半導(dǎo)體精密制造的良率波動，與工藝環(huán)境中的微量氧濃度密切相關(guān)，高精度微量氧監(jiān)測已成為保障元件可靠性、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，制造過程對氧含量監(jiān)測下限的嚴(yán)苛要求，直接考驗(yàn)著分析設(shè)備的靈敏度與長期運(yùn)行穩(wěn)定性。本文從微量氧污染的監(jiān)測必要性出發(fā)，結(jié)合實(shí)際技術(shù)難點(diǎn)，解析高精度監(jiān)測技術(shù)在低濃度氧測量中的應(yīng)用，助力工藝工程師將氧含量真正管控到位，推動生產(chǎn)良率提升。

一、 半導(dǎo)體制造微量氧監(jiān)測的必要性與難點(diǎn)

氧氣污染引發(fā)的非預(yù)期氧化反應(yīng)，會導(dǎo)致集成電路和硅片產(chǎn)生缺陷，破壞薄膜結(jié)構(gòu)的完整性，最終表現(xiàn)為產(chǎn)品均勻性退化與可靠性下降。即便僅為ppm級微量氧氣的介入也足以損害元件性能。因此，對工藝腔室中的氧含量實(shí)施嚴(yán)格監(jiān)測，已成為半導(dǎo)體生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的管控要求。然而，在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，半導(dǎo)體工藝腔室中的氧濃度監(jiān)測存在多重技術(shù)難點(diǎn)：

1、監(jiān)測精度：需實(shí)現(xiàn)10 ppm以下超低濃度氧的精準(zhǔn)監(jiān)測；

2、工況適配：需支持真空環(huán)境下的持續(xù)氧濃度監(jiān)測；

3、氣氛耐受：需在還原氣氛中監(jiān)測微量O?濃度變化，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

這些要求同時指向了精度、環(huán)境適應(yīng)性與運(yùn)行可靠性的三重挑戰(zhàn)。而正是這種需求，持續(xù)驅(qū)動著微量氧分析技術(shù)的迭代升級。在眾多氣體檢測技術(shù)中，兼具精度高、響應(yīng)快與環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的氧化鋯傳感技術(shù)，憑借其綜合優(yōu)勢，正逐步成為行業(yè)共識下的選擇。

二、國產(chǎn)突圍——四方儀器微量氧分析儀實(shí)現(xiàn)低濃度氧氣精準(zhǔn)監(jiān)測，賦能半導(dǎo)體制造良率提升

在全球供應(yīng)鏈持續(xù)波動的背景下，關(guān)鍵核心技術(shù)的自主可控已成為半導(dǎo)體行業(yè)的共識，推進(jìn)分析儀器的國產(chǎn)化替代進(jìn)程，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)自主化、保障產(chǎn)業(yè)鏈安全的迫切任務(wù)。面對這一行業(yè)訴求，深耕氣體分析領(lǐng)域二十余年、具備成熟工業(yè)級應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的武漢本土企業(yè)——四方儀器，依托氧化鋯傳感技術(shù)與氣體分析儀領(lǐng)域的技術(shù)積淀，自主研發(fā)出微量氧分析儀Gasboard-3050系列產(chǎn)品。

該系列分析儀分辨率達(dá)0.1 ppm，量程范圍0~10ppm、0~100ppm、0~1000ppm，支持自動切換。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。目前，產(chǎn)品已在國內(nèi)多家半導(dǎo)體行業(yè)頭部企業(yè)實(shí)現(xiàn)成熟應(yīng)用，成為該領(lǐng)域國產(chǎn)替代優(yōu)選方案。

圖1 四方儀器氧化鋯傳感器生產(chǎn)線及不同類型氧化鋯傳感器芯片產(chǎn)品

1、四方儀器微量氧分析儀Gasboard-3052

該型號產(chǎn)品采用遠(yuǎn)程原位傳感器設(shè)計(jì)，傳感器可直接通過真空接頭安裝于真空腔體，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。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，可廣泛應(yīng)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。

圖2 微量氧分析儀Gasboard-3052

產(chǎn)品主要特點(diǎn)：

(1) 量程：0~10ppm、0~100ppm、0~1000ppm，自動切換，覆蓋多數(shù)半導(dǎo)體真空腔體監(jiān)測需求；

(2) 法蘭接口，即插即用；

(3) 長效低溫氧化鋯傳感器；

(4) 支持真空環(huán)境運(yùn)行

(5) 泄漏率＜1×10?? mbar·L/s。

2、四方儀器氧分析儀Gasboard-3053

該型號產(chǎn)品采用抽取集成式設(shè)計(jì)，將寬量程氧化鋯傳感器、前處理單元和采樣泵整合于一體，適用場景覆蓋除真空腔體外的多數(shù)工藝環(huán)境，如SMT工藝中的回流焊爐等。

圖3  氧分析儀Gasboard-3053

產(chǎn)品主要特點(diǎn)：

(1) 量程范圍寬：0~10~100~1000ppm，0~25%，自動切換，適應(yīng)濃度波動大的場合；

(2) 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；

(3) 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。

結(jié)語

微量氧氣的管控，是半導(dǎo)體制造提質(zhì)增效、穩(wěn)定良率的關(guān)鍵前提。四方儀器微量氧分析儀憑借自主核心傳感技術(shù)，在高精度、環(huán)境適應(yīng)性及長期穩(wěn)定性方面實(shí)現(xiàn)突破，不僅助力工藝優(yōu)化與良率改善，也從源頭加速關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)替代，為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈自主可控提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。