Ossigeno e umidità: una combinazione costosa

Requisiti tipici per la misurazione delle impurità in traccia nella produzione di semiconduttori

I requisiti per evitare la contaminazione sono semplici: i gas utilizzati durante i processi chiave, come la deposizione di vapore chimico o l'incisione al plasma, non devono contenere ossigeno o umidità.

Qualsiasi analizzatore o sensore scelto per l'umidità o l'ossigeno deve avere un livello di rilevamento inferiore (LDL) fino a parti per miliardo. Le misurazioni devono essere effettuate in prossimità del punto di utilizzo per ridurre la possibilità che si verifichino perdite dopo le misurazioni, anche se è possibile effettuare controlli sulla qualità del gas dopo lo stoccaggio.

Tecnologie comunemente utilizzate per il controllo dell'ossigeno nei processi di produzione dei semiconduttori

In genere, per la misurazione dell'ossigeno in tracce in queste applicazioni si utilizzano sensori elettrochimici e all'ossido di zirconio.

Le opzioni di rilevamento elettrochimico dell'ossigeno sono galvanic/Pico-Ion o celle Hersch. Queste offrono i vantaggi di un LDL di 100 parti per trilione e di un ingombro ridotto, che ne facilita l'installazione vicino a ogni punto di utilizzo. Entrambe le tecnologie sono molto affidabili e veloci nel rispondere a letture di ppm basse o alte. I convenienti analizzatori galvanici utilizzano sensori che si esauriscono e devono essere sostituiti in periodi che vanno dai 12 ai 18 mesi, a seconda dell'applicazione e del gas in cui misurano. Tuttavia, la sostituzione dei sensori è estremamente facile da eseguire, senza bisogno di conoscenze specialistiche, e spesso viene inserita in un programma di routine. Le celle Hersch non devono essere sostituite, ma l'elettrolito deve essere rabboccato ogni poche settimane.

Per molti clienti il controllo periodico delle apparecchiature di controllo è una routine di qualità standard che viene applicata indipendentemente dall'apparecchiatura utilizzata. Alcuni, tuttavia, potrebbero considerarlo un aumento dei costi di manutenzione.

Il vantaggio del zirconium-oxide oxygen sensing technology è la rapidità di risposta ai cambiamenti di condizioni, sia che si passi da un valore basso a un valore alto di ppm o da un valore alto a un valore basso, oltre al fatto che i sensori non sono esauribili. A differenza dei sensori elettrochimici, l'esposizione all'aria non consuma i sensori all'ossido di zirconio.

Lo svantaggio principale è l'LDL relativamente alto (circa 0,01ppm O2) che li rende inadatti per alcune Applicazioni. Eventuali idrocarburi presenti reagiscono con l'ossigeno sul sensore a causa dell'elevata temperatura del sensore stesso e danno una lettura falsamente bassa.

Tecnologie comunemente utilizzate per il controllo dell'umidità nella produzione di semiconduttori

Sono tre le tecnologie tipicamente scelte per la misurazione dell'umidità in tracce nella produzione di semiconduttori:

La spettroscopia ring-down a cavità (CRDS) offre misure precise, stabili e veloci grazie alla tecnologia del sensore ottico. Gli strumenti hanno un LDL fino a 0,1 ppb a seconda del gas misurato. A causa dei costi relativamente elevati, il loro utilizzo è principalmente nei punti di distribuzione centrali. In caso di contaminazione, la manutenzione può essere lunga e costosa.

Quartz Crystal Microbalance (QCM). Sebbene non siano veloci come i CRDS, questi analizzatori hanno un LDL di 0,05 ppm_V e offrono misure affidabili a lungo termine con funzionalità di autocalibrazione. A causa delle dimensioni della custodia dell'analizzatore e nonostante i significativi vantaggi di costo rispetto alle tecnologie ottiche, questi analizzatori vengono normalmente installati in posizioni centrali, ad esempio presso la distribuzione del gas. Molti modelli offrono un ottimo rapporto costo-vita con periodi di manutenzione prolungati.

Ceramic impedance dew-point transmitters. Molto convenienti, con costi inferiori a quelli delle altre tecnologie, i sensori sono in grado di misurare fino a 1ppb_V, sono piccoli e facilmente installabili presso il punto di utilizzo. Per garantire misure coerenti è necessaria una ricalibrazione annuale. Tuttavia, questa operazione può essere eseguita dall'utente e potrebbe essere combinata con altre operazioni di manutenzione ordinaria del sistema. Partecipando al programma di scambio dei sensori di un produttore, l'utente riceve una garanzia a vita per il proprio sensore.

Importanza del campionamento

Non importa se si tratta di misurare l'ossigeno o l'umidità, prendere la decisione giusta sul campionamento è importante quanto la scelta dell'analizzatore corretto, poiché la velocità e l'accuratezza delle misure si basano su tutte le parti del sistema, non solo sulla tecnologia dei sensori. Il tipo di tubo di campionamento utilizzato è fondamentale, così come la scelta dei raccordi adatti per le misure a basso livello. L'ideale sarebbe utilizzare un tubo di acciaio inossidabile elettrolucidato con raccordi ad alta integrità.

Se state cercando di acquistare un sistema di misurazione dell'umidità o dell'ossigeno, prendete sempre in considerazione il campionamento nelle prime fasi decisionali e, quando possibile, avvaletevi della consulenza di un esperto. Solo la giusta combinazione di analizzatore e sistema di campionamento offrirà risultati ottimali, evitando danni prematuri e garantendo risultati di misura affidabili e coerenti.

Riepilogo

Ci auguriamo che questo breve articolo abbia fornito una panoramica delle numerose opzioni attualmente disponibili sul mercato per effettuare misure precise di umidità e ossigeno in tracce per la produzione di semiconduttori.

L'ampio range di tecnologie, analizzatori e marchi presenti sul mercato offre agli utenti la possibilità di scegliere il più adatto alla propria applicazione, in termini di prestazioni e di budget. Tuttavia, è sempre una buona idea di chiedere il parere di un esperto prima di prendere una decisione, soprattutto se si tratta di un sistema che misurerà più di un parametro, per essere sicuri che le tecnologie e i componenti di campionamento siano compatibili.