Importância e dificuldades do monitoramento do oxigênio na fabricação de semicondutores

No processo de fabricação de semicondutores, a poluição de oxigênio desencadeia reações oxidativas desnecessárias, levando a defeitos no circuito integrado e na placa de silício, o que prejudica a integridade da estrutura da película fina e afeta gravemente a uniformidade e confiabilidade do produto. Portanto, os fabricantes de semicondutores devem monitorar rigorosamente o teor de oxigênio nos gases de processo e nas câmaras de equipamento, e mesmo traços de oxigênio (até ppm) podem prejudicar significativamente o desempenho dos componentes.

Atualmente, o monitoramento de oxigênio em gases de processo semicondutores enfrenta principalmente as seguintes dificuldades técnicas:

• Detecção precisa de concentrações ultra-baixas de oxigênio abaixo de 10 ppm;

• Suporte ao monitoramento contínuo da concentração de oxigênio em ambiente de vácuo;

• É necessário garantir o funcionamento seguro e estável do equipamento em uma atmosfera redutiva.

Entre muitas tecnologias de detecção de gás, a tecnologia de análise de sensores de zircónio é a escolha ideal para o monitoramento de concentração de oxigênio na indústria de semicondutores devido às suas vantagens de resposta rápida, alta precisão de medição, ampla gama de medição, alta estabilidade e longa vida útil.

Por outro lado, a domesticação desses instrumentos tornou-se uma necessidade urgente a nível estratégico nacional. Atualmente, o equipamento de análise de oxigênio ainda depende principalmente das importações da Europa e dos Estados Unidos. De acordo com as exigências do Relatório de Trabalho do Governo de 2025, avançar nas principais tecnologias e promover a substituição da produção doméstica é de grande importância para garantir a segurança da cadeia industrial.

Soluções e práticas inovadoras para instrumentos quadrados

A Quadrant Instruments tem sido focada no desenvolvimento e promoção de sensores de zircónio e analisadores de gás. Para atender às crescentes necessidades das indústrias de semicondutores e eletrônicos para a detecção de baixas concentrações de oxigênio, a empresa desenvolveu com sucesso os analisadores de baixas concentrações de oxigênio da série Gasboard-3050. Esta gama de produtos tem resoluções de 0,1 ppm e abrange uma gama de 0-10 ppm a 100% O₂, equipada com sensores de óxido de zircónio comprovados em campo, com excelente reprodutividade e alta velocidade de resposta.

Figura 1 Linha de produção de sensores de zircónio fotoelétrico quadrado e diferentes tipos de produtos de chips de sensores de zircónio

2.1 Princípio de funcionamento do sensor de zirconio

O óxido de zircónio é um excelente material de eletrólito sólido. Os sensores de oxigênio de zircónio tradicionais são compostos por tubos de eletrólito cerâmico poroso de alta temperatura, com paredes externas e internas revestidas de camadas porosas de platina, como cátodo e ánodo, respectivamente. O sensor incorpora um aquecedor de cerâmica de alto desempenho e uma sonda de termopar para manter um ambiente de alta temperatura controlada (geralmente 650 ° C).

Figura 2 Esquema do Sensor de Oxígeno de Zircônio

Quando a temperatura atinge o ponto de trabalho, os íons de oxigênio dentro do zircónio tornam-se altamente ativos e podem migrar rapidamente para equilibrar a diferença de pressão parcial de oxigênio em ambos os lados. Se a pressão parcial do oxigênio dos dois lados for diferente, haverá uma diferença de potencial entre os eletrodos, cujo tamanho corresponde à equação de Neuster:

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E é a potência elétrica (V), R é a constante de gás, T é a temperatura absoluta (K), F é a constante de Faraday e P1 e P2 são a pressão parcial de oxigênio em ambos os lados, respectivamente.

2.2 Gasboard-3052 Analisador de oxigênio

Este modelo é projetado com sensores in situ remotos e é especialmente adequado para cenários que exigem monitoramento contínuo de concentrações de oxigênio, como equipamentos de semicondutores, caixas de luvas, tubulações de nitrogênio, câmaras a vácuo e outros ambientes com baixo teor de oxigênio/anônimo. Os sensores podem ser instalados diretamente em câmaras de vácuo através de junções de vácuo e são amplamente usados ​​em situações industriais com gás inerte, como fabricação de semicondutores, produção de OLED e impressão 3D. Seu sensor de óxido de zircónio tem uma longa vida útil e alta estabilidade, e pode ser substituído por muitos anos sob condições de manutenção adequadas.

Figura 3 Gasboard-3052 Analisador de oxigênio

Características principais do produto:

Alcance de medição: 0,1 ppm a 1000 ppm, cobrindo a maioria das necessidades de monitoramento de câmaras de vácuo de semicondutores;

• Interface flange, plug-and-use;

• Sensor de óxido de zircónio de baixa temperatura de longa duração;

• Apoiar a operação em ambiente de vácuo;

• Taxa de vazamento <1 × 10-9 mbar · L / s.

2.3 Analisador de oxigênio Gasboard-3053

Este modelo é concebido para uma extração integrada, com sensores de zircónio de grande alcance, unidades de pré-tratamento e bombas de amostragem, e é adequado para uma variedade de cenários de aplicação além da cavidade de vácuo, como fornos de soldadura de refluxo no processo SMT.

Figura 4 Analisador de oxigênio Gasboard-3053

Características principais do produto:

• Ampla gama de medição: 0,1 ppm ~ 100%, adaptando-se a grandes flutuações de concentração;

• Adaptabilidade às mudanças de pressão: sensor de pressão incorporado para compensar pequenas mudanças na pressão do gás para garantir a estabilidade das leituras;

• Aplicável a atmosferas redutivas: quando a amostra contém combustíveis, o catalisador de platina garante que o gás chegue ao equilíbrio antes de entrar em contato com o eletrodo, medindo assim com precisão o teor total de oxigênio.

3. Aplicações típicas

A série de instrumentos quadrados Gasboard-3050 atende à grande maioria das necessidades de monitoramento de concentração de oxigênio em semicondutores e áreas relacionadas, com aplicações típicas que incluem, mas não se limitam a: