【氫氣安全】氫氣傳感器在半導體行業(yè)氫氣泄漏檢測中的應用

半導體制造技術(shù)作為信息時(shí)代制造的基礎，堪比工業(yè)時(shí)代的機床，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(guò)智能制造實(shí)現由制造大國向制造強國的轉換。智能制造(工業(yè)4.0)的實(shí)現，以各種信息器件的使用為基礎，半導體制造技術(shù)正是其制造的核心技術(shù)。

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

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

隨著(zhù)半導體器件性能的持續提高，對雜質(zhì)的控制要求也更加嚴格，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。國際半導體設備與材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì ) (SEMI) 發(fā)布了有關(guān)高純試劑性能指標的標準, 規定絕大多數雜質(zhì)元素的含量不超過(guò) 10 ppt。

所以，制造半導體器件時(shí)，需要對清洗和蝕刻硅片過(guò)程中使用的化學(xué)品中的痕量污染物進(jìn)行常規監測，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測工具。

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

利用低溫等離子體和碰撞/反應池等方法可以解決這一背景干擾的問(wèn)題。

針對ICP-MS開(kāi)發(fā)的碰撞/反應池，能夠通過(guò)化學(xué)反應去除特定干擾，使一些分析難題得以解決。

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

例如

在H2原位質(zhì)量模式下測定硅：

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

在H2質(zhì)量轉移模式下測定氯 Cl：

¹⁶O¹⁸O¹H⁺在 m/z 35 處對主要 Cl 同位素產(chǎn)生多原子干擾。這種 O²H⁺ 重疊的干擾可以通過(guò)測量 Cl 加氫反應的產(chǎn)物離子 ClH₂⁺ 來(lái)有效去除。如下圖所示，Cl 與 H₂反應氣進(jìn)行連續反應后生成產(chǎn)物離子：

氫氣發(fā)生器——反應池的氣體供應

氫氣發(fā)生器

氫氣發(fā)生器為反應池提供滿(mǎn)足要求的氫氣，氫氣發(fā)生器體積小巧緊湊，可節省寶貴的實(shí)驗室空間，為實(shí)驗室提供可靠氫氣來(lái)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

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

氫氣發(fā)生器現場(chǎng)生產(chǎn)氫氣，根據客戶(hù)需求，即開(kāi)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。

鋼瓶中儲存大量的高壓氣體，如果迅速釋放到實(shí)驗室環(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。一旦空氣中的氫氣的含量達到4.1%（按體積濃度計），會(huì )達到氫氣的爆炸下限，而引發(fā)危險。

氫氣發(fā)生器可提供一種安全的替代方案，無(wú)需大量?jì)Υ娓邏簹怏w就可產(chǎn)生足夠的氫氣來(lái)供應多種應用。

除此之外，在氫氣安全上，發(fā)生器內部有檢漏、壓力異常報警等功能，可以安裝氫氣探測器。因此，如果發(fā)生氫氣泄漏，整個(gè)系統會(huì )自動(dòng)停止，以確保安全。工采網(wǎng)FAE建議氫氣探測器采用進(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主要用于檢測大氣中氫氣的濃度，典型應用于氫氣氣體變送器和各種氫氣檢測場(chǎng)合。

二、英國alphasense 電化學(xué)氫氣傳感器H2-BF主要參數
過(guò)載：20000ppm
響應時(shí)間：< 100s
分辨率：2ppm
零點(diǎn)：±10ppm
尺寸：Φ32.3×16.5
氫氣檢測范圍：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體構成，外殼采用標準TO-5金屬封裝。當空氣中被檢測氣體存在時(shí)，該氣體的濃度越高傳感器的電導率也會(huì )越高。使用簡(jiǎn)單的電路，就可以將電導率的變化轉換成與該氣體濃度相對應的信號輸出。

TGS2615-E00 為了消除酒精等干擾氣體的影響而設置了過(guò)濾層，顯示出對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)：

帶有增強選擇性的過(guò)濾層
低功耗
使用壽命長(cháng)、成本低
應用電路簡(jiǎn)單

日本figaro 氫氣傳感器 TGS2615-E00規格：