~100℃	0~80℃
測量模式	5種	4種	3種
再現性精度	±25ppm	±0.5% F.S.	±0.5% F.S.
接液部件材質	耐腐蝕傳感器	玻璃碳（FES-510）	全PFA
適用傳感器	FS-10F系列	FES-510系列	全PFA傳感器

三、核心技術參數

3.1 測量范圍與精度

HF-960M在低濃度測量性能方面展現了HORIBA的技術水準。其HF和HCl的測量范圍均為0~5000 ppm，NH?測量范圍擴展至0~10000 ppm。

在測量精度方面，HF-960M實現了±25ppm的高再現性精度，顯示分辨率達到5000 ppm（相當于0.5%）。這一精度意味著即使在5000 ppm滿量程的測量中，波動范圍也僅占滿量程的0.5%。對于低濃度化學液在單晶圓清洗中的精確控制要求，這種高重復性確保每一批次晶圓都能在高度一致的化學環境中完成處理。

對于HF-960H，其重復性和線性度指標同樣嚴謹：HF/HCl濃度測量重復性為±0.5% F.S. （等效輸入值），線性度為±0.5% F.S.（等效輸入值）；電導率測量線性度為±1.0% F.S.（等效輸入值）。

3.2 電導率與溫度測量

電導率是濃度換算的核心輸入參數。HF-960M提供兩個電導率量程：高濃度量程0~50.00 mS/cm和低濃度量程0~2.000 mS/cm，溫度補償功能基于各化學物質的溫度特性數據實現精確的溫度補償測量。

溫度傳感器采用鉑電阻1000Ω/0℃的規格，溫度測量范圍為0~100℃，小數點后可選擇1位或2位顯示。高精度的溫度補償是電導率法濃度監測的核心要素之一——溶液電導率對溫度高度敏感，沒有精確補償的測量將產生顯著誤差。

HF-960M對HF、HCl和NH?濃度的測量均基于各自的溫度特性數據進行溫度補償，確保在不同工藝溫度條件下測量結果的可靠性。HF-960EM的溫度測量上限為80℃，適用于HF溶液在較高溫度下的在線監測。

3.3 結構設計與防護等級

HF-960系列指示轉換器采用96mm × 96mm的DIN標準面板安裝尺寸，外形尺寸僅為寬96 × 高96 × 深115 mm，外殼深度約105mm（面板安裝時），重量約550克。這一緊湊尺寸使其能夠輕松嵌入半導體設備的控制柜中，在潔凈室空間資源極其寶貴的半導體生產線上，為設備集成工程師提供了充分的設計靈活性。

在防護性能方面，HF-960M前面板達到IP65防塵防水等級，能夠抵御清洗區域可能存在的化學品濺射和濕氣侵蝕；后殼為IP20防護等級，端子部分為IP00，適用于室內面板安裝環境。

3.4 電源與合規標準

HF-960系列采用24V DC ±10% 低壓直流供電，最大功耗為10W。低壓直流供電方式在半導體潔凈室環境中具有顯著優勢——既降低了電磁干擾風險，又使設備可采用泛用化工業電源適配器部署，簡化了配電設計。

在合規性方面，HF-960系列全系符合CE標志和FCC Part 15標準要求。HF-960M在環保設計方面走得更遠——采用無鉛焊料將芯片嵌入印刷電路板，符合RoHS指令要求，體現了HORIBA在精密儀器制造與環境保護方面的雙重承諾。

3.5 適用傳感器

HF-960M配套使用FS-10F系列流通式傳感器，該系列傳感器以其優異的耐腐蝕性能為核心特征。FS-10F傳感器的接液部分采用了玻璃碳、PFA（全氟烷氧基樹脂）及Kalrez®全氟醚橡膠等經過精密篩選的耐腐蝕材料，能夠長時間耐受HF、HCl等強酸的化學侵蝕，從根本上保證了傳感器核心電極的長期穩定性和測量準確性。

HF-960H則配套FES-510系列流通式碳傳感器，采用四電極玻璃碳結構，同樣具有出色的耐化學腐蝕性能。傳感器尺寸經過優化設計，可在空間受限的半導體設備中靈活安裝。

四、測量原理與傳感器技術

4.1 四電極電導率測量-濃度換算方法

HF-960系列實現高精度測量的核心原理在于四電極電導率測量-濃度換算方法，這是HORIBA在液體測量領域多年技術積淀的結晶。

與傳統兩電極電導率測量方法相比，四電極法具備以下技術優勢：消除電極極化效應——四電極結構中的電流電極與電壓電極分離，有效避免了直流極化效應對測量準確性的影響；寬動態范圍——可在更寬的電導率范圍內保持線性度，適用于從超純水到高濃度化學液的全量程測量；抗污染能力——四電極結構對電極表面污染物的敏感度低于兩電極法，在半導體化學品這種極易產生表面沉積物的腐蝕性環境中顯得尤為重要。

測量過程可概括為兩步轉換法：

第一步：電導率測量。傳感器內置的四電極結構對流通的樣品溶液施加微小的交流激勵信號，精確測量溶液的電導率（單位：mS/cm）。同步集成的鉑電阻溫度傳感器（Pt1000）以高精度檢測溶液溫度。溫度數據的采集精度是整個測量鏈中的關鍵環節——溶液電導率隨溫度變化的幅度可達每攝氏度數個百分點，沒有精確補償的測量是無法滿足ppm級濃度精度的。

第二步：濃度換算。指示轉換器根據用戶預設的、對應特定化學品的 “電導率-濃度-溫度"關系模型，利用測量得到的電導率和溫度數據，實時換算出目標化學物質的濃度值。用戶可通過輸入化學濃度與電導率及溫度特性之間的關系，實現精確的濃度換算，這一功能尤其適用于低濃度化學溶液的稀釋控制。

與傳統光學測量方法相比，HORIBA采用的這種電化學測量技術更適合在半導體制造過程中的復雜化學環境下進行長期穩定監測，且維護需求更低。

4.2 玻璃碳傳感器的耐腐蝕設計

化學液的強腐蝕性是所有在線監測設備面臨的嚴峻考驗。HF-960M的核心部件——FS-10F系列流通式傳感器，在材料工程層面進行了深度優化。

玻璃碳（Glassy Carbon）是傳感器電極的核心材料。玻璃碳兼具玻璃的化學惰性和碳材料的高電導率，其獨特的無定形結構使其對HF、HCl等強腐蝕性化學藥液表現出高的耐受性，且不會向溶液中釋放金屬離子污染物。

PFA（全氟烷氧基樹脂）作為傳感器殼體和流體通道的主體材料，具有對幾乎所有化學藥液的惰性和極低的析出特性。PFA接液部件確保了整個流路系統的化學清潔度，滿足半導體工藝對痕量金屬污染的嚴格控制要求。

Kalrez®全氟醚橡膠用于傳感器密封部件，是目前行業內化學耐受性全面的彈性體材料之一。它在高溫濃硫酸、濃硝酸、HF等腐蝕性環境中的密封壽命遠超普通氟橡膠。

三種高性能材料的組合使用，使得FS-10F系列傳感器能夠在強酸、高溫的嚴苛化學環境中長期穩定運行，顯著降低了因傳感器腐蝕導致的維護頻率和更換成本。

4.3 溫度補償技術的精確實現

對于HF、HCl和NH?的濃度測量，設備根據各自獨立的溫度特性數據，通過高精度的溫度補償算法實現精確測量。這種基于化學物種特異性的溫度補償機制，有效消除了環境溫度波動和工藝溫度變化對測量結果的影響，保證了數據的可靠性和重復性。

HORIBA在溫度補償領域的技術積累，使得即使在樣品溫度從常溫變化至80℃的過程中，HF-960系列依然能夠輸出穩定、準確的濃度讀數，避免了因溫度波動造成的虛假濃度變化——這一特性在刻蝕工藝等存在顯著熱效應的工序中尤為重要。

五、測量功能與輸出配置

5.1 多參數一體化測量能力

HF-960M支持五種測量模式的同時或選擇性配置：HF濃度、HCl濃度、NH?濃度、電導率和溫度。用戶無需購買多臺不同功能的設備即可同時滿足多種化學物質的監測需求。

HF-960H支持四種測量模式：HF濃度、HCl濃度、電導率和溫度。HF和HCl濃度采用基于各自溫度特性數據的溫度補償測量方法，同時還可作為其他化學藥液的電導率計使用，實現“一機多能"的儀表配置方案。

