胡艷青, 孟 蘇, 柴 塬, 陳潔新, 呂國(guó)義, 聶 晶

(1.北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095；2.北京航空航天大學(xué)儀器與光電學(xué)院， 北京 100191)

1 引 言

氣體霜點(diǎn)溫度測(cè)量在工業(yè)和科研實(shí)驗(yàn)室中發(fā)揮著重要作用[1～7]。半導(dǎo)體器件在研制和生產(chǎn)過(guò)程中需用大量的高純氣體,常用的有氮?dú)?、氦氣、氫氣和氧氣等。而這些氣體中的有害雜質(zhì)主要是水,氣體中含有極微量的水,就可能導(dǎo)致硅片出現(xiàn)瑕疵。因此,半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)怏w的純度和質(zhì)量提出了更高的要求。

目前,我國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域廣泛采用光腔衰蕩法微量水分儀、石英晶體震蕩法微量水分儀和電容式露點(diǎn)傳感器測(cè)量氣體霜點(diǎn)溫度。代表產(chǎn)品有Tiger公司的HALO+水分儀,AMETEK公司的3050微水分儀。MICHELL公司的Easidew PRO XP等。英國(guó)ALPHA公司DSP-Ex露點(diǎn)傳感器的測(cè)量霜點(diǎn)溫度為-110 ℃,最大允許誤差±2.0 ℃;SHAW公司的SUPERDEW 3,測(cè)量霜點(diǎn)最低可以達(dá)到-110 ℃,最大允許誤差±2.0 ℃。這些儀器的指標(biāo)一旦超標(biāo)將會(huì)對(duì)半導(dǎo)體器件的研制和生產(chǎn)造成極大影響,甚至?xí)饑?yán)重事故。因此,需要對(duì)這些測(cè)量?jī)x器進(jìn)行定期檢定或校準(zhǔn),以保證其測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

近幾年,國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)均有低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器的研制報(bào)道,例如,文獻(xiàn)[8]中研發(fā)的低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器,霜點(diǎn)范圍為-99～-40 ℃;文獻(xiàn)[9]中對(duì)該發(fā)生器進(jìn)行了改進(jìn),將霜點(diǎn)溫度下限擴(kuò)展至 -105 ℃,在-105 ℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.19 ℃;2019年,Lee W等[10]研發(fā)了低溫低壓濕度發(fā)生器,該發(fā)生器采用雙溫雙壓原理,評(píng)價(jià)了霜點(diǎn)-75 ℃和常壓條件下飽和器的飽和性能;2018年,Cuccaro R等[11]設(shè)計(jì)并研發(fā)了一臺(tái)低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器(INRIM 03),該發(fā)生器的霜點(diǎn)溫度范圍為-99～-20 ℃,工作壓力范圍為20～110 kPa,擴(kuò)展不確定度U<0.028 ℃(k=2);同年,芬蘭國(guó)家計(jì)量院研制了一臺(tái)低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器,露點(diǎn)溫度范圍為-90～+15 ℃,壓力范圍為10～3500 hPa。

本文采用雙溫雙壓法原理研制了一款超低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器(CIMM-TH),霜點(diǎn)溫度范圍為-110～-20 ℃,工作壓力范圍為0.1～2.0 MPa,流量范圍為0～10 L/min,擴(kuò)展不確定度U為0.19～0.40 ℃,k=2。

2 原 理

超低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器由飽和系統(tǒng)、恒溫設(shè)備、流量控制器、精密調(diào)節(jié)閥、溫度與壓力測(cè)控系統(tǒng)組成。設(shè)備運(yùn)行時(shí)采用氮?dú)庾鳛檩d氣,氣體首先經(jīng)流量控制器和精密壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)入飽和系統(tǒng),在一定溫度和壓力條件下達(dá)到飽和狀態(tài),然后經(jīng)膨脹閥膨脹到常壓進(jìn)入測(cè)量?jī)x器。

超低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器原理組成如圖1所示。

圖1 超低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器原理組成圖Fig.1 Schematic diagram of ultra-low frost point generator

氣體的霜點(diǎn)溫度(td)可由飽和溫度(ts)、飽和壓力(ps)和測(cè)量室壓力(pc)計(jì)算得到,采用式(1)計(jì)算。

(1)

式中:e(t)表示溫度t時(shí)的飽和水蒸汽壓;f(t,p)為溫度t、壓力p時(shí)的增強(qiáng)因子。e(t)采用式(2)Sonntag方程計(jì)算[12,13]:

(2)

f(t,p)采用Hardy方程計(jì)算[14]:

(3)

式中:p表示氣體測(cè)量壓力;A、B表示增強(qiáng)因子中的系數(shù),可外推至溫度-100 ℃以下。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 飽和系統(tǒng)

