半导体制造对工艺气体的纯度要求极为严苛，痕量氧是影响晶圆良率的关键杂质之一。大宗气体、特种气体的 ppb 级痕量氧在线监测，是保障工艺稳定与产品良率的基石。
本方案基于 TDLAS 技术，面向半导体高纯气体与工艺场景提供 ppb 级痕量氧在线监测解决方案。
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ppb 级 痕量氧检测下限 |
在线 连续监测 |
免标定 无消耗件 |
高纯 气体兼容 |
一、半导体电子行业氧量测量背景与需求
1.1 行业工艺背景
半导体制造涵盖晶圆工艺、薄膜沉积、刻蚀、扩散等环节，工艺气体（N₂、O₂、Ar、特种气体）的痕量氧会直接影响氧化、掺杂与薄膜质量，气体纯度管控是良率的核心。
1.2 氧量测量的核心价值
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价值维度 |
作用机理 |
典型收益 |
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气体纯化 |
纯化器出口痕量氧在线监测 |
保障供气纯度 |
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工艺保障 |
工艺气氛痕量氧监控 |
提升晶圆良率 |
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泄漏监控 |
气路微漏痕量氧侦测 |
早期预警 |
1.3 行业挑战与传统技术局限
痕量氧需低至 ppb 级，且要求高灵敏度、低漂移、无污染、免维护，传统电化学/氧化锆传感器难以达到 ppb 级且寿命短、易污染。
二、TDLAS 激光氧含量分析仪技术原理
2.1 工作原理
TDLAS 技术基于比尔-朗伯定律，通过可调谐激光器扫描氧气近红外特征吸收谱线（760.76 nm），由探测器测量透射光强衰减，经锁相放大与谐波解调精确反演氧浓度。测量仅依赖氧分子的特征吸收，选择性极强、无消耗件，可从常量到 ppb 级痕量全量程覆盖。
图 1 TDLAS 激光氧含量测量原理示意
2.2 技术优势
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优势 |
说明 |
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原位在线 |
探头直插，无采样滞后，测量真实工况 |
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快速响应 |
响应小于 1 秒，满足闭环与联锁要求 |
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高精度高稳定 |
精度 ±0.01% vol （痕量可达 ppb 级），长期免标定 |
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强工况适应 |
耐高温、耐粉尘、耐腐蚀、防爆，适配恶劣环境 |
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低维护长寿命 |
无消耗件，核心器件寿命 8 年以上 |
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多参数输出 |
同步输出氧浓度、温度、压力与诊断信息 |
2.3 产品形态与选型
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产品形态 |
适用场景 |
特点 |
典型测点 |
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原位式 |
高温烟道、反应器、管道直插 |
直插测量，响应最快 |
炉膛、烟道、工艺管线 |
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抽取式 |
低温、洁净、需预处理场景 |
伴热采样 + 预处理 |
尾气、洁净气体 |
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便携式 |
检修、置换、临时比对 |
快速部署 |
置换、检修监测 |
三、典型应用场景与解决方案
3.1 高纯气体纯化与痕量氧监测
场景背景：大宗气体、特种气体经纯化器处理后须维持 ppb 级痕量氧，纯化器出口的在线监测是供气质量的保障。
痛点分析：传统传感器达不到 ppb 级，且响应慢、易污染。
解决方案：采用激光痕量氧分析仪在纯化器出口、分配系统在线监测 ppb 级氧含量。
图 2 高纯气体纯化与痕量氧监测示意
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要素 |
配置说明 |
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测量方式 |
在线抽取式， ppb 级 |
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安装位置 |
纯化器出口、 VMB/VMP 分配系统 |
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系统配置 |
痕量氧分析仪 + 供气联动 |
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技术指标 |
检测下限 ppb 级，免标定 |
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应用效益 |
供气纯度保障、良率提升 |
3.2 特种气体 / 大宗气体供气
场景背景：特气与大宗气体供气系统需全程监控痕量氧，防止微漏与交叉污染。
痛点分析：缺少 ppb 级在线监测，微漏难以早期发现。
解决方案：在供气管路关键节点部署激光痕量氧监测，实现全程在线。
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要素 |
配置说明 |
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测量方式 |
在线抽取式 |
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安装位置 |
供气主管、支路、使用点 |
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系统配置 |
多点痕量氧监测网络 |
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技术指标 |
ppb 级，响应快 |
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应用效益 |
微漏早期预警 |
3.3 晶圆工艺气氛监控
场景背景：氧化、退火、扩散等工艺对气氛氧含量敏感，直接影响膜层与器件性能。
痛点分析：工艺腔体气氛氧量缺乏在线精确监测。
解决方案：在工艺气体入口在线监测痕量氧，保障工艺一致性。
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要素 |
配置说明 |
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测量方式 |
在线抽取式 |
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安装位置 |
工艺腔体进气口 |
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系统配置 |
痕量氧仪 + 工艺联动 |
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技术指标 |
ppb 级，高稳定 |
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应用效益 |
工艺一致性提升 |
四、系统集成架构
4.1 四层系统架构
系统采用"感知—传输—控制—应用"四层架构，覆盖从现场测点到上层管控的全链路。
图 3 激光氧分析仪系统集成架构
4.2 与 DCS / SIS 的对接
· DCS 对接：燃烧、过程氧量信号接入 DCS 闭环控制；
· SIS 对接：惰化、防爆等安全场景氧量接入 SIS，实现超限联锁。
4.3 关键工程保障
· 防爆设计：危险区域选用 Ex d / Ex ia 防爆产品；
· 吹扫与防护：高温、粉尘、腐蚀测点配置连续吹扫与防护结构；
· 冗余与诊断：关键测点冗余配置，内建自检与故障报警。
五、技术指标与选型指南
5.1 主要技术指标
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指标项 |
参数 |
备注 |
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测量原理 |
TDLAS 激光吸收光谱 |
非接触、无消耗件 |
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量程 |
0~10 ppm 至 0~100% （可选） |
痕量 ppb 级可选 |
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检测下限 |
ppb 级 |
高纯气体适配 |
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响应时间 |
<1 s |
在线连续 |
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输出接口 |
4-20 mA 、 RS-485/Modbus 、以太网 |
上位机对接 |
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防护等级 |
IP65 / IP66 |
洁净 / 户外可选 |
5.2 选型要点速查
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应用场景 |
推荐形态 |
关键考量 |
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高纯气体纯化 |
抽取式 |
ppb 级、免标定、无污染 |
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特气 / 大宗供气 |
抽取式 |
多点监测、快速响应 |
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晶圆工艺气氛 |
抽取式 |
ppb 级、高稳定 |
六、应用效益与总结
6.1 综合应用效益
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效益维度 |
具体表现 |
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质量效益 |
供气纯度保障、良率提升 |
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效率效益 |
在线监测替代离线取样 |
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安全效益 |
微漏早期预警 |
激光氧含量分析仪以 TDLAS 技术为核心，凭借 ppb 级痕量检测、免标定、无污染的显著优势，精准契合半导体行业高纯气体与工艺气氛的痕量氧测量需求，助力晶圆制造提质增效。
