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【氫氣安全】氫氣傳感器在半導(dǎo)體行業(yè)氫氣泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用

智能傳感 ? 來源:智能傳感 ? 作者:智能傳感 ? 2023-06-29 09:38 ? 次閱讀

半導(dǎo)體制造技術(shù)作為信息時(shí)代制造的基礎(chǔ),堪比工業(yè)時(shí)代的機(jī)床,是整個(gè)社會(huì)發(fā)展的基石和原動(dòng)力。在產(chǎn)業(yè)分工格局重塑的關(guān)鍵時(shí)期,我國(guó)也提出了《中國(guó)制造2025》,以通過智能制造實(shí)現(xiàn)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)換。智能制造(工業(yè)4.0)的實(shí)現(xiàn),以各種信息器件的使用為基礎(chǔ),半導(dǎo)體制造技術(shù)正是其制造的核心技術(shù)。

在半導(dǎo)體行業(yè)中,每個(gè)工藝流程中引入的雜質(zhì)污染,都有可能造成半導(dǎo)體器件缺陷。

半導(dǎo)體器件的整個(gè)制造過程中會(huì)用到多種化學(xué)品,例如過氧化氫(H2O2)、鹽酸(HCl)、硫酸(H2SO4)等,進(jìn)行清洗和蝕刻。

過氧化氫 作為強(qiáng)氧化劑,可用于清洗硅片、去除光刻
硝酸和氫氟酸混合物 混合物用于蝕刻單晶硅和多晶硅
硫酸與過氧化氫的混合物 可用于晶圓加工過程的清洗
鹽酸 用于去除硅片表面的有機(jī)和金屬殘留等雜質(zhì)

隨著半導(dǎo)體器件性能的持續(xù)提高,對(duì)雜質(zhì)的控制要求也更加嚴(yán)格,所用化學(xué)品中的痕量的雜質(zhì)會(huì)影響最終產(chǎn)品的性能和產(chǎn)量。國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備與材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì) (SEMI) 發(fā)布了有關(guān)高純?cè)噭┬阅苤笜?biāo)的標(biāo)準(zhǔn), 規(guī)定絕大多數(shù)雜質(zhì)元素的含量不超過 10 ppt。

所以,制造半導(dǎo)體器件時(shí),需要對(duì)清洗和蝕刻硅片過程中使用的化學(xué)品中的痕量污染物進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測(cè),必須盡可能地將痕量污染控制在最低濃度,ICP-MS就是普遍采用的一種監(jiān)測(cè)工具。

而測(cè)試過程中的等離子體、溶劑和基質(zhì)的多原子離子的干擾會(huì)導(dǎo)致背景信號(hào)升高、質(zhì)譜重疊,一些質(zhì)量較輕的元素處于痕量水平時(shí)難以被測(cè)量到,使分析測(cè)定困難。

利用低溫等離子體和碰撞/反應(yīng)池等方法可以解決這一背景干擾的問題。

針對(duì)ICP-MS開發(fā)的碰撞/反應(yīng)池,能夠通過化學(xué)反應(yīng)去除特定干擾,使一些分析難題得以解決。

在反應(yīng)池中,氫氣(H2)和氧氣 (O2)常被用作反應(yīng)氣。分析物或干擾物在反應(yīng)池中與某一反應(yīng)氣發(fā)生反應(yīng),生成一個(gè)新質(zhì)量數(shù)的產(chǎn)物離子,通過這種質(zhì)量轉(zhuǎn)移或者原位質(zhì)量的方法,避開原質(zhì)量數(shù)的干擾。

例如

在H2原位質(zhì)量模式下測(cè)定硅:

在 m/z 28 處對(duì)主要的 Si 同位素產(chǎn)生干擾的14N2+ 和12C16O+容易與H2進(jìn)行反應(yīng),但Si+卻不與H2進(jìn)行反應(yīng)。于是,N2+和CO+干擾通過反應(yīng)被去除,而28Si+能不受干擾地以原位質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定:

wKgaomSc4ImAJpPVAABFdYwQ3WY686.png

在H2質(zhì)量轉(zhuǎn)移模式下測(cè)定氯 Cl:

16O18O1H+在 m/z 35 處對(duì)主要 Cl 同位素產(chǎn)生多原子干擾。這種O2H+重疊的干擾可以通過測(cè)量 Cl 加氫反應(yīng)的產(chǎn)物離子ClH2+來有效去除。如下圖所示,Cl 與 H2反應(yīng)氣進(jìn)行連續(xù)反應(yīng)后生成產(chǎn)物離子:

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氫氣發(fā)生器——反應(yīng)池的氣體供應(yīng)

wKgaomSc4ImAKAStAAI51NEdPFw076.png

氫氣發(fā)生器

氫氣發(fā)生器為反應(yīng)池提供滿足要求的氫氣,氫氣發(fā)生器體積小巧緊湊,可節(jié)省寶貴的實(shí)驗(yàn)室空間,為實(shí)驗(yàn)室提供可靠氫氣來源的同時(shí)減少碳排放。氫氣發(fā)生器采用PSA等技術(shù)有效去除水分,保證了氫氣的純度與品質(zhì)。相比于鋼瓶,氣體發(fā)生器是更安全、可靠而且方便的供氣方案。

使用氫氣發(fā)生器的安全性與方便性

與傳統(tǒng)的鋼瓶相比,使用氫氣發(fā)生器供應(yīng)氫氣有其不容忽視的優(yōu)勢(shì)。

氫氣發(fā)生器現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)氫氣,根據(jù)客戶需求,即開即用,大大減少了等待鋼瓶安裝或定期更換鋼瓶造成的人力、時(shí)間成本。

鋼瓶中儲(chǔ)存大量的高壓氣體,如果迅速釋放到實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中,會(huì)造成安全隱患。尤其是使用氫氣鋼瓶時(shí),還存在額外的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。一旦空氣中的氫氣的含量達(dá)到4.1%(按體積濃度計(jì)),會(huì)達(dá)到氫氣的爆炸下限,而引發(fā)危險(xiǎn)。

氫氣發(fā)生器可提供一種安全的替代方案,無(wú)需大量?jī)?chǔ)存高壓氣體就可產(chǎn)生足夠的氫氣來供應(yīng)多種應(yīng)用。

除此之外,在氫氣安全上,發(fā)生器內(nèi)部有檢漏、壓力異常報(bào)警等功能,可以安裝氫氣探測(cè)器。因此,如果發(fā)生氫氣泄漏,整個(gè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止,以確保安全。工采網(wǎng)FAE建議氫氣探測(cè)器采用進(jìn)口氫氣傳感器,推薦選用英國(guó)alphasense 電化學(xué)氫氣傳感器(H2傳感器) - H2-BF和日本figaro 氫氣傳感器 - TGS2615-E00:

wKgZomSc4ImAN9_OAAAdC7s0EVc193.jpg

一、英國(guó)alphasense 電化學(xué)氫氣傳感器H2-BF產(chǎn)品描述:
電化學(xué)氫氣傳感器H2-BF主要用于檢測(cè)大氣中氫氣的濃度,典型應(yīng)用于氫氣氣體變送器和各種氫氣檢測(cè)場(chǎng)合。

二、英國(guó)alphasense 電化學(xué)氫氣傳感器H2-BF主要參數(shù)
過載:20000ppm
響應(yīng)時(shí)間:< 100s
分辨率:2ppm
零點(diǎn):±10ppm
尺寸:Φ32.3×16.5
氫氣檢測(cè)范圍:0-10000ppm
靈敏度:12 ~ 25nA/ppm

wKgaomSc4IqAdQNmAAAVm6y_UG4420.jpg

日本figaro 氫氣傳感器 TGS2615-E00描述:

敏感素子由集成的加熱器以及在氧化鋁基板上的金屬氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成,外殼采用標(biāo)準(zhǔn)TO-5金屬封裝。當(dāng)空氣中被檢測(cè)氣體存在時(shí),該氣體的濃度越高傳感器的電導(dǎo)率也會(huì)越高。使用簡(jiǎn)單的電路,就可以將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換成與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出。

TGS2615-E00 為了消除酒精等干擾氣體的影響而設(shè)置了過濾層,顯示出對(duì)氫氣很高選擇性的靈敏度特性。

日本figaro 氫氣傳感器TGS2615-E00特點(diǎn):

帶有增強(qiáng)選擇性的過濾層
低功耗
使用壽命長(zhǎng)、成本低
應(yīng)用電路簡(jiǎn)單

日本figaro 氫氣傳感器TGS2615-E00規(guī)格

wKgZomSc4IqAJlR3AACu8nd08uE184.png

審核編輯 黃宇

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