1. 반도체 제조 중산소 모니터링의 중요성과 난점

반도체 제조 과정에서 산소 오염은 불필요한 산화 반응을 일으켜 집적 회로와 실리콘 조각에 결함을 초래하고, 나아가 박막 구조의 완전성을 파괴하여 제품의 균일성과 신뢰성에 심각한 영향을 줄 수 있다.따라서 반도체 제조업체는 공정 가스 및 장비 챔버의 산소 함량을 엄격히 모니터링해야하며 미량 산소 (낮은 ppm 수준) 조차도 소자 성능을 크게 손상시킬 수 있습니다.

현재 반도체 공정 가스의 산소 모니터링은 주로 다음과 같은 기술적 난점에 직면해 있습니다.

• 10ppm 이하의 초저농도 산소의 정확한 검측을 실현해야 한다.

• 진공 환경에서의 지속적인 산소 농도 모니터링을 지원해야 한다;

• 복원적인 분위기에서 설비의 안전하고 안정적인 운행을 확보해야 한다.

많은 가스 검측 기술 중 지르코늄 센서 분석 기술은 응답 속도가 빠르고 측정 정밀도가 높으며 양정 범위가 넓고 안정성이 강하며 사용 수명이 긴 등 우세로 인해 반도체 업계의 산소 농도 검측의 이상적인 선택이 되었다.

다른 한편으로 이런 류형의 기구의 국산화를 실현하는것은 이미 국가전략차원의 절박한 수요로 되였다.현재 미량 산소 분석 설비는 여전히 주로 유럽과 미국의 일본 수입에 의존하고 있다.2025년"정부사업보고"의 요구에 따라 관건핵심기술을 돌파하고 국산대체를 추진하는것은 산업사슬의 안전을 보장하는데 중대한 의의가 있다.

2. 4자 기기의 해결 방안과 혁신 실천

네모난 기기는 오랫동안 지르코늄 센서 및 가스 분석기의 연구 개발과 보급에 전념해 왔다.반도체 및 전자 업계의 저농도 산소 검사에 대한 날로 높아지는 수요를 만족시키기 위해 회사는 Gasboard-3050 시리즈 저농도 산소 분석기를 성공적으로 개발했다.이 시리즈는 해상도가 0.1ppm에 달하고 측정거리가 0~10ppm에서 100% O₂를 커버하며 현장에서 검증된 지르코늄 센서를 탑재하여 우수한 재현성과 고속 응답 특성을 갖추고 있다.

그림 1 사방 광전 지르코늄 센서 생산 라인 및 서로 다른 유형의 지르코늄 센서 칩 제품

2.1 지르코늄 산소 센서 작동 원리

지르코늄은 우수한 고체 전해질 재료이다.전통적인 지르코늄 산소 센서는 다공성 고온 세라믹 전해질관으로 구성되어 있으며, 관 내외 벽은 모두 다공성 백금층을 코팅하여 각각 음극과 양극으로 한다.센서에는 고성능 세라믹 히터와 열전지 프로브가 내장되어 있어 제어 가능한 고온 환경 (일반적으로 650 ℃) 을 함께 유지한다.

그림 2 지르코늄 산소 센서 원리도

온도가 작업점에 도달하면 지르코니아 내의 산소 이온이 고도로 활성화되어 양쪽의 산소 분압 차이를 균형시키기 위해 빠르게 이동할 수 있다.만약 량측의 산소분압이 다르다면 전극간에 전위차가 생기게 되는데 그 크기는 에너지스트방정식에 부합된다.

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이 중 E는 전동세(V), R은 기체상수, T는 절대온도(K), F는 패러데이 상수, P₁와 P₂는 각각 양쪽 산소분압이다.

2.2 Gasboard-3052 미량 산소 분석기

이 모델은 반도체 장비, 장갑 상자, 질소 파이프라인, 진공 캐비티 및 기타 저산소/무산소 환경과 같은 산소 농도를 지속적으로 모니터링해야하는 장면에 특히 적합한 원격 원거리 센서로 설계되었습니다.센서는 진공 커넥터를 통해 진공 캐비티에 직접 장착할 수 있으며, 반도체 제조, OLED 생산, 3D 프린팅 등 불활성 가스를 사용하는 산업 장소에 널리 사용된다.지르코늄 센서는 수명이 길고 안정성이 높으며 적절한 유지 보수 조건에서 수년간 교체가 면제됩니다.

그림 3 Gasboard-3052 미량 산소 분석기

주요 특징:

• 양정: 0.1ppm~1000ppm으로 다수의 반도체 진공 캐비티 모니터링 수요를 커버한다;

• 플랜지 커넥터, 플러그 앤 플레이

• 고효율 저온 지르코늄 센서;

• 진공 환경 작동 지원

• 누출률<1×10⁻⁹mbar·L/s.

2.3 Gasboard-3053 산소 분석기

이 모델은 추출 통합형 설계를 위해 와이드 스케일 지르코늄 센서, 전처리 유닛 및 샘플링 펌프를 통합하여 SMT 공정의 환류 용접로 등 진공 챔버를 제외한 다양한 응용 시나리오에 적용됩니다.

그림 4 Gasboard-3053 산소 분석기

주요 특징:

• 측정 범위 폭: 0.1ppm~100%, 농도 파동이 큰 장소에 적응;

• 압력변화 적응: 압력센서가 내장되어 있어 기체의 압력의 미세한 변화를 보상하고 판독수의 안정을 보장한다.

• 환원성 분위기에 적합: 시료에 가연성 물질이 포함되어 있을 때 백금 촉매는 가스가 전극에 닿기 전에 균형을 이루도록 보장하여 총 산소 함량을 정확하게 측정합니다.

3. 전형적인 응용 장면

사방계기 Gasboard-3050 계렬은 반도체 및 관련 령역의 절대다수 산소농도감시측정수요를 만족시킬수 있으며 전형적응용에는 다음과 같은 것들이 포함되지만 이에 국한되지는 않는다.