一、半導体製造における酸素モニタリングの重要性と難点

半導体製造過程において、酸素汚染は不必要な酸化反応を引き起こし、集積回路とシリコンウエハに欠陥を生じさせ、さらに薄膜構造の完全性を破壊し、製品の均一性と信頼性に深刻な影響を与える。そのため、半導体メーカーはプロセスガス及び設備チャンバ中の酸素含有量を厳格に監視しなければならず、微量酸素（ppm級まで低い）であっても素子性能を著しく損なう可能性がある。

現在、半導体プロセスガス中の酸素モニタリングは主に以下の技術的難点に直面している：

• 10 ppm以下の超低濃度酸素の正確な検出を実現する必要がある、

• 真空環境下の持続酸素濃度モニタリングをサポートする必要がある、

• 還元的な雰囲気の中で設備の安全で安定した運転を確保する必要がある。

多くのガス検出技術の中で、ジルコニアセンサ分析技術はその応答速度が速く、測定精度が高く、レンジ範囲が広く、安定性が強く、使用寿命が長いなどの優位性から、半導体業界の酸素濃度モニタリングの理想的な選択となっている。

一方、このような機器の国産化を実現することは国家戦略面で切実な需要となっている。現在、微量酸素分析設備は主に欧米や日本からの輸入に依存している。2025年の「政府活動報告」の要求に基づき、重要な核心技術を突破し、国産代替を推進することは、産業チェーンの安全保障に重大な意義がある。

二、四方機器のソリューションと革新実践

四方計器は長期にわたりジルコニアセンサ及びガス分析器の研究開発と普及に集中している。半導体及び電子業界の低濃度酸素検出の日増しに高まる需要を満たすため、同社はGasboard-3050シリーズの低濃度酸素分析器の開発に成功した。このシリーズの製品の解像度は0.1 ppmに達し、レンジは0-10 ppmから100%Oガリウムをカバーし、現場検証されたジルコニアセンサーを搭載し、優れた再現性と高速応答特性を備えている。

図1正方光電ジルコニアセンサ生産ライン及び異なるタイプのジルコニアセンサチップ製品

2.1ジルコニア酸素センサの動作原理

ジルコニアは優れた固体電解質材料である。従来のジルコニア酸素センサは多孔質高温セラミック電解質管から構成され、管の内外壁にはそれぞれ陰極と陽極として多孔質白金層が塗布されている。センサは高性能セラミックヒータと熱電対プローブを内蔵し、制御可能な高温環境（通常650℃）を維持する。

図2ジルコニア酸素センサの原理図

温度が動作点に達すると、ジルコニア内の酸素イオンは非常に活発になり、両側の酸素分圧差を平衡させるために迅速に移動することができる。両側の酸素分圧が異なると、電極間に電位差が生じ、その大きさはエネルギースター方程式に合致する：

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ここで、Eは起電力（V）、Rはガス定数、Tは絶対温度（K）、Fはファラデー定数、P₁とP₂はそれぞれ両側酸素分圧である。

2.2 Gasboard-3052微量酸素分析計

このモデルは遠隔その場センサ設計を採用し、特に半導体装置、グローブボックス、窒素ガスライン、真空チャンバ、その他の低酸素/無酸素環境などの酸素濃度を継続的に監視する必要があるシーンに適している。センサは真空ジョイントを直接介して真空チャンバに取り付けることができ、半導体製造、OLED生産、3 Dプリントなど不活性ガスを使用する工業場面で広く使用されている。そのジルコニアセンサーは寿命が長く、安定性が高く、適切なメンテナンス条件下で長年交換しないことができる。

図3 Gasboard-3052微量酸素分析計

製品の主な特徴：

•測定距離：0.1 ppm ~ 1000 ppm、多数の半導体真空チャンバの監視ニーズをカバーする、

•フランジインタフェース、プラグアンドプレイ、

•長効率低温ジルコニアセンサー、

•真空環境の運行をサポートする、

•漏洩率＜1×10µmbar・L/s。

2.3 Gasboard-3053酸素分析計

このモデルは抽出集積式の設計で、幅広いレンジジルコニアセンサー、前処理ユニットとサンプリングポンプを統合し、SMTプロセスにおけるリフロー溶接炉など、真空チャンバ以外の様々な応用シーンに適している。

図4 Gasboard-3053酸素分析計

製品の主な特徴：

•レンジ範囲が広い：0.1 ppm ~ 100%で、濃度変動が大きい場合に適応する、

•圧力変化適応：圧力センサーを内蔵し、ガス圧力の微小変化を補償し、示度の安定を保証することができる、

•還元性雰囲気への使用：試料が可燃物を含む場合、白金触媒はガスが電極に接触する前に平衡に達することを確保し、それによって総酸素含有量を正確に測定する。

3.典型的な応用シーン

正方晶系計器Gasboard-3050シリーズは半導体及び関連分野のほとんどの酸素濃度モニタリング需要を満たすことができ、典型的な応用は以下を含むが、これに限らない：