5.2 模擬輸出與報警觸點

HF-960M提供7個輸出點和3通道傳輸輸出，可靈活分配至不同測量參數（HF濃度、HCl濃度、NH?濃度、電導率和溫度），便于與各種PLC或SCADA控制系統集成。

模擬輸出范圍可在濃度測量范圍（0~200%）內任意設置，這意味著用戶可以自定義輸出信號與被測參數的映射關系——例如將4-20mA信號對應至實際工藝關注的窄濃度區間，從而獲得更精細的濃度值分辨率和控制精度。

HF-960H則提供4通道傳輸輸出（4-20mA DC或0-20mA DC可選，各通道絕緣型），最大負載電阻900Ω，傳輸輸出范圍可在測量范圍內任意設定。此外還配備5個觸點輸出（含多個報警觸點），觸點容量為240V AC/1A或30V DC/1A（阻性負載），可實現濃度超限告警、設備異常報警、遠程控制等功能。

HF-960M的輸出內容尤為豐富，除了各濃度的上限、下限報警外，還提供濃度計異常輸出、異常樣品測量輸出等多種特殊輸出功能，為工業現場的過程監控和故障排查提供了更多維度的信息接口。

5.3 RS-485通信功能

HF-960M標準配備RS-485通信接口。操作人員可在遠離測量點的儀表區域通過RS-485網絡實時查看測量值、更改設置參數等控制操作，實現了設備的遠程訪問與集中管理能力。

在大規模半導體生產線上——工藝設備通常分布在數千平方米的潔凈室中——RS-485組網方案使得多臺HF-960M可以通過現場總線接入中央監控系統，工程團隊無需在每個工藝槽旁親臨操作即可完成對所有點位的全面監控，大幅提升了設備管理效率。

5.4 自動量程切換功能

HF-960系列在全系產品中均搭載了自動量程切換功能。顯示器能夠自動在高濃度和低濃度區間之間切換，同時在所有量程范圍內維持有效的電導率分辨率，確保用戶始終在優測量精度下讀取濃度值。

自動量程切換功能的實現依賴于HORIBA對電導率-濃度關系的深入理解——在低濃度區，少量的濃度變化即可引起顯著的電導率波動，因此需要更精細的測量分辨率；而在高濃度區，電導率趨于飽和，可切換到更寬的量程以覆蓋全范圍。自動切換設計避免了人工量程選擇可能導致的量程不匹配和精度損失問題，使HF-960系列在濃度大幅波動的動態過程中仍能保持穩定、準確的測量性能。

六、典型應用場景

6.1 單晶圓清洗工藝濃度控制

在單晶圓清洗系統中，化學藥液以極小的流量和用量噴射至高速旋轉的晶圓表面，因此對濃度的實時控制要求極為苛刻。HF-960M可實時監測清洗液中HF和HCl的ppm級濃度波動，配合控制系統自動調節化學品的供給量，確保每一片晶圓都在最佳工藝條件下進行清洗，從而最大限度提高產品良率和批次一致性。

在單晶圓清洗工藝中，HF-960M的核心價值在于其能夠以毫升級的響應速度提供實時濃度反饋，及時捕捉化學品供給系統的微小波動，在濃度偏差剛出現但尚未影響清洗效果時就發出糾偏信號，將工藝偏差控制在可接受范圍內。

6.2 RCA標準清洗工藝過程管控

RCA清洗工藝是半導體制造中使用廣泛的濕法清洗流程。HF-960M能夠精確監控SC-1（NH?OH/H?O?/H?O）和SC-2（HCl/H?O?/H?O）等清洗液中的NH?和HCl濃度，在確保對顆粒和金屬離子去除效果的同時，盡可能減少化學品的過量消耗和晶圓表面微損傷。

隨著65nm、45nm及更先進技術節點的推廣，RCA清洗液的濃度已從傳統的重量百分比級別向低濃度ppm級別過渡。HF-960M恰好匹配了這一演進趨勢，將NH?的測量范圍擴展至10000 ppm，為先進制程所需的極稀清洗液提供了必要的測量能力。

6.3 刻蝕工藝在線濃度監測

在氧化硅去除等刻蝕工序中，HF浴槽的濃度變化直接影響刻蝕速率和均勻性。HF-960H具備從低濃度到高濃度的寬范圍測量能力，可對刻蝕浴槽中的HF濃度進行連續在線監測，在濃度下降時提醒操作人員補液，確保刻蝕速率的工藝可重復性。同時，對于需要對刻蝕槽液進行濃度校準時，HF-960系列的濃度換算功能也能夠大幅簡化標定流程，降低人工操作誤差。

6.4 化學品稀釋與混合過程控制

在化學品供給系統（CDS）中，高濃度原液通常需要被精確稀釋至工藝所需濃度后方可使用。HF-960M的濃度轉換功能特別適用于低濃度化學溶液的稀釋控制，通過與質量流量控制器和PID控制回路的聯動，可實現化學藥液從原液到使用點濃度的全流程閉環控制。

6.5 下一代電子材料與光伏制造

HF-960系列的應用邊界持續向MEMS（微機電系統）制造、功率半導體及光伏電池制造等相鄰領域拓展。在MEMS制造中，HF氣相刻蝕是釋放可動結構的關鍵工序，HF-960系列可作為刻蝕浴槽濃度監測的核心儀表之一。在光伏電池生產線上，HF和HCl用于多晶硅片的清洗和絨面處理，HF-960系列的在線監測能力可幫助光伏制造商提升產線自動化水平、降低化學品單耗并改善電池片外觀一致性。

七、HF-960系列選型對比與建議

面對HF-960M、HF-960H和HF-960EM三款型號，用戶應根據具體應用場景中的濃度量程、測量組分和潔凈度要求作出合理選擇。

優先選擇HF-960M的場景：

測量濃度在0~5000 ppm級別，用于單晶圓清洗或先進制程RCA清洗中的低濃度化學液控制
需要同時測量HF、HCl和NH?三種化學組分
設備空間受限，需要DIN 96×96mm的緊湊尺寸進行密集面板安裝
要求高再現性（±25 ppm）和RS-485通信接口的遠程監控能力

優先選擇HF-960H的場景：

濃度范圍跨越0~10%的HF和HCl，需要寬量程測量能力
僅需對HF和HCl進行監測，無需NH?測量
要求更高的電導率量程（0~1000 mS/cm）
已有FES-510系列傳感器，希望繼續兼容使用

優先選擇HF-960EM的場景：

需要處理高濃度HF（最高50%），包括未稀釋原液
接液部件必須滿足半導體工藝的衛生規格（全PFA）
電導率測量需求擴展至2000 mS/cm
傳感器尺寸須大化縮小以適應極緊湊的安裝空間

在HF-960系列之外，HORIBA還提供了針對TMAH（四甲基氫氧化銨）、SC-1多組分溶液、CMP漿料及SPM（硫酸/混合液）等多種半導體工藝化學品的專用濃度監測解決方案。對于多組分工藝液體的實時濃度監控需求，HORIBA的CS-700系列化學濃度監控器可通過改進的光譜測量技術實現多達八個組分的同步測量。

八、結語

HORIBA HF-960低濃度型HF/HCl/NH?濃度監測儀以四電極碳流通型電導率測量-濃度換算方法為核心技術支撐，在96mm×96mm的緊湊面板尺寸內集成了從精密電導率測量、溫度補償濃度換算到豐富工業輸出的完整功能鏈，展現出高水平的工程集成能力。

FS-10F/FES-510系列傳感器在材料工程層面的深度優化——以玻璃碳和PFA為接液核心、輔以Kalrez密封方案——為設備在強腐蝕性化學環境中的長期穩定運行提供了基礎保障。HF-960M實現的±25ppm再現性和5000 ppm顯示分辨率，直接回應了半導體產業從百分比級控制向ppm級超精密管控演進的時代訴求，在65nm及以下先進制程節點中扮演著提升產品良率和工藝可重復性的重要角色。

從單晶圓清洗到RCA標準工藝，從刻蝕浴槽濃度管理到化學品稀釋自動控制，HF-960系列正在全球的半導體工廠中持續發揮“隱形守護者"的作用。隨著半導體器件向更小線寬和更多功能層級的持續演進，濕法工藝對濃度的控制要求將進一步從低濃度ppm級向更高分辨率、更低檢測下限方向拓展。HORIBA依托其超30年的液體測量技術積累和全球的市場地位，將繼續在化學濃度監控領域提供更精密、更智能、更環保的前沿解決方案。

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