【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

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，我國也提出了《中國制造2025》，以通過智能制造實(shí)現(xiàn)由制造大國向制造強(qiáng)國的轉(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。

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：

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：

氫氣發(fā)生器——反應(yīng)池的氣體供應(yīng)

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：

一、英國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

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：