氣體檢測前處理裝置與氣體檢測方法
2023-08-08 18:02:46
氣體檢測前處理裝置與氣體檢測方法
【專利摘要】本發明涉及一種氣體檢測前處理裝置與氣體檢測方法。氣體檢測前處理裝置包括惰性氣體氣瓶、標準氣體氣瓶、待測氣體氣瓶、分離單元、第一連接管路、冷卻單元及接口單元，惰性氣體氣瓶、標準氣體氣瓶及待測氣體氣瓶的出口管路分別與第一連接管路連接，第一連接管路與分離單元相連，分離單元包括控制通道及分離室，控制通道的第一控制閥位於第一連接管路與分離室之間，第二控制閥位於第一連接管路與接口單元之間，第三控制閥位於分離室與接口單元之間，分離室位於冷卻單元內。本發明還涉及一種氣體檢測方法。本發明具有提高檢測的安全性和可靠性以及成本低的優點。
【專利說明】氣體檢測前處理裝置與氣體檢測方法
【技術領域】[0001]本發明涉及一種氣體分離裝置與方法，尤其涉及一種氣體檢測前處理裝置與氣體檢測方法。
【背景技術】
[0002]電子元器件的製造基礎是超純化學氣體，半導體器件性能的好壞，在很大程度上取決於所用電子工業用氣體的質量，電子工業用氣體純度每提高一個數量級，都會極大地推動半導體器件質的飛躍。在集成電路的刻蝕和清洗過程中，即使電子氣體中百萬分之幾的微量雜質氣體進入工序就能導致質量下降，使每個元件的信息量減少，從而使高密度集成電路產品的不合格率增加。因此必須加強監控，切實保證各道工序所用氣體原材料的純淨度。
[0003]矽烷(SiH4)、鍺烷(GeH4)等電子工業用氣體因其在多晶矽生產和外延生長等方面表現出的獨特優勢而被廣泛應用，它們已成為電子氣體家族中最重要的組成成員。但因該類電子工業用氣體中雜質含量極低，且本身具有易燃、易爆和有毒等化學特性，給其純度的測定增加了許多困難。根據我國現執行的《電子工業用氣體矽烷》標準，該類電子工業用氣體中存在的雜質氣體主要有^、(^、!^、(^、^、!^(^^((^~(^和氯化物，其中也給出了採用熱導檢測器或氦離子化檢測器的檢測方法，但均未考慮主組分對微量/痕量雜質組分的掩蓋或幹擾，以及對檢測器的汙染和可能對人員造成傷害等問題。近年國內外的色譜分析技術公司(如美國的GOW MAC、英國SERIES、愛爾蘭AGC、中國華愛、科創)，分別開發和研製了電子工業氣體專用色譜儀，主要是從改進色譜取樣系統，提高分析系統的自動化，利用切割氣路和反吹系統等達到方便、準確檢測電子工業氣體純度的目的。雖然專用氣相色譜較普通色譜對電子工業氣體檢測的性能有了很大的提高，但其昂貴的價格大大限制了其在企業和質檢部門的普遍應用。因此建立一種安全、簡便、快速檢測電子工業用氣體純度方法對電子工業用氣體的生產及應用都具有重要意義。
[0004]然而，檢測電子工業氣體純度要解決的主要難題是主組分對微量/痕量組分的掩蓋或幹擾，以及高化學活性的SiH4、GeH4對氣相色譜儀造成的汙染和可能對人員造成傷害等問題。
【發明內容】
[0005]鑑於上述狀況，有必要提供一種可提高檢測的安全性和可靠性的氣體檢測前處理裝置與氣體檢測方法。
[0006]一種氣體檢測前處理裝置，用於對混合氣體進行色譜分析，該氣體檢測前處理裝置包括惰性氣體氣瓶、標準氣體氣瓶、待測氣體氣瓶、分離單元、第一連接管路、冷卻單元及接口單元，該惰性氣體氣瓶、該標準氣體氣瓶及該待測氣體氣瓶的分別具有出口管路，該惰性氣體氣瓶、該標準氣體氣瓶及該待測氣體氣瓶的出口管路分別與該第一連接管路連接，該第一連接管路與該分離單元相連，該分離單元包括控制通道及分離室，該控制通道上設有第一控制閥、第二控制閥與第三控制閥，該第一控制閥與該第二控制閥入口端分別與該第一連接管路相連，該第二控制閥與該第三控制閥的出口端分別與該接口單元相連，該第一控制閥位於該第一連接管路與該分離室之間，該第二控制閥位於該第一連接管路與該接口單元之間，該第三控制閥位於該分離室與該接口單元之間，該分離室位於該冷卻單元內。