飽和系統(tǒng)是超低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器的核心部件,也是氣固兩相流動(dòng)的主要接觸場(chǎng)所,它保證了氣體的傳熱傳質(zhì)過(guò)程能夠快速有效地進(jìn)行。設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮氣體的傳熱傳質(zhì)過(guò)程,確保足夠高的飽和效率。

超低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器的飽和系統(tǒng)工作于0 ℃以下,為達(dá)到理想的飽和狀態(tài),設(shè)計(jì)采用疊盤(pán)式結(jié)構(gòu)。當(dāng)水蒸汽-氣體混合物在溫度低于冷凝溫度的冷卻表面流動(dòng)時(shí),混合氣的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程同時(shí)發(fā)生,最終建立熱質(zhì)平衡,混合氣達(dá)到完全飽和狀態(tài)。在該條件下,混合氣體的霜點(diǎn)溫度在給定壓力p下,通過(guò)測(cè)量溫度t來(lái)確定。

飽和系統(tǒng)內(nèi)部換熱過(guò)程包括恒溫設(shè)備內(nèi)工質(zhì)與飽和器外壁之間的強(qiáng)制對(duì)流換熱、管壁的熱傳導(dǎo)、飽和器內(nèi)內(nèi)壁與氣體之間的對(duì)流換熱、氣體內(nèi)部熱傳導(dǎo)和輻射換熱。由于氣體內(nèi)部熱傳導(dǎo)和輻射換熱要比其他換熱小得多,因此在換熱計(jì)算中忽略了這兩個(gè)次要因素,采用公式(4)進(jìn)行飽和系統(tǒng)內(nèi)混合流動(dòng)的換熱計(jì)算[15,16]。

Nu=0.023Re0.8Pr0.3

(4)

根據(jù)疊盤(pán)式飽和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合傳熱傳質(zhì)理論計(jì)算,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。飽和系統(tǒng)由緩沖腔、飽和盤(pán)、氣流管道和換熱盤(pán)管組成。飽和盤(pán)分為4層,前3層高度為34 mm,底層高度為46 mm,直徑均為80 mm。氣流管道均勻地分布在2個(gè)圓盤(pán)之間,由8根直徑為10 mm的不銹鋼管組成,用于連接2個(gè)飽和盤(pán)。氣流管道深入上盤(pán)的高度為5～15 mm,用于形成冰層,飽和系統(tǒng)的總冰層表面積約為0.014 m2,換熱盤(pán)管長(zhǎng)度約為4 m。緩沖腔置于實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,飽和系統(tǒng)的其余部分完全浸入恒溫設(shè)備中。飽和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 恒溫設(shè)備

溫度是超低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器的重要參數(shù)之一,霜點(diǎn)溫度與飽和溫度成正比,因此溫度的測(cè)量和控制在發(fā)生器中尤為重要,溫場(chǎng)的穩(wěn)定性和波動(dòng)度將直接影響發(fā)生器的性能。

針對(duì)超低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器所需的低溫環(huán)境,采用復(fù)疊式壓縮制冷和液氮制冷相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)快速冷卻。當(dāng)t≥-100 ℃時(shí),采用壓縮制冷實(shí)現(xiàn),當(dāng)t<-100 ℃時(shí),通過(guò)液氮制冷實(shí)現(xiàn)低溫條件,控制系統(tǒng)采用基于PLC的閉環(huán)控制。恒溫設(shè)備由制冷系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、溢流系統(tǒng)和恒溫工作區(qū)組成。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在霜點(diǎn)溫度-90～-20 ℃范圍內(nèi),采用MBW 373 LXHX冷鏡式精密露點(diǎn)儀與CIMM-TH發(fā)生器產(chǎn)生的霜點(diǎn)溫度進(jìn)行比對(duì)測(cè)試,當(dāng)霜點(diǎn)溫度低于-90 ℃時(shí),采用HALO+微量水分儀與發(fā)生器發(fā)生的霜點(diǎn)溫度值進(jìn)行比對(duì)測(cè)試。

恒溫設(shè)備內(nèi)部和飽和器出口安裝標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì),用于測(cè)量溫場(chǎng)均勻性、穩(wěn)定性和飽和溫度。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)溯源至中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)。采用高精度數(shù)字溫度計(jì)(FLUKE1586A)記錄恒溫設(shè)備和飽和溫度。Fluke 1586A測(cè)溫儀溯源至高精度測(cè)溫電橋。

