半導(dǎo)體行業(yè)微量氧分析儀的自主研發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新

一、半導(dǎo)體制造中氧監(jiān)測的重要性與難點(diǎn)

在半導(dǎo)體制造過程中，氧污染會引發(fā)不必要的氧化反應(yīng)，導(dǎo)致集成電路和硅片產(chǎn)生缺陷，進(jìn)而破壞薄膜結(jié)構(gòu)的完整性，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的均勻性與可靠性。因此，半導(dǎo)體制造商必須對工藝氣體及設(shè)備腔室中的氧含量進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，即便是微量氧氣（低至ppm級）也可能顯著損害元件性能。

目前，半導(dǎo)體工藝氣體中的氧監(jiān)測主要面臨以下技術(shù)難點(diǎn)：

• 需實(shí)現(xiàn)10 ppm以下超低濃度氧的精確檢測；

• 需支持真空環(huán)境下的持續(xù)氧濃度監(jiān)測；

• 需在還原性氣氛中確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在眾多氣體檢測技術(shù)中，氧化鋯傳感器分析技術(shù)因其響應(yīng)速度快、測量精度高、量程范圍廣、穩(wěn)定性強(qiáng)及使用壽命長等優(yōu)勢，成為半導(dǎo)體行業(yè)氧濃度監(jiān)測的理想選擇。

另一方面，實(shí)現(xiàn)該類儀器的國產(chǎn)化已成為國家戰(zhàn)略層面的迫切需求。目前微量氧分析設(shè)備仍主要依賴歐美日進(jìn)口。根據(jù)2025年《政府工作報告》的要求，突破關(guān)鍵核心技術(shù)、推動國產(chǎn)替代，對保障產(chǎn)業(yè)鏈安全具有重大意義。

二、四方儀器的解決方案與創(chuàng)新實(shí)踐

四方儀器長期專注于氧化鋯傳感器及氣體分析儀的研發(fā)與推廣。為滿足半導(dǎo)體及電子行業(yè)對低濃度氧氣檢測日益提升的需求，公司成功開發(fā)出Gasboard-3050系列低濃度氧氣分析儀。該系列產(chǎn)品分辨率達(dá)0.1 ppm，量程覆蓋0–10 ppm至100% O?，搭載經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證的氧化鋯傳感器，具備優(yōu)異的再現(xiàn)性與高速響應(yīng)特性。

圖1 四方光電氧化鋯傳感器生產(chǎn)線及不同類型氧化鋯傳感器芯片產(chǎn)品

2.1 氧化鋯氧傳感器工作原理

氧化鋯是一種優(yōu)良的固體電解質(zhì)材料。傳統(tǒng)氧化鋯氧傳感器由多孔高溫陶瓷電解質(zhì)管構(gòu)成，管內(nèi)外壁均涂覆多孔鉑層，分別作為陰極和陽極。傳感器內(nèi)置高性能陶瓷加熱器與熱電偶探頭，共同維持可控的高溫環(huán)境（通常為650℃）。

圖2 氧化鋯氧傳感器原理圖

當(dāng)溫度達(dá)到工作點(diǎn)時，氧化鋯內(nèi)的氧離子變得高度活躍，可快速遷移以平衡兩側(cè)氧分壓差。若兩側(cè)氧分壓不同，便會在電極間產(chǎn)生電位差，其大小符合能斯特方程：

?

其中，E為電動勢（V），R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度（K），F(xiàn)為法拉第常數(shù)，P?和P?分別為兩側(cè)氧分壓。

2.2 Gasboard-3052微量氧分析儀

該型號采用遠(yuǎn)程原位傳感器設(shè)計(jì)，特別適用于需持續(xù)監(jiān)測氧濃度的場景，如半導(dǎo)體設(shè)備、手套箱、氮?dú)夤芫€、真空腔體及其他低氧/無氧環(huán)境。傳感器可直接通過真空接頭安裝于真空腔體，廣泛用于半導(dǎo)體制造、OLED生產(chǎn)、3D打印等使用惰性氣體的工業(yè)場合。其氧化鋯傳感器壽命長、穩(wěn)定性高，在適當(dāng)維護(hù)條件下可多年免更換。

圖3 Gasboard-3052微量氧分析儀

產(chǎn)品主要特點(diǎn)：

• 量程：0.1 ppm~1000 ppm，覆蓋多數(shù)半導(dǎo)體真空腔體監(jiān)測需求；

• 法蘭接口，即插即用；

• 長效低溫氧化鋯傳感器；

• 支持真空環(huán)境運(yùn)行；

• 泄漏率＜1×10?? mbar·L/s。

2.3 Gasboard-3053氧分析儀

該型號為抽取集成式設(shè)計(jì)，整合了寬量程氧化鋯傳感器、前處理單元和采樣泵，適用于除真空腔體外的多種應(yīng)用場景，如SMT工藝中的回流焊爐等。

圖4 Gasboard-3053 氧分析儀

產(chǎn)品主要特點(diǎn)：

• 量程范圍寬：0.1 ppm~100%，適應(yīng)濃度波動大的場合；

• 壓力變化自適應(yīng)：內(nèi)置壓力傳感器，可補(bǔ)償氣體壓力微小變化，保證讀數(shù)穩(wěn)定；

• 適用于還原性氣氛：當(dāng)樣品含可燃物時，鉑催化劑確保氣體在接觸電極前達(dá)到平衡，從而準(zhǔn)確測量總氧含量。

3. 典型應(yīng)用場景

四方儀器Gasboard-3050系列可滿足半導(dǎo)體及相關(guān)領(lǐng)域絕大多數(shù)氧濃度監(jiān)測需求，典型應(yīng)用包括但不限于：