高艷秋 / 上海市計(jì)量測(cè)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(duì)電子特氣雜質(zhì)含量的要求越來(lái)越嚴(yán)格。即使極微量的雜質(zhì)氣體進(jìn)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(qiáng)的產(chǎn)生氫鍵的能力以及使電子特氣水解和氧化，對(duì)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(biāo)，如何準(zhǔn)確可靠地測(cè)定電子特氣中痕量水分一直是電子特氣分析中所要面對(duì)的主要問(wèn)題之一。

本文主要對(duì)電子特氣中痕量水分的測(cè)量方法進(jìn)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(cè)量點(diǎn)所測(cè)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(mén)和過(guò)濾器等處所吸附的水分以及由于系統(tǒng)泄漏所帶進(jìn)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(qiáng)氧化性，部分甚至具有較強(qiáng)的腐蝕性。因此，如何正確進(jìn)行取樣，以保證測(cè)量結(jié)果真實(shí)可靠，防止樣品在取樣過(guò)程中被氧化或水解，同時(shí)避免特氣樣品泄露的風(fēng)險(xiǎn)，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(diǎn)：

1）取樣前用高純氮?dú)鈱?duì)管道進(jìn)行置換吹掃，確保系統(tǒng)內(nèi)無(wú)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(dāng)壓力為0.55 MPa時(shí)真空度達(dá)16.665 kPa對(duì)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(jià)格低廉，無(wú)需維護(hù)，且可避免使用真空泵可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)；

3）可定期使用高壓氮?dú)鈱?duì)系統(tǒng)進(jìn)行保壓測(cè)試，以確保取樣系統(tǒng)無(wú)滲漏；

4）非測(cè)量狀態(tài)時(shí)，使用高純氮?dú)鈱?duì)分析儀進(jìn)行吹掃保護(hù)，可大大加快測(cè)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(mén)則選用隔膜閥。所有管道、閥門(mén)及其他器件均使用316L不銹鋼材質(zhì)，管道采用EP10級(jí)內(nèi)拋光管。

測(cè)量前應(yīng)使用高純氮?dú)鈱?duì)系統(tǒng)管路進(jìn)行吹掃置換，以去除系統(tǒng)中所殘留的水分。還可在吹掃時(shí)對(duì)管道進(jìn)行加熱，以加快吹掃置換速度。

2 分析設(shè)備

目前國(guó)內(nèi)測(cè)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(diǎn)法等。但隨著電子工業(yè)的高速發(fā)展，這些方法已漸漸無(wú)法滿(mǎn)足越來(lái)越嚴(yán)格的痕量水分分析需求。因此，本文介紹了兩種新的水分測(cè)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(dāng)振蕩輪置于攜帶有水分的待測(cè)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(cè)量此時(shí)的振蕩頻率，并與振蕩輪置于準(zhǔn)干燥“參比”氣體的振蕩頻率進(jìn)行比較（振蕩頻率的變化值與所測(cè)量的樣品氣中水分含量成正比），通過(guò)測(cè)量振蕩頻率的變化值即可測(cè)得待測(cè)樣品氣中的水分含量。

石英振蕩法水分儀的優(yōu)點(diǎn)是其測(cè)量原理屬于絕對(duì)測(cè)量法，測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確，靈敏度較高，幾乎無(wú)漂移，使用前無(wú)須預(yù)干燥，且?guī)缀醪恍杈S護(hù)。

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(guó)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(cè)量準(zhǔn)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(duì)電子特氣分析做了特殊設(shè)計(jì)，例如使用限流管代替質(zhì)量流量計(jì)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(duì)三氟化氮（NF3）和四氟化碳（CF4）進(jìn)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(diǎn)是檢測(cè)速度不夠理想，且測(cè)量結(jié)果依賴(lài)于純化器所制造的準(zhǔn)干燥氣體，一旦純化器失效，將嚴(yán)重影響分析結(jié)果。在使用過(guò)程中，應(yīng)注意盡量避免樣品氣中油或顆粒進(jìn)入檢測(cè)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(cè)量方法，其原理是分別測(cè)量一束波長(zhǎng)合適而不能被待測(cè)樣品氣中任何組分所吸收的光線以及一束波長(zhǎng)恰好能被水分所吸收的光線在充滿(mǎn)了樣品氣的光腔中衰蕩的時(shí)間，這兩個(gè)衰蕩時(shí)間之差[更準(zhǔn)確地說(shuō)是衰蕩時(shí)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(guò)測(cè)量衰蕩時(shí)間之差即可測(cè)量待測(cè)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(duì)測(cè)量法，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確，靈敏度較高，可測(cè)量10-9數(shù)量級(jí)的痕量水分，分析速度快，且?guī)缀醪恍杈S護(hù)。

光腔衰蕩法的代表性?xún)x器為美國(guó)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(jiǎn)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(dāng)用于測(cè)量電子特氣時(shí)，需選擇合適波長(zhǎng)的激光，以避免樣品氣本底的干擾。當(dāng)待測(cè)樣品氣具有腐蝕性時(shí)，需選用哈氏合金材質(zhì)的管道及器件。

3 結(jié)語(yǔ)

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

要解決如何克服溫濕度等環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾，如何對(duì)分析儀器進(jìn)行校準(zhǔn)以確保分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠等問(wèn)題，仍需不斷地進(jìn)行研究和試驗(yàn)。

[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.