[0007]一種氣體檢測方法，用於檢測混合氣體的雜質組分，該方法包括以下步驟:(I)將惰性氣體、標準氣體及待測混合氣體分別裝入如權利要求1所述的氣體檢測前處理裝置的該惰性氣體氣瓶、該標準氣體氣瓶及該待測氣體氣瓶中；(2)利用上述的氣體檢測前處理裝置的該惰性氣體氣瓶中的惰性氣體吹掃整個管路；(3)用該標準氣體氣瓶的標準氣體吹掃整個管路，關閉第一控制閥和第三控制閥，將一定量的標準氣體封存在該分離室內並冷卻一段適當時間以將該標準氣體中的部分氣體分離出來；(4)用該惰性氣體氣瓶的惰性氣體將該分離出的該部分標準氣體吹入該接口單元，並進入氣相色譜儀中進行分析；(5)利用該惰性氣體氣瓶中的惰性氣體吹掃整個管路；(6)用待測氣體氣瓶中的待測混合氣體吹掃整個管路，關閉第一控制閥和第三控制閥，將一定量的標準氣體封存在該分離室內並冷卻一段適當時間以將該待測混合氣體的部分氣體分離出來；(7)用該惰性氣體氣瓶的惰性氣體將該分離出的該部分待測混合氣體吹入該接口單元，並進入氣相色譜儀中進行分析；以及(8)用標準氣體標定待測混合氣體中雜質的含量。
[0008]一種氣體檢測方法，其包括以下步驟:用低溫精餾方法，將混合氣體分為第一部分與第二部分，其中第二部分中的氣體的沸點低於該第一部分中的氣體的沸點；以及用惰性氣體將該第二部分帶入氣相色譜儀中進行分析。
[0009]本發明首次將低溫精餾技術應用於易燃、易爆、有毒類電子工業用氣體純度檢測的前處理過程中，有效解決高純度和高化學活性的SiH4、GeH4易燃、易爆、有毒類氣體對氣相色譜儀造成的汙染和對人員造成傷害等難題；其可將電子工業用氣體中具有危險性的主組分過濾，而微量/痕量組分氣體直接進入色譜檢測，從而便於快速、安全、簡便地檢測易燃、易爆和有毒類電子用工業氣體純度；另外，本發明成本低，效果好，易推廣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1本發明實施例的氣體檢測前處理裝置結構示意圖。
[0011]圖2是採用現有技術的氣體檢測方法檢測標準氣體的譜圖。
[0012]圖3是採用現有技術的氣體檢測方法檢測標準氣體的結果。
[0013]圖4是採用現有技術的氣體檢測方法檢測矽烷樣品的譜圖。
[0014]圖5是採用現有技術的氣體檢測方法檢測矽烷樣品的結果。
[0015]圖6是採用本發明實時例的氣體檢測方法檢測標準氣體的譜圖。
[0016]圖7是採用本發明實時例的氣體檢測方法檢測標準氣體的結果。
[0017]圖8是採用本發明實時例的氣體檢測方法檢測矽烷樣品的譜圖。
[0018]圖9是採用本發明實時例的氣體檢測方法檢測矽烷樣品的結果。
【具體實施方式】
[0019]下面將結合附圖及實施例對本發明的氣體檢測前處理裝置與氣體檢測方法作進一步的詳細說明。[0020]如圖1所示，本發明氣體檢測前處理裝置實施例用於對混合氣體進行色譜分析，該混合氣體可包括主組分為矽烷(SiH4)或鍺烷(GeH4)等易燃、易爆、有毒的電子工業氣體，其微量/痕量氣體包括H2、N2, CO、02、CH4,乙烷、CO2與丙烷等。本發明採用低溫精餾技術，將混合氣體中的主組分與部分微量組分進行分離，以便於檢測該電子工業氣體中主要微量組分的含量。該氣體檢測前處理裝置包括惰性氣體氣瓶1、標準氣體氣瓶2、待測氣體氣瓶
3、分離單元4、第一連接管路5、冷卻單元6及接口單元7。
[0021]惰性氣體氣瓶1、標準氣體氣瓶2及待測氣體氣瓶3內分別裝有高純氦氣、標準氣體、待測氣體，且該三個氣瓶分別具有出口管路，該出口管路分別與第一連接管路5連接，該出口管路上還分別設有吹掃排空口 8。惰性氣體氣瓶1、標準氣體氣瓶2及待測氣體氣瓶3分別依次經由高壓盤管14、第四控制閥15、高壓減壓器16與第一連接管路5連接，其中每個氣瓶的高壓減壓器16還經由第五控制閥17通往吹掃排空口 8。
[0022]第一連接管路5與分離單元4相連，分離單元4包括控制通道42及分離室44。控制通道42上設有第一控制閥11、第二控制閥12與第三控制閥13，第一控制閥11與第二控制閥12入口端分別與第一連接管路5相連，第二控制閥12與第三控制閥13出口端分別與接口單元7相連，第一控制閥11位於第一連接管路5與分離室44之間，第二控制閥12位於第一連接管路5與接口單元7之間，第三控制閥13位於分離室44與接口單元7之間。分離室44位於冷卻單元6內，具體可由冷卻單元6包覆。此外，分離室44可由盤管構成。
[0023]冷卻單元6可包含配製有異戊烷的液氮以作為冷卻劑，例如在1800毫升的液氮中加入200毫升的異戊烷，且冷卻單元6內可設置有一數字顯示的溫度計，以實時監測冷卻單元6內的溫度。接口單元7可還設有玻璃轉子流量計18及吹掃排空口 8。上述氣體檢測前處理裝置在管路前段和尾處設置了多處吹掃排空口 8，可連接導管引到室外，從而可避免易燃、易爆、有毒、化學性質活潑的電子工業用氣對人員和儀器的傷害。
[0024]上述氣體檢測前處理裝置具有成本低，易推廣的優點。
[0025]本發明氣體檢測方法用於對混合氣體進行色譜分析，該混合氣體可包含主組分為SiH4或GeH4等易燃、易爆、有毒的電子工業氣體，由於常壓下SiH4的沸點(-111.8°C )、GeH4的沸點(_90°C)同其雜質的沸點存在著較大差異，本發明實施例中將其主要雜質氣體分為低沸點(H2 (― 252.80°C)>N2(-195.8°C ) ,CO (-191.4°C ) ,O2 (-183°C ) ,CH4 (-161.5°C ))和高沸點(乙烷(-88.63。。)、CO2 (-78.48°C )、丙烷(-42.07°C))兩類。通過低溫分餾，取沸點低於SiH4、GeH4的餾分，便可將混合氣體分為兩部分氣體，其中將不含主組分的那部分氣體帶入氣相色譜儀中進行分析。具體包括以下步驟:
(1)將惰性氣體、標準氣體及待測混合氣體分別裝入上述氣體檢測前處理裝置的惰性氣體氣瓶1、標準氣體氣瓶2及待測氣體氣瓶3中；
(2)利用上述的氣體檢測前處理裝置的惰性氣體氣瓶I中的惰性氣體吹掃整個管路；
(3)用該標準氣體氣瓶2的標準氣體吹掃整個管路，關閉第一控制閥11和第三控制閥13，將一定量的標準氣體封存在分離室44內並冷卻一段適當時間以將該標準氣體中的部分氣體分離出來；具體來說，可通過玻璃轉子流量計18控制標準氣的進樣量，流速一般控制在60?100毫升/分鐘，吹掃數分鐘後，關閉第一控制閥11和第三控制閥13，將一定量的標準氣體封存在分離室44內，在約-150°C溫度下冷卻約20分鐘，以將該標準氣體的部分氣體分離出來； (4)用惰性氣體氣瓶I的惰性氣體將該分離出的該部分標準氣體吹入接口單元7，並進入氣相色譜儀中進行分析；其中，惰性氣體的流速可控制在60?100毫升/分鐘範圍；
(5)利用惰性氣體氣瓶I中的惰性氣體吹掃整個管路；
(6)用待測氣體氣瓶3中的待測混合氣體吹掃整個管路，關閉第一控制閥11和第三控制閥13，將一定量的待測混合氣體封存在該分離室44內並冷卻一段適當時間以將該待測混合氣體的部分氣體分離出來；具體來說，可通過玻璃轉子流量計18控制待測混合氣體的進樣量，流速一般控制在60?100毫升/分鐘，吹掃數分鐘後，關閉第一控制閥11和第三控制閥13，將一定量的待測混合氣體封存在分離室44內，在約_150°C溫度下冷卻約20分鐘，以將該標準氣體的部分氣體分離出來；
(7)用該惰性氣體氣瓶I的惰性氣體將該分離出的該部分待測混合氣體吹入該接口單元7，並進入氣相色譜儀中進行分析；其中，惰性氣體的流速可控制在60?100毫升/分鐘範圍。
(8)用標準氣體標定待測混合氣體中雜質的含量。
[0026]其中，上述步驟中，冷卻單元6內科預先充裝調配200mL異戊烷的液氮以控制冷卻溫度，從而便於將溫度控制在約_150°C。
[0027]上述步驟完成之後將冷卻盤管內的氣體殘液通過升溫的方式使其揮發，並用惰性氣體吹掃徹底後，再重複步驟(6)，以重複測定待測混合氣體。
[0028]步驟(4)完成後，平行測定標準氣體樣品至少兩次，記錄色譜響應值，直至相鄰兩次測定的相對偏差不大於5%，取其平均值；而同樣，步驟(7)完成後，平行測定待檢測樣品氣體至少兩次，記錄色譜響應值，直至相鄰兩次測定的相對偏差不大於5%，取其平均值。
[0029]上述步驟中，由於冷卻單元6外的氣路管線有一定的長度，為避免殘留的氣體中主組分的影響，在進色譜分析前，均先用惰性氣體徹底吹掃冷卻單元6外的管路。
[0030]本發明實施例中首次將低溫精餾技術應用於易燃、易爆、有毒類電子工業用氣體純度檢測的前處理過程中，有效解決高純度和高化學活性的SiH4、GeH4易燃、易爆、有毒類氣體對氣相色譜儀造成的汙染和對人員造成傷害等難題；可將電子工業用氣體中具有危險性的主組分過濾，而雜質組分氣體直接進入色譜檢測，便於快速、安全、簡便地檢測易燃、易爆和有毒類電子用工業氣體純度；另外，本發明成本低，效果好，易推廣。具體來說，本發明實時例的檢測方法通過氣體檢測前處理裝置對檢測氣體進行低溫精餾分離，從而將沸點較高的主組分(如SiH4、GeH4等)預先過濾,進而沸點較高的主組分(如SiH4、GeH4等)不會進入到氣相色譜儀中，避免氣相色譜儀檢測器受到汙染；並且一些有毒的氣體還可直接通過氣體檢測前處理裝置在管路前端和尾處設置的多處吹掃排空口 8排空至室外並作廢氣吸收處理，從而可避免易燃、易爆、有毒、化學性質活潑的電子工業用氣對檢測人員或其他人員造成傷害；特別強調的是，通過氣體檢測前處理裝置將(如SiH4、GeH4等)預先分離過濾，這樣在氣相色譜儀中就可以省略切割反吹氣路，從而大幅度降低了氣相色譜儀的造價，進而降低了整套檢測設備的成本。
[0031]以下通過具體實施例進一步說明本發明的氣體檢測方法的檢測效果。
具體實施例
[0032]對比實施例、採用具有切割反吹氣路的氣相色譜儀測定，色譜儀型號:華愛HG-9560 ;色譜柱:5A分子篩；檢測器:脈衝氦離子化檢測器(PDHID);在3.2分鐘進行切割反吹，將主組分矽烷吹掃至室外並作尾氣吸收處理；其測試結果如圖2至圖5所示。
[0033]本發明實施例、採用氣體純化前處理裝置和具有切割反吹氣路的氣相色譜儀測定，色譜儀型號:華愛HG-9560 ;色譜柱:5A分子篩；檢測器:脈衝氦離子化檢測器(PDHID)；在3.2分鐘不進行切割反吹。矽烷為主組分的樣品氣經氣體純化前處理裝置實現了與雜質組分的分離，雜質組分進入檢測器檢測；其測試結果如圖6至圖9所示。
[0034]如圖2至圖9所示，結果顯示，用本發明的氣體檢測方法與現有的氣相色譜法分別對矽烷樣品進行測試，本發明的氣體檢測方法的試驗結果和現有的氣相色譜法試驗結果之間的相對誤差小於5%，這說明本發明的氣體檢測方法具有較高的準確性，是可行的。
【權利要求】
1.一種氣體檢測前處理裝置，用於對混合氣體進行色譜分析，其特徵在於:該氣體檢測前處理裝置包括惰性氣體氣瓶、標準氣體氣瓶、待測氣體氣瓶、分離單元、第一連接管路、冷卻單元及接口單元，該惰性氣體氣瓶、該標準氣體氣瓶及該待測氣體氣瓶的分別具有出口管路，該惰性氣體氣瓶、該標準氣體氣瓶及該待測氣體氣瓶的出口管路分別與該第一連接管路連接，該第一連接管路與該分離單元相連，該分離單元包括控制通道及分離室，該控制通道上設有第一控制閥、第二控制閥與第三控制閥，該第一控制閥與該第二控制閥入口端分別與該第一連接管路相連，該第二控制閥與該第三控制閥的出口端分別與該接口單元相連，該第一控制閥位於該第一連接管路與該分離室之間，該第二控制閥位於該第一連接管路與該接口單元之間，該第三控制閥位於該分離室與該接口單元之間，該分離室位於該冷卻單元內。
2.一種如權利要求1所述的氣體檢測前處理裝置，其特徵在於:該接口單元還設有流量計及吹掃排空口。
3.—種如權利要求1所述的氣體檢測前處理裝置，其特徵在於:該惰性氣體氣瓶、該標準氣體氣瓶及該待測氣體氣瓶的出口管路上還分別設有吹掃排空口。
4.一種如權利要求3所述的氣體檢測前處理裝置，其特徵在於:該惰性氣體氣瓶、該標準氣體氣瓶及該待測氣體氣瓶分別依次經由高壓盤管、第四控制閥及高壓減壓器與第一連接管路連接，每個高壓減壓器與相應的吹掃排空口之間還設有第五控制閥。
5.一種如權利要求1所述的氣體檢測前處理裝置，其特徵在於:該冷卻單元包含液氮，該分離室由盤管構成。`
6.一種氣體檢測方法，其包括以下步驟: (1)將惰性氣體、標準氣體及待測混合氣體分別裝入如權利要求1所述的氣體檢測前處理裝置的該惰性氣體氣瓶、該標準氣體氣瓶及該待測氣體氣瓶中； (2)利用上述的氣體檢測前處理裝置的該惰性氣體氣瓶中的惰性氣體吹掃整個管路； (3)用該標準氣體氣瓶的標準氣體吹掃整個管路，關閉第一控制閥和第三控制閥，將一定量的標準氣體封存在該分離室內並冷卻一段適當時間以將該標準氣體中的部分氣體分離出來； (4)用該惰性氣體氣瓶的惰性氣體將該分離出的該部分標準氣體吹入該接口單元，並進入氣相色譜儀中進行分析； (5)利用該惰性氣體氣瓶中的惰性氣體吹掃整個管路； (6)用待測氣體氣瓶中的待測混合氣體吹掃整個管路，關閉第一控制閥和第三控制閥，將一定量的待測混合氣體封存在該分離室內並冷卻一段適當時間以將該待測混合氣體的部分氣體分離出來； (7)用該惰性氣體氣瓶的惰性氣體將分離出的該部分待測混合氣體吹入該接口單元，並進入氣相色譜儀中進行分析； (8)用標準氣體標定待測混合氣體中雜質的含量。
7.—種如權利要求7所述的氣體檢測方法，其特徵在於:該待測混合氣體的主組分為矽烷或錯燒。
8.—種如權利要求8所述的氣體檢測方法，其特徵在於:該標準氣體或該待測混合氣體在管路中的流速為60~100毫升/分鐘，該冷卻單元的冷卻溫度為_150°C。
9.一種如權利要求7所述的氣體檢測方法，其特徵在於:該冷卻單元包含配製有異戊烷的液氮以作為冷卻劑以控制冷`卻溫度。
【文檔編號】G01N30/02GK103529132SQ201210223923
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年7月2日 優先權日:2012年7月2日
【發明者】應松, 陳熔, 張鳳利, 鄒震, 陳華, 林宇巍 申請人:福州市產品質量檢驗所