發(fā)生器出口和露點(diǎn)儀入口處安裝高精度壓力表,用于測(cè)量飽和壓力Ps和測(cè)量壓力Pc。PC7610A壓力表溯源至NIM的氣體活塞式壓力計(jì)。采用質(zhì)量流量控制器(ALLICAT PCD)控制飽和系統(tǒng)的進(jìn)口流量Q,所有設(shè)備通過(guò)串口通訊至上位機(jī),并采用LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)集中采集。

試驗(yàn)過(guò)程中使用的測(cè)試儀器參數(shù)如表1所示。

表1 測(cè)試儀器技術(shù)參數(shù)Tab.1 The parameters of the instrument

為了減少吸附和解吸的影響,氣路連接均采用電拋光不銹鋼管,冷鏡式精密露點(diǎn)儀和水分儀的出口連接管不小于1 m。試驗(yàn)前,超低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器(見(jiàn)圖3)需要用高純氮?dú)鈱?duì)整個(gè)氣流管道進(jìn)行吹掃,不同霜點(diǎn)溫度的吹掃時(shí)間見(jiàn)表2所示。

表2 不同霜點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的吹掃時(shí)間Tab.2 The purging time at different frost point temperature

圖3 超低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器試驗(yàn)圖Fig.3 Test diagram of ultra low-frost point generator

4.1 飽和效率評(píng)價(jià)

在溫度、壓力和流量一致的條件下,通過(guò)改變氣體入口霜點(diǎn)溫度,使飽和系統(tǒng)工作于“蒸發(fā)”和“冷凝”2種模式下,發(fā)生器出口霜點(diǎn)溫度使用373LXHX冷鏡式精密露點(diǎn)儀測(cè)量,采用式(7)計(jì)算飽和系統(tǒng)的飽和效率S。

(7)

式中:td1、td2、r1、r2為工作于“蒸發(fā)”和“凝結(jié)”2種模式下的飽和器出口霜點(diǎn)溫度和質(zhì)量混合比;ts為飽和溫度; 飽和效率用|1-S1|或|1-S2|表示。

飽和效率評(píng)價(jià)原理圖如圖4所示。

圖4 飽和效率評(píng)價(jià)方法Fig.4 Evaluation method of saturation efficiency

為了評(píng)價(jià)飽和系統(tǒng)的飽和效率,首先設(shè)定飽和系統(tǒng)的溫度和壓力為-90 ℃和0.1 MPa不變,調(diào)節(jié)飽和系統(tǒng)的入口流量,變化范圍為1～4 L/min。373 LXHX冷鏡式精密露點(diǎn)儀測(cè)得出口霜點(diǎn)溫度,試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,CIMM-TH發(fā)生器與373 LXHX冷鏡式精密露點(diǎn)儀差值在0.06 ℃以?xún)?nèi)。

圖5 發(fā)生器和露點(diǎn)儀在不同流量下的比對(duì)測(cè)試Fig.5 Test results of the dew-point hygrometer and the generator under the different inlet flow rate

飽和系統(tǒng)入口流量設(shè)置為3 L/min,飽和系統(tǒng)溫度和壓力條件為-60 ℃和0.1 MPa,調(diào)節(jié)并監(jiān)測(cè)入口霜點(diǎn)溫度tin1和tin2,分別為-45.2 ℃和-70.18 ℃,即飽和系統(tǒng)分別工作于“冷凝”和“蒸發(fā)”模式下。試驗(yàn)測(cè)得飽和溫度ts為-59.99 ℃,飽和壓力為 0.1 MPa,出口霜點(diǎn)溫度td1和td2分別為-59.90 ℃和-59.89 ℃。結(jié)果顯示,CIMM-TH發(fā)生器與373LXHX差值約為0.1 ℃。試驗(yàn)結(jié)果如圖6(a)和圖6((b)所示。

圖6 飽和器在不同模式下的測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results of the saturator in diffierent mode

4.2 試驗(yàn)分析

圖7為超低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器的性能測(cè)試。

圖7 超低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器的性能測(cè)試Fig.7 Performance test results of ultra low frost point humidity generator

圖7(a)給出了-100 ℃恒溫設(shè)備的溫度穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果,恒溫設(shè)備在6 h內(nèi)溫度穩(wěn)定性不大于±0.01 ℃,溫場(chǎng)均勻性≤0.02 ℃。

圖7(d)為飽和溫度保持在-99.60 ℃不變,將飽和壓力從0.1 MPa升至1 MPa時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)定后,發(fā)生器與水分儀的測(cè)試結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明,水蒸氣的摩爾分?jǐn)?shù)隨飽和壓力的增大而減小,當(dāng)飽和壓力為1 MPa,飽和溫度為-99.60 ℃時(shí),水蒸氣摩爾分?jǐn)?shù)為3.92 nmol·mol-1(霜點(diǎn)溫度為-105.94 ℃),CIMM-TH發(fā)生器的霜點(diǎn)溫度為-105.98 ℃,霜點(diǎn)溫度偏差為0.04 ℃。

圖8為不同霜點(diǎn)溫度的測(cè)試結(jié)果。

圖8 不同霜點(diǎn)溫度的測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test results for different frost point temperatures

圖8(a)為保持飽和壓力0.2 MPa,進(jìn)口流量為4 L/min不變,飽和溫度設(shè)定-90 ℃,觀測(cè)發(fā)生濕氣的霜點(diǎn)值,從圖8(a)中可以看出,24 h后,霜點(diǎn)溫度約為-80 ℃,在36 h時(shí),由于飽和壓力的變化,霜點(diǎn)溫度升高。隨著時(shí)間的推移,霜點(diǎn)在40 h后趨于穩(wěn)定,此時(shí),發(fā)生器和373LXHX的霜點(diǎn)溫度分別為-90.22 ℃和 -90.20 ℃,兩者偏差為0.02 ℃。

當(dāng)飽和壓力為2.0 MPa,飽和溫度為-99.60 ℃,測(cè)量壓力為大氣壓時(shí),圖8(b)給出了HALO+水分儀的水蒸汽摩爾分?jǐn)?shù),由圖可知,在試驗(yàn)260 h后,水蒸汽摩爾分?jǐn)?shù)為1.31 nmol·mol-1(霜點(diǎn)溫度 -110.79 ℃),發(fā)生器的霜點(diǎn)溫度為-109.03 ℃(水蒸氣摩爾分?jǐn)?shù)1.96 nmol·mol-1),霜點(diǎn)溫度偏差為1.76 ℃。分析兩者偏差較大的原因,可能是由于測(cè)試時(shí),HALO+水分儀入口處氣體存在一定的壓力,導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏低。

4.3 不確定度分析

不確定度分量[17～19]包括恒溫場(chǎng)溫度的均勻性和穩(wěn)定性、高精度數(shù)字溫度計(jì)、熱滯后效應(yīng)、精密數(shù)字壓力表、增強(qiáng)因子方程、水吸附/解吸、飽和效率及飽和水蒸汽壓方程引入。由第4.2節(jié)可知,6 h內(nèi)溫場(chǎng)穩(wěn)定性不大于±0.01 ℃,均勻性<0.02 ℃。假設(shè)其服從矩形分布(k=2),可計(jì)算出不確定度分量為0.006 ℃。

霜點(diǎn)溫度較低時(shí),水的吸附/解吸作用對(duì)霜點(diǎn)溫度影響較大,依據(jù)經(jīng)驗(yàn)并參考文獻(xiàn)[9],給出了增強(qiáng)因子和氣流管路吸附/解吸作用引入的不確定度分量。CIMM-TH發(fā)生器在霜點(diǎn)-110、-90、-20 ℃ 不確定度評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 霜點(diǎn)-110、-90、-20 ℃不確定度評(píng)定結(jié)果Tab.3 Budget results of uncertainty at frost point -110 ℃, -90 ℃ and -20 ℃ ℃

5 結(jié) 論

1) 采用雙溫雙壓法原理,研制了一款超低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器(CIMM-TH),發(fā)生霜點(diǎn)溫度范圍達(dá)到-110～-20 ℃。優(yōu)化設(shè)計(jì)了飽和器和恒溫設(shè)備等核心部件,并采用“蒸發(fā)”和“冷凝”兩種模式驗(yàn)證了飽和器的飽和效率。

2) 測(cè)試了恒溫設(shè)備在-100 ℃時(shí)的溫度穩(wěn)定性,測(cè)試結(jié)果表明,恒溫設(shè)備在6 h內(nèi)溫度穩(wěn)定性不大于±0.01 ℃,溫場(chǎng)均勻性≤0.02 ℃。在不同飽和溫度和飽和壓力條件下,分別采用373LXHX冷鏡式精密露點(diǎn)儀和HALO+微量水分儀,與CIMM-TH發(fā)生器進(jìn)行了比對(duì)測(cè)試,霜點(diǎn)-90 ℃時(shí),露點(diǎn)儀與發(fā)生器與的偏差為0.02 ℃,霜點(diǎn)-105 ℃時(shí),水分儀與發(fā)生器的偏差為0.04 ℃。

3) 系統(tǒng)分析了影響發(fā)生器測(cè)量結(jié)果的不確定度因素,并進(jìn)行了不確定度評(píng)定。CIMM-TH發(fā)生器在霜點(diǎn)溫度-110、-90、-20 ℃時(shí)的擴(kuò)展不確定度分別為0.40、0.20、0.19 ℃(k=2)。