高艷秋 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

隨著半導(dǎo)體制造、薄膜晶體管(TFT)以及光伏(PV)等電子工業(yè)的高速發(fā)展，對電子特氣雜質(zhì)含量的要求越來越嚴格。即使極微量的雜質(zhì)氣體進入工序中也可能導(dǎo)致最終的電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量下降。而水由于其較強的產(chǎn)生氫鍵的能力以及使電子特氣水解和氧化，對產(chǎn)品質(zhì)量的影響尤其顯著。作為重要的質(zhì)量控制指標，如何準確可靠地測定電子特氣中痕量水分一直是電子特氣分析中所要面對的主要問題之一。

本文主要對電子特氣中痕量水分的測量方法進行了討論，包括取樣方法和分析設(shè)備等。

1 取樣方法

水分不同于其他氣體雜質(zhì)，由于氫鍵的作用，極易被吸附，因而導(dǎo)致在測量點所測得的結(jié)果往往不僅是氣體樣品中的水含量，還包括管道、接頭、閥門和過濾器等處所吸附的水分以及由于系統(tǒng)泄漏所帶進的水分。而目前常用的電子特氣如硅烷、磷烷、氯氣、氨氣等，往往有毒，易水解，易燃或有強氧化性，部分甚至具有較強的腐蝕性。因此，如何正確進行取樣，以保證測量結(jié)果真實可靠，防止樣品在取樣過程中被氧化或水解，同時避免特氣樣品泄露的風險，就顯得尤為重要。本文介紹了一套用于電子特氣分析的取樣系統(tǒng)(圖1)。

圖1 電子特氣取樣裝置

該取樣系統(tǒng)的優(yōu)點：

1）取樣前用高純氮氣對管道進行置換吹掃，確保系統(tǒng)內(nèi)無殘留空氣和水分；

2）使用文丘里系統(tǒng)(采用Park公司VAC100真空發(fā)生器），當壓力為0.55 MPa時真空度達16.665 kPa對取樣系統(tǒng)抽真空，可以有效減少置換次數(shù)，加快置換速度，減少樣品氣消耗量。而使用真空發(fā)生器不但價格低廉，無需維護，且可避免使用真空泵可能產(chǎn)生的風險；

3）可定期使用高壓氮氣對系統(tǒng)進行保壓測試，以確保取樣系統(tǒng)無滲漏；

4）非測量狀態(tài)時，使用高純氮氣對分析儀進行吹掃保護，可大大加快測量速度，減少樣品氣消耗量。

為避免滲漏，系統(tǒng)所有連接均采用焊接或VCR連接方式，閥門則選用隔膜閥。所有管道、閥門及其他器件均使用316L不銹鋼材質(zhì)，管道采用EP10級內(nèi)拋光管。

測量前應(yīng)使用高純氮氣對系統(tǒng)管路進行吹掃置換，以去除系統(tǒng)中所殘留的水分。還可在吹掃時對管道進行加熱，以加快吹掃置換速度。

2 分析設(shè)備

目前國內(nèi)測量電子特氣中的水分含量主要采用電容法、電解法以及露點法等。但隨著電子工業(yè)的高速發(fā)展，這些方法已漸漸無法滿足越來越嚴格的痕量水分分析需求。因此，本文介紹了兩種新的水分測量方法。

2.1 石英振蕩法

石英振蕩法基于石英天然所具有的振蕩頻率。將一種敏感的吸濕材料涂覆于石英晶體上制成振蕩輪，當振蕩輪置于攜帶有水分的待測樣品氣中，涂覆在表面上的吸濕材料吸附或解吸水分使振蕩輪質(zhì)量發(fā)生變化，從而導(dǎo)致石英晶體振蕩頻率發(fā)生變化。測量此時的振蕩頻率，并與振蕩輪置于準干燥“參比”氣體的振蕩頻率進行比較（振蕩頻率的變化值與所測量的樣品氣中水分含量成正比），通過測量振蕩頻率的變化值即可測得待測樣品氣中的水分含量。

石英振蕩法水分儀的優(yōu)點是其測量原理屬于絕對測量法，測量結(jié)果較為準確，靈敏度較高，幾乎無漂移，使用前無須預(yù)干燥，且?guī)缀醪恍杈S護。

用于電子特氣分析具有代表性的石英振蕩法分析儀器為美國AMETEK公司所生產(chǎn)的5800型水分儀。其性能參數(shù)如下：量程：（0 ～ 100）×10-6V/V；靈敏度：5×10-9V/V；測量準確度：20×10-9V/V。

從AMETEK 5800型水分儀內(nèi)部流路圖(如圖2所示)可以看出，該儀器針對電子特氣分析做了特殊設(shè)計，例如使用限流管代替質(zhì)量流量計或流量控制閥，以防止?jié)B漏。如果采用哈氏合金材質(zhì)的管道及器件，AMETEK 5800型水分儀幾乎可以用于絕大多數(shù)電子特氣中的水分分析。

圖2 AMETEK 5800 內(nèi)部流路圖

從使用AMETEK 5800型水分儀對三氟化氮（NF3）和四氟化碳（CF4）進行分析的結(jié)果(表1)看，該水分儀較為穩(wěn)定，且重現(xiàn)性較好。

石英振蕩法水分儀的缺點是檢測速度不夠理想，且測量結(jié)果依賴于純化器所制造的準干燥氣體，一旦純化器失效，將嚴重影響分析結(jié)果。在使用過程中，應(yīng)注意盡量避免樣品氣中油或顆粒進入檢測池而影響分析結(jié)果。

2.2 光腔衰蕩法

光腔衰蕩法是一種新的水分測量方法，其原理是分別測量一束波長合適而不能被待測樣品氣中任何組分所吸收的光線以及一束波長恰好能被水分所吸收的光線在充滿了樣品氣的光腔中衰蕩的時間，這兩個衰蕩時間之差[更準確地說是衰蕩時間的倒數(shù)(衰減速度)之差]與樣氣中的水分含量成比例。通過測量衰蕩時間之差即可測量待測樣品氣中的水分含量。

表1 NF3及CF4分析結(jié)果

光腔衰蕩法同樣屬于絕對測量法，其優(yōu)點是測量結(jié)果較為準確，靈敏度較高，可測量10-9數(shù)量級的痕量水分，分析速度快，且?guī)缀醪恍杈S護。

光腔衰蕩法的代表性儀器為美國Tiger公司所生產(chǎn)的HALO以及ALOHA等。以HALO為例，儀器內(nèi)部氣路結(jié)構(gòu)(如圖3所示)極為簡單，有效地防止了滲漏。

圖3 HALO水分儀內(nèi)部流路圖

但要注意的是當用于測量電子特氣時，需選擇合適波長的激光，以避免樣品氣本底的干擾。當待測樣品氣具有腐蝕性時，需選用哈氏合金材質(zhì)的管道及器件。

3 結(jié)語

上述的取樣系統(tǒng)及測量方法適用于大多數(shù)電子特氣中的水分測量，有效地解決了現(xiàn)有方法的種種問題。但對于某些具有特殊性質(zhì)的電子氣體仍需根據(jù)實際情況選用其他合適的取樣和測量方法。

要解決如何克服溫濕度等環(huán)境條件對測量結(jié)果的干擾，如何對分析儀器進行校準以確保分析結(jié)果準確可靠等問題，仍需不斷地進行研究和試驗。

[1]閻文斌. 微量氣體定量分析的新方法：光腔衰蕩光譜[J]. 低溫與特氣, 2007, 25(1)： 35-38.