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Electrodes Glass P 2O 5 Layer ×10 6
混氣濃度分析儀 3 Concentration is a Function of The
Number of Samples and Fractional
在混合氣體濃度這部分，本 Samples Between These Two Peaks
1 Peak Resulting (Time of ight).
st
計畫所選用的分析儀為Veeco 2 From 1 Received
st
公司所生產的Piezocon氣體濃 Signal
2 Peak Resulting
nd
度感測器。此分析儀目前已 From 1 Received
st
1 Signal
廣泛用於許多半導體廠內的
Flow Direction 混氣系統，其最大特點為分 Amplitude
析濃度相當精準，其偵測極 0
限可達±30 ppm，且因其分
吸原理係利用聲波反射，不 -1
會直接和待測氣體接觸，故
不會造成氣體耗損。
-2
-

+
H 2O 2H 2O → O 2 + 4H + 4e - 2H 2O + 2e → H 2 + 2OH - 圖3 為Piezocon量測器的
O 2 H 2
量測原理示意圖。如圖所
-3
示，分析儀內部主要由兩個 0 500 1000 1500 2000 2500
圖2、P 2 O 5 水分感測器示意圖 參考文獻
相互平行的圓形平板所構 Sample Number
[1] Funke, H. H., Grussom, B. L., Mc
成，其中一個為訊號傳遞板 Grew, C. E., Raynor, M. W., (2003),
Concentration is a Function of (Transmitter)而另一個為聲波 圖4、聲波腔濃度即時量測器之訊號接受圖 Techniques for the measurement
Maximum Likelihood Estimate of Time 感測板(Receiver)，兩者之間 of trace moisture in high-purity
Delav Between 1 and 2 Received electronic specialty gases. Review
st
nd
1 Received 2 Received Signal 的間距為10mm。當待測濃度 of Scientific Ins-trument, 74, 3909.
nd
st
doi: 10.1063/1.1597939.
Signal (Echo)
Receiver 的氣體進入此兩平板所夾的 22 [2] Handley, J., (2001), Product
空間後，Transmitter會產生 Review: Quartz Crystal Micro-
balance–Some new innovations
Distance Signal Leading Edge Chamber Wall 出一強度約為2MHz的聲波訊 20 stand alongside the standard, reli-
Across Receiver Side 號，使聲波經由平板之間的 able workhorse. Analytical Che-
Chamber Chamber Wall 18 mistry, 73, 225A.
Transmitter Side 氣體介質傳遞至Receiver，完 [3] Minami, M., (2013), Vapor Concen-
成接受第一次的訊號接受， Time of Flight, us 16 tration Control System for Bubbling
Transmitter Signal Trailing Edge Time 接著再經由一次Transmitter Method, HORIBA Technical Journal
“Readout”, 41.
的聲波反射，使Receiver接受 14 [4] O’Neill, J. A., Passow, M. L., Cotler,
T. J., (1994), Infrared Adsorption
第二次訊號。由於聲波穿過
圖3、Piezocon量測器之量測原理示意圖（圖片來源：Lorex Industries, Inc.） 12 Spectroscopy Applications, Journal
介質以及經由Transmitter反 of Vacuum Science & Technology,
A12, 839.
射時，部分能量會被吸收， 10
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 [5] Woods, T. W., Zhou, Y., Domin-
質的感應器外殼，如適用於量測Cl 2 的蒙鎳合金(Monel)，以及適用 使聲波能量降低，因此系統 guez, S. D., Carey, R. D., (2006),
GeH 4/H 2 Qgas/Qmix @23C and 36 psig Improvement of Dopant Concen-
於量測HCl的哈氏合金(Hatelloy)，再加上內部所有的管件均為抗酸 可藉由聲波訊號的強弱來區 tration Control with Acoustic
別Receiver所接受到的第一次 Control System for B-SiGe Epitaxy
鹼的PVDF及PFA材質，故可用於腐蝕性氣體的分析。 圖2為P 2 O 5 圖5、Receiver接收聲波之時間差和Ge/H 2 混氣濃度間之關係圖 Deposition, ECS Transactions, 3(7)
感應器量測示意圖。此感應器主體為一隻穿插鉑金電極線的玻璃 及第二次訊號。最後系統再 215-217.
管，電極線表面塗佈了一層P 2 O 5 溶液。P 2 O 5 為一種具有極強力吸 藉由兩次訊號接受到的時間 [6] Logue, R.et al., (2004), Deposition
水性的物質，當待測氣流通過時，其中的微量水分子會被P 2 O 5 所 差，推算出氣體濃度值。 結論 Rate Control During Silicon Epitaxy,
Semiconductor International.
吸附，靠近正極的水分子會被通有電流的電極解離成氧分子、H + [7] Jerri Jefferies, Product Quality
圖4 為Receiver之訊號接受
離子及電子，解離出來的電子則會進一步被帶到負極跟水分子進 圖，由圖可看出系統可利用 計畫針對鋼瓶供應之特殊氣體設計了一套品質監控系統，以補 Improvement with Correct Moisture
Measurement in Thermal Processes
-
行反應生成氫氣與OH 離子。從正極被帶到負極的電子，會使原 本 Using Electrolytic Hygrometers.
接受到兩次聲波訊號之振幅 足特氣相較於其他生產原物料在品保方面較弱的一環。在監測
本電極線中的電流增加，藉由量測此增加的電流，搭配法拉第定 [8] Ishii, H., Nagase, M., Ikeda, N.,
峰值差異，來判讀接收此兩 標的對工廠生產影響嚴重性、初期設置成本以及分析氣體耗損量等多 Shiba, Y., Shirai, Y., Kuroda, R.,
律，即可換算出待測氣體中的水分含量。 Sugawa, S., (2016), A High Sensiti-
訊號的時間差。 圖5則為過去 方考量下，本計畫將先針對水分以及混合氣體濃度兩種分析儀進行建
vity Compact Gas Concentration
TMA水分分析儀的操作流量為20 SL/hr，若以一支47 L瓶壓為 混氣系統設備商針對Ge/H 2 混 置。待品質監控系統運作上軌道後，後續將陸續加入第二階段的微氧 Sensor using UV Light and Charge
1000 psig的鋼瓶來估算，在連續監測的情況之下，約在第六天 氣濃度和Receiver訊號接收時 以及碳氫化合物等不純物分析儀器。雖微粒計數器及ICP-MS分別因 Amplifier Circuit, IEEE SENSORS.
[9] 劉俊男、黃介然，(2015)，一個新
整隻鋼瓶中的90%氣體就會被消耗於分析中，造成僅剩10%氣 間差所做出之關係圖。結果 耗用氣體量過大及初設成本過高，暫時未被列入設置考量中，但由於 穎的穩定濃度供氣技術：高活性劇
體可供應的本末倒置情況。基於氣體耗損量的考量，本計畫將規 顯示，混氣濃度和Receiver的 此兩項不純物標的對工廠生產良率存在著一定的影響性，故本計畫 毒氣體的應用。
劃依照殘瓶剩餘量分次分析，當瓶內氣體剩餘量分別為100%、 訊號接受時間差之間，有一 仍持續與相關供應商合作開發中，以期未來能發展出符合需求的機
80%、60%、40%、20%時各分析一次，每次分析1小時，如此 良好的正比且幾近線性之關 型，將特氣品質監控建置得更臻完備，以面對以後更先進製程的挑
耗用於分析的氣體量會大幅降低至總鋼瓶氣體量的3.1%。 係。 戰。
84 300mm FABS FACILITY JOURNAL SEPTEMBER 2018 85