Tầm quan trọng và khó khăn của giám sát oxy trong sản xuất chất bán dẫn

Trong quá trình sản xuất chất bán dẫn, ô nhiễm oxy có thể gây ra phản ứng oxy hóa không mong muốn, dẫn đến các khiếm khuyết trong mạch tích hợp và tấm silicon, do đó phá hủy tính toàn vẹn của cấu trúc màng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến tính đồng nhất và độ tin cậy của sản phẩm. Do đó, các nhà sản xuất chất bán dẫn phải theo dõi chặt chẽ hàm lượng oxy trong khí quá trình và buồng thiết bị, và ngay cả một lượng oxy nhỏ (mức ppm) cũng có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của phần tử.

Hiện nay, giám sát oxy trong khí quá trình bán dẫn chủ yếu phải đối mặt với những khó khăn kỹ thuật sau:

• Cần phát hiện chính xác nồng độ oxy cực thấp dưới 10 ppm;

• Cần hỗ trợ giám sát nồng độ oxy liên tục trong môi trường chân không;

• Cần đảm bảo thiết bị vận hành an toàn và ổn định trong bầu không khí mang tính khôi phục.

Trong số nhiều công nghệ phát hiện khí, công nghệ phân tích cảm biến zirconia là lý tưởng cho việc theo dõi nồng độ oxy trong ngành công nghiệp bán dẫn vì tốc độ phản ứng nhanh, độ chính xác đo cao, phạm vi rộng, độ ổn định và tuổi thọ dài.

Mặt khác, việc nội địa hóa các loại thiết bị này đã trở thành nhu cầu cấp thiết ở cấp chiến lược quốc gia. Hiện nay, thiết bị phân tích ô - xy vi lượng vẫn chủ yếu phụ thuộc vào nhập khẩu của Âu - Mỹ - Nhật. Theo yêu cầu của Báo cáo Công tác Chính phủ năm 2025, đột phá công nghệ cốt lo@@ ̃i then chốt, thúc đẩy thay thế sản xuất trong nước, có ý nghĩa quan trọng đối với việc đảm bảo an ninh chuỗi ngành nghề.

II. Giải pháp và thực hành sáng tạo cho các công cụ Quad

Quad Instruments từ lâu đã tập trung vào nghiên cứu và phát triển và quảng bá cảm biến zirconia và máy phân tích khí. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về phát hiện oxy nồng độ thấp trong ngành bán dẫn và điện tử, công ty đã phát triển thành công máy phân tích oxy nồng độ thấp Gasboard-3050. Dòng sản phẩm này có độ phân giải 0,1 ppm, phạm vi bao phủ từ 0-10 ppm đến 100% O₂, mang cảm biến zirconia đã được chứng minh tại hiện trường, có khả năng tái tạo tuyệt vời và đặc tính phản ứng tốc độ cao.

Hình 1 Dây chuyền sản xuất cảm biến Zirconia quang điện và các loại sản phẩm chip cảm biến Zirconia khác nhau

2.1 Nguyên tắc làm việc của cảm biến oxy Zirconia

Zirconia là một vật liệu điện phân rắn tuyệt vời. Cảm biến oxy zirconia truyền thống được tạo thành từ một ống điện phân gốm nhiệt độ cao xốp. Cả hai bức tường bên trong và bên ngoài của ống đều được phủ một lớp bạch kim xốp, tương ứng là cathode và anode. Cảm biến được xây dựng trong lò sưởi gốm hiệu suất cao với đầu dò cặp nhiệt điện để duy trì môi trường nhiệt độ cao có thể kiểm soát (thường là 650 ° C).

Hình 2 Sơ đồ nguyên tắc cảm biến Zirconia Oxygen

Khi nhiệt độ đạt đến điểm làm việc, các ion oxy bên trong zirconia trở nên hoạt động cao và có thể di chuyển nhanh chóng để cân bằng chênh lệch áp suất riêng phần oxy ở cả hai bên. Nếu áp suất riêng phần oxy ở cả hai bên khác nhau, sự khác biệt tiềm năng giữa các điện cực sẽ được tạo ra và kích thước của nó phù hợp với phương trình Nerst:

‍

Trong đó E là động lực điện (V), R là hằng số khí, T là nhiệt độ tuyệt đối (K), F là hằng số Faraday và P₁ và P₂ là áp suất riêng phần của oxy ở cả hai bên.

2.2 Máy phân tích dấu vết oxy Gasboard-3052

Mô hình này được thiết kế với cảm biến tại chỗ từ xa, đặc biệt thích hợp cho các tình huống cần theo dõi liên tục nồng độ oxy, chẳng hạn như thiết bị bán dẫn, hộp găng tay, đường nitơ, khoang chân không và các môi trường oxy/không oxy thấp khác. Cảm biến có thể được gắn trực tiếp vào khoang chân không thông qua khớp chân không, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất chất bán dẫn, sản xuất OLED, in 3D và các dịp công nghiệp khác sử dụng khí trơ. Cảm biến zirconia của nó có tuổi thọ cao, ổn định cao và có thể được thay thế miễn phí trong nhiều năm trong điều kiện bảo trì thích hợp.

Máy phân tích dấu vết oxy Gasboard-3052

Các tính năng chính của sản phẩm:

• Phạm vi: 0,1 ppm~1000 ppm, bao gồm hầu hết các nhu cầu giám sát buồng chân không bán dẫn;

• Giao diện mặt bích, cắm và chạy;

• Cảm biến Zirconia nhiệt độ thấp lâu dài;

• Hỗ trợ hoạt động môi trường chân không;

• Tỷ lệ rò rỉ<1 × 10 ⁻ mbar · L/s.

Máy phân tích oxy Gasboard-3053

Mô hình này là một thiết kế tích hợp khai thác, tích hợp cảm biến zirconia phạm vi rộng, đơn vị xử lý trước và bơm lấy mẫu, phù hợp cho nhiều tình huống ứng dụng khác nhau ngoại trừ buồng chân không, chẳng hạn như lò hàn reflow trong quy trình SMT, v.v.

Máy phân tích oxy Gasboard-3053

Các tính năng chính của sản phẩm:

• Phạm vi rộng: 0,1 ppm~100%, thích nghi với những dịp có biến động nồng độ lớn;

• Thích ứng thay đổi áp suất: cảm biến áp suất tích hợp có thể bù đắp cho những thay đổi nhỏ trong áp suất khí và đảm bảo đọc ổn định;

• Thích hợp cho môi trường giảm: Khi mẫu chứa chất dễ cháy, chất xúc tác bạch kim đảm bảo rằng khí đạt được trạng thái cân bằng trước khi tiếp xúc với điện cực, do đó đo chính xác tổng hàm lượng oxy.

3. Kịch bản ứng dụng điển hình

Quad Instruments Gasboard-3050 Series có thể đáp ứng phần lớn nhu cầu giám sát nồng độ oxy trong chất bán dẫn và các lĩnh vực liên quan, các ứng dụng điển hình bao gồm nhưng không giới hạn: