半导体行业微量氧分析仪的自主研发与技术创新

一、半导体制造中氧监测的重要性与难点

在半导体制造过程中，氧污染会引发不必要的氧化反应，导致集成电路和硅片产生缺陷，进而破坏薄膜结构的完整性，严重影响产品的均匀性与可靠性。因此，半导体制造商必须对工艺气体及设备腔室中的氧含量进行严格监控，即便是微量氧气（低至ppm级）也可能显著损害元件性能。

目前，半导体工艺气体中的氧监测主要面临以下技术难点：

• 需实现10 ppm以下超低浓度氧的精确检测；

• 需支持真空环境下的持续氧浓度监测；

• 需在还原性气氛中确保设备安全稳定运行。

在众多气体检测技术中，氧化锆传感器分析技术因其响应速度快、测量精度高、量程范围广、稳定性强及使用寿命长等优势，成为半导体行业氧浓度监测的理想选择。

另一方面，实现该类仪器的国产化已成为国家战略层面的迫切需求。目前微量氧分析设备仍主要依赖欧美日进口。根据2025年《政府工作报告》的要求，突破关键核心技术、推动国产替代，对保障产业链安全具有重大意义。

二、四方仪器的解决方案与创新实践

四方仪器长期专注于氧化锆传感器及气体分析仪的研发与推广。为满足半导体及电子行业对低浓度氧气检测日益提升的需求，公司成功开发出Gasboard-3050系列低浓度氧气分析仪。该系列产品分辨率达0.1 ppm，量程覆盖0–10 ppm至100% O₂，搭载经现场验证的氧化锆传感器，具备优异的再现性与高速响应特性。

图1 四方光电氧化锆传感器生产线及不同类型氧化锆传感器芯片产品

2.1 氧化锆氧传感器工作原理

氧化锆是一种优良的固体电解质材料。传统氧化锆氧传感器由多孔高温陶瓷电解质管构成，管内外壁均涂覆多孔铂层，分别作为阴极和阳极。传感器内置高性能陶瓷加热器与热电偶探头，共同维持可控的高温环境（通常为650℃）。

图2 氧化锆氧传感器原理图

当温度达到工作点时，氧化锆内的氧离子变得高度活跃，可快速迁移以平衡两侧氧分压差。若两侧氧分压不同，便会在电极间产生电位差，其大小符合能斯特方程：

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其中，E为电动势（V），R为气体常数，T为绝对温度（K），F为法拉第常数，P₁和P₂分别为两侧氧分压。

2.2 Gasboard-3052微量氧分析仪

该型号采用远程原位传感器设计，特别适用于需持续监测氧浓度的场景，如半导体设备、手套箱、氮气管线、真空腔体及其他低氧/无氧环境。传感器可直接通过真空接头安装于真空腔体，广泛用于半导体制造、OLED生产、3D打印等使用惰性气体的工业场合。其氧化锆传感器寿命长、稳定性高，在适当维护条件下可多年免更换。

图3 Gasboard-3052微量氧分析仪

产品主要特点：

• 量程：0.1 ppm~1000 ppm，覆盖多数半导体真空腔体监测需求；

• 法兰接口，即插即用；

• 长效低温氧化锆传感器；

• 支持真空环境运行；

• 泄漏率＜1×10⁻⁹ mbar·L/s。

2.3 Gasboard-3053氧分析仪

该型号为抽取集成式设计，整合了宽量程氧化锆传感器、前处理单元和采样泵，适用于除真空腔体外的多种应用场景，如SMT工艺中的回流焊炉等。

图4 Gasboard-3053 氧分析仪

产品主要特点：

• 量程范围宽：0.1 ppm~100%，适应浓度波动大的场合；

• 压力变化自适应：内置压力传感器，可补偿气体压力微小变化，保证读数稳定；

• 适用于还原性气氛：当样品含可燃物时，铂催化剂确保气体在接触电极前达到平衡，从而准确测量总氧含量。

3. 典型应用场景

四方仪器Gasboard-3050系列可满足半导体及相关领域绝大多数氧浓度监测需求，典型应用包括但不限于：