Wichtigkeit und Schwierigkeiten der Sauerstoffüberwachung in der Halbleiterherstellung

Bei der Herstellung von Halbleitern kann Sauerstoffverschmutzung unnötige Oxidationsreaktionen auslösen, die zu Mängeln in integrierten Schaltungen und Siliziumfliechen führen, die die Integrität der Dünnfilmstruktur zerstören und die Gleichmäßigkeit und Zuverlässigkeit des Produkts ernsthaft beeinträchtigen. Daher müssen Halbleiterhersteller den Sauerstoffgehalt in Prozessgasen und Gerätekammern streng überwachen, so dass auch Spuren von Sauerstoff (bis zu ppm) die Komponentenleistung erheblich beeinträchtigen können.

Derzeit ist die Sauerstoffüberwachung in Halbleiterprozessgasen vor allem mit folgenden technischen Schwierigkeiten konfrontiert:

• Genaue Detektion von ultraniedrigen Sauerstoffkonzentrationen unter 10 ppm;

• Unterstützung der kontinuierlichen Sauerstoffkonzentrationsüberwachung unter Vakuumumgebung;

• Der sichere und stabile Betrieb der Anlage in einer reduktiven Atmosphäre muss gewährleistet werden.

Unter den zahlreichen Gasdetektionstechniken ist die Analysetechnologie des Zirkonoxidsensors aufgrund ihrer schnellen Reaktionsgeschwindigkeit, hohen Messgenauigkeit, breiten Messbereich, hoher Stabilität und langer Lebensdauer die ideale Wahl für die Sauerstoffkonzentrationsüberwachung in der Halbleiterindustrie.

Andererseits ist die Nationalisierung dieser Art von Instrumenten zu einer dringenden Notwendigkeit auf strategischer Ebene des Landes geworden. Derzeit sind Spurensäureanalysegeräte immer noch hauptsächlich von den Importen aus Europa und Japan abhängig. Gemäß den Anforderungen des Regierungsarbeitsberichts 2025 ist der Durchbruch von Schlüsseltechnologien und die Förderung der Ersatz der inländischen Produktion von großer Bedeutung für die Sicherheit der Industriekette.

Lösungen und innovative Praktiken für Quadratinstrumente

Quadrant Instruments konzentriert sich seit langem auf die Entwicklung und Förderung von Zirconiumsensoren und Gasanalysatoren. Um die steigende Nachfrage nach Sauerstoffprüfungen in der Halbleiter- und Elektronikindustrie zu erfüllen, hat das Unternehmen erfolgreich die Gasboard-3050-Serie entwickelt. Diese Produktreihe verfügt über eine Auflösung von 0,1 ppm und einen Bereich von 0-10 ppm bis zu 100 % O₂. Sie verfügt über vor Ort bewährte Zirconiumsensoren mit hervorragender Reproduzierbarkeit und hoher Reaktionsgeschwindigkeit.

Abbildung 1 Quadratische Zirconium-Sensorproduktionslinie und verschiedene Typen von Zirconium-Sensorchips

2.1 Arbeitsprinzip des Zirkonoxid-Sauerstoffsensors

Zirconiumoxid ist ein ausgezeichnetes festes Elektrolytmaterial. Der herkömmliche Zirkonoxid-Sauerstoff-Sensor besteht aus porösen Hochtemperatur-Keramik-Elektrolytrohren, deren Innen- und Außenwände mit porösen Platin-Schichten beschichtet sind, jeweils als Katode und Anode. Der Sensor verfügt über einen hochleistungsfähigen Keramikbeizer und eine Thermoelementsonde, die gemeinsam eine kontrollierte Umgebung mit hohen Temperaturen (in der Regel 650 °C) aufrechterhalten.

Abbildung 2 Zirkonoxid-Sauerstoffsensor

Wenn die Temperatur den Arbeitspunkt erreicht, werden die Sauerstoffionen im Zirconium hochaktiv und können schnell migrieren, um den Sauerstoffdruckunterschied auf beiden Seiten auszugleichen. Wenn sich der Sauerstoffteildruck auf beiden Seiten unterscheidet, entsteht eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden, deren Größe der Neuster-Gleichung entspricht:

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Dabei steht E für die elektrische Potenz (V), R für die Gaskonstante, T für die absolute Temperatur (K), F für die Faraday-Konstante und P1 und P2 für den beidseitigen Sauerstoffpartieldruck.

2.2 Gasboard-3052 Sauerstoffspürenanalysator

Dieses Modell ist mit Remote-In-Place-Sensoren konzipiert und eignet sich besonders für Szenarien, in denen die Sauerstoffkonzentration kontinuierlich überwacht werden muss, wie Halbleitergeräte, Handschuhkosten, Stickstoffleitungen, Vakuumhäuser und andere sauerstoffarme/sauerstofffreie Umgebungen. Sensoren können direkt über Vakuumverbindungen in Vakuumhäuser installiert werden und werden in der Halbleiterherstellung, OLED-Produktion, 3D-Druck und anderen industriellen Anwendungen mit Inertgasen weit verbreitet. Der Zirconiumsensor hat eine lange Lebensdauer und hohe Stabilität und kann unter geeigneten Wartungsbedingungen jahrelang ohne Austausch ausgetauscht werden.

Abbildung 3 Gasboard-3052 Sauerstoffspürenanalysator

Hauptmerkmale:

Messbereich: 0,1 ppm bis 1000 ppm, die die meisten Bedürfnisse der Überwachung von Halbleitervakuumhöhlen abdeckt;

• Flanschschnittstelle, Plug-and-Use;

• Langlebige niedrige Temperatur Zirconium-Sensor;

• Unterstützung des Betriebs in Vakuumumgebungen;

• Leckage <1×10-9 mbar·L/s.

2.3 Gasboard-3053 Sauerstoffanalyser

Das Modell ist als Pumpenintegration konzipiert und umfasst einen weitreichenden Zirconiumsensor, eine Vorbehandlungseinheit und eine Probenaufnahmepumpe, die sich für eine Vielzahl von Anwendungsszenarien außer Vakuumhäusern eignet, wie z. B. Rückflussschweißöfen im SMT-Prozess.

Abbildung 4 Gasboard-3053 Sauerstoffanalyser

Hauptmerkmale:

• Breiter Messbereich: 0,1 ppm ~ 100%, um sich bei großen Konzentrationsschwankungen anzupassen;

• Anpassung an Druckänderungen: Eingebauter Drucksensor, der kleine Änderungen des Gasdrucks kompensiert, um eine stabile Messung zu gewährleisten;

• Für reduktive Atmosphären geeignet: Wenn die Probe brennbare Stoffe enthält, sorgt der Platinkatalysator dafür, dass das Gas vor Berührung mit der Elektrode im Gleichgewicht ist, um den Gesamtsauerstoffgehalt genau zu messen.

3. Typische Anwendungsszenarien

Die Gasboard-3050-Serie erfüllt die meisten Anforderungen an die Überwachung der Sauerstoffkonzentration in Halbleitern und verwandten Bereichen und umfasst typische Anwendungen wie: