專利名稱：分析壓縮氣體中顆粒雜質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分析壓縮氣體中的顆粒的系統(tǒng)和方法，還涉及一種控制系統(tǒng)中顆粒生長的方法和一種在不同條件下確定各種氣體的最佳溫度的方法。
散料分配系統(tǒng)中顆粒的連續(xù)監(jiān)測是常規(guī)操作并且要求極低的顆粒含量。類似地，需要定量測定和檢測氣瓶氣體中的顆粒濃度。但是，因?yàn)閹讉€(gè)原因，很難測定氣瓶中壓縮氣體內(nèi)的真實(shí)顆粒含量。滿氣瓶壓力通常比輸送管中壓力大約高20倍。過高的壓力使為了顆粒取樣而降壓更加困難。此外，氣瓶中的壓力隨著使用而減小，這也影響探測到的顆粒。因此，用于輸送管道的取樣技術(shù)不能直接用于氣瓶中的壓縮氣體。此外，隨著氣瓶壓縮氣體壓力的降低會(huì)伴隨著出現(xiàn)取樣后生物。
在微電子工業(yè)中，化學(xué)氣體中顆粒探測和分析是很重要的。Wang和Uadischas討論了這類顆粒計(jì)數(shù)器的要求(Microcontami-nation 93 Conference Proceeding，pp.465—472)，將這引入本文作為參考。這種顆粒計(jì)數(shù)器的三個(gè)要求是材料適用性、清洗性和操作壓力。一個(gè)主要的要求是測量滿氣瓶氣體壓力下的顆粒，這種壓力可能是包裝氣體在液相時(shí)的飽和蒸汽壓，如HCl，或者處于包裝氣體在氣相時(shí)的超臨界狀態(tài)，如CF4。
Wang和Udischas開發(fā)了一種壓力平衡技術(shù)(U.S.專利No.5209102，1993年5月公開，引入本文作為參考)以防止打開氣瓶閥時(shí)伴隨的顆粒噴射引起的不良作用。這種顆粒取樣和分析技術(shù)在Air Liquide充氣中心得以實(shí)施，并用于優(yōu)化氣瓶充氣過程(Air Liq-uide Electronics Journal，December1993，引入本文作為參考)。
但是，分子束和納米顆粒與其它的分子，束團(tuán)或顆粒發(fā)生極高頻率的碰撞。碰撞后附著的幾率決定了束團(tuán)和顆粒能否生長及怎樣生長。Wang給出了納米顆粒和金屬絲篩附著幾率的預(yù)測方程(Eqn.6—8，Aerosol Sci.Tech.，18，180—186，1993，引入本文以供參考)。
區(qū)域測試表明處于飽和蒸汽壓或超臨界具狀態(tài)的許多氣體具有高的顆粒濃度。即使在顆粒計(jì)數(shù)器上游設(shè)置了高效顆粒過濾器，測得的顆粒數(shù)仍大致相同(見

圖1)。這表明計(jì)數(shù)的顆粒是由分子成束和/或氣相物質(zhì)的凝聚形成顆粒的后生物。因?yàn)檫@些后生物顆粒的濃度高，化學(xué)氣體中真實(shí)顆粒雜質(zhì)被掩蓋，因此不容易測定。
現(xiàn)有技術(shù)缺少一種用于分析氣體(包括處于飽和蒸汽壓或超臨界狀態(tài)的氣體)中的顆粒雜質(zhì)的系統(tǒng)和方法。現(xiàn)有技術(shù)也缺少一種降低隨著分子成束和/或氣相物質(zhì)凝聚而形成顆粒后生物的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于分析壓縮氣體中顆粒的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個(gè)壓縮氣體源，一個(gè)測量氣體中顆粒雜質(zhì)的探測器，一個(gè)控制氣體溫度避免由分子成束和凝聚形成顆粒的溫度控制器，和一個(gè)壓力平衡器。
更具體地說，該系統(tǒng)包括位于壓縮氣體源和探測器之間的第一閥門；用于將氣體引入系統(tǒng)的第二閥門；位于第二閥門下游的一個(gè)過濾器，使基本上除去氣體源中和/或由上游部件引入的顆粒雜質(zhì)；位于過濾器之下游的第三閥門，以控制經(jīng)過壓力平衡后氣體從系統(tǒng)的初始排放；一個(gè)位于過濾器和探測器之間的噴嘴，用來向探測器返回充氣直至第一閥門兩端之間達(dá)到壓力平衡，同時(shí)也用于控制氣體排放的流速；和一個(gè)位于噴嘴和探測器之間的用溫度控制器調(diào)節(jié)的溫度區(qū)域，它控制氣體的溫度以避免由分子成束和凝聚形成顆粒。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種在高壓下分析壓縮氣體中顆粒的方法，包括將壓縮氣體引入到顆粒探測器，控制氣體的壓力，保持氣體溫度在預(yù)定數(shù)值，同時(shí)監(jiān)測顆粒數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供了一種確定在給定壓力下分析壓縮氣體中顆粒含量的最佳溫度的方法，包括將第一壓力和第一溫度下的壓縮氣體通過過濾器引入到顆粒探測器，監(jiān)測氣體的顆粒數(shù)，監(jiān)測顆粒數(shù)的同時(shí)逐漸提高溫度，直至顆粒數(shù)接近最小值。
由下面的詳細(xì)描述和結(jié)合附圖，本發(fā)明的其它目的、特性和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。
圖1是表示在顆粒計(jì)數(shù)器上游設(shè)置過濾器和不設(shè)置過濾器的情況下，在滿氣瓶壓力下CF4顆粒濃度隨時(shí)間的關(guān)系圖。
圖2是說明本發(fā)明系統(tǒng)的簡圖。
圖3是設(shè)有和不設(shè)溫度控制時(shí)，在滿氣瓶壓力下CF4顆粒逍度隨時(shí)間的關(guān)系圖。
圖4在表示在室溫和45℃下，4個(gè)樣品中CF4顆粒濃度之間的關(guān)系圖。
圖5是表示在設(shè)有和不設(shè)溫度控制時(shí)，在滿氣瓶壓力下HCl顆粒濃度隨時(shí)間的關(guān)系圖。
圖6是說明對于一種氣體確定最佳溫度的本發(fā)明系統(tǒng)的簡圖。
本發(fā)明提供了一種分析壓縮氣體中顆粒的系統(tǒng)和方法。這些顆粒可在許多不同的氣瓶壓縮氣中探測。本發(fā)明包括一種控制系統(tǒng)中顆粒生長的方法和一種確定在不同條件下對每種氣體的最佳溫度。
本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以探測許多氣瓶壓縮氣體中的顆粒濃度，包括處于飽和蒸汽壓或超臨界狀態(tài)的那些。本方法明顯降低了伴隨由分子成束或氣相物質(zhì)凝聚形成顆粒的后生物。否則，化學(xué)氣體中的真實(shí)顆粒雜質(zhì)將被這些高濃度的后生物顆粒掩蓋，使得測量變得困難。
通過降低粘附的幾率可以避免由分子成束或凝聚而形成顆粒。由本發(fā)明，通過在分析氣體時(shí)改變操作條件可獲得這種效果。通過控制濃度可降低粘附的幾率，由此降低顆粒生長過程。
許多壓縮氣體都適合用于本發(fā)明。合適的氣體包括電子特殊氣體(“ESG”)，它通常以低于3000磅每平方英寸(“psi”)(200bar)的壓力裝在氣瓶內(nèi)。ESG中的金屬雜質(zhì)在微電子制造工藝中尤其關(guān)鍵。合適的氣體有惰性氣體，如N2，Ar，He，等；腐蝕性氣體如Cl2、HCl、BCl3、HBr、SF6、CF4、C2、F6等；活性氣體如SiH4、SiH2Cl2、NH3，及其它與系統(tǒng)材料相容的氣體等。
優(yōu)選的設(shè)定溫度取決于氣體的類型、氣瓶壓力和排放氣體流速。溫度設(shè)定直接與氣體排放流速相關(guān)。流速越高，為了蒸發(fā)后生物顆粒所需溫度越高。優(yōu)選的設(shè)定溫度可如下所述對每種應(yīng)用單獨(dú)測定，并最好不超過250℃。將溫度設(shè)定到預(yù)定的優(yōu)選溫度下，并在取樣之前使系統(tǒng)在預(yù)定取樣流速下達(dá)到平衡。
如圖2所示，根據(jù)U.S.專利No.5209102的描述提供一種溫度控制裝置并與壓力平衡裝置結(jié)合使用，這篇專利引入本文作為參考。參考圖2，在使用這個(gè)系統(tǒng)時(shí)可以選擇兩種操作模式，即清洗模式和取樣模式。在清洗模式中，有兩條流通路徑用于一次系統(tǒng)的完全清洗。第一條流通路徑包括閥門12，閥門1，雜質(zhì)探測器8，與溫度控制器13相連的溫度區(qū)9，噴嘴7，壓力計(jì)4，閥門5和流量計(jì)6。第一條路徑的流通通過噴嘴7控制，體積流量由流量計(jì)6測定。
圖2的第二條流通路徑包括閥門12，閥門2，過濾器3，壓力計(jì)4，閥門5和流量計(jì)6。第二條路徑的流通通過閥門6控制，它通常大于第一條路徑的流速，因?yàn)檫^濾器3需要較高的沖洗流速。
可以設(shè)想首先用沖洗氣11單獨(dú)地或同時(shí)沖洗每一流通路徑。沖洗氣體必須是提純過并且過濾過的，它由惰性氣體如氮?dú)狻鍤夂秃饨M成。
可以設(shè)想，在氣體取樣開始之前，先達(dá)到壓力平衡。為此，先關(guān)閉控制氣體流向探測器的閥門1。將處于氣瓶壓力的來源氣10引入返充氣支管。應(yīng)該注意，因?yàn)殚y門1關(guān)閉3，探測器與由氣瓶來源氣10引入的沖洗氣隔絕，因?yàn)樵陂y門2的下游使用了過濾器3，由閥門2引入的雜質(zhì)也與探測器隔絕。
在壓力平衡階段以后，來源氣中的大部分由系統(tǒng)排出，其流速由閥門5控制。這個(gè)流速由流量計(jì)6測定，它可以是質(zhì)量流量計(jì)或轉(zhuǎn)子流量計(jì)。閥門5上游的壓力計(jì)4向用戶提供來源氣10的壓力。
在壓力平衡過程中，使來源氣10流通通過噴嘴7到返充氣取樣支管。返充氣繼續(xù)進(jìn)行直到控制閥1兩邊的壓力達(dá)到平衡。達(dá)到壓力平衡所需時(shí)間既可通過直流測量又可通過計(jì)算得出。直接測量通過使用裝在控制閥1兩邊的壓力差計(jì)(未示出)來完成。但是，壓力差計(jì)的安裝導(dǎo)致在探測器的前面出現(xiàn)死角，它要用專門工藝進(jìn)行清洗。任選地，人們可以用半徑驗(yàn)方程(見U.S.專利No.5209102，1993年5月公開，引入本文作為參考)來估計(jì)達(dá)到壓力平衡所需時(shí)間。
通過返充氣達(dá)到壓力平衡之后，可以通過打開通向取樣支管的閥門1，并關(guān)閉通向返充氣支管的閥門2來開始取樣?，F(xiàn)在，來源氣10的流動(dòng)直接通過探測器8和溫度區(qū)9(帶溫度控制器13)，其壓力與來源氣相同，并且流動(dòng)由噴嘴7控制。氣體的溫度保持在對實(shí)際取樣壓力和流速所設(shè)定的優(yōu)選溫度上。這個(gè)優(yōu)選溫度是可以避免后生物顆粒的溫度。作為一個(gè)優(yōu)選方案，可將噴嘴用于控制通過探測器的取樣流量。噴嘴的直徑由在探測器的特定滯留時(shí)間而確定。
顯然，隨著壓力的降低來源氣10通過探測器8的實(shí)際流速會(huì)降低。任何特定時(shí)刻的流速可以簡單地通過流速計(jì)6來測定。通過所測流速在取樣期間的積分可以很容易得到的取樣體積。
本發(fā)明的系統(tǒng)可以確定在不同壓力下給定氣體的優(yōu)選設(shè)定溫度。對氣體在超臨界狀態(tài)的顯微結(jié)構(gòu)了解不多，因此還沒有計(jì)算優(yōu)選溫度的方程。但是，優(yōu)選溫度可如下面所述通過實(shí)驗(yàn)測得。該方法可用于所有與顆粒計(jì)數(shù)器相容的氣體。參考圖6，示出了系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案，其取樣氣瓶21與壓力調(diào)節(jié)裝置22相連。出口氣體的壓力得到調(diào)整，氣體在進(jìn)入壓力平衡及溫度控制的取樣系統(tǒng)24之前先通過一個(gè)過濾器23、壓力調(diào)節(jié)器下游的顆粒過濾器除去了從氣瓶壓縮氣體和由流通工作元件和氣瓶閥門和壓力調(diào)節(jié)器中帶入的所有顆粒。經(jīng)過正常沖洗以后，取樣氣體得到調(diào)節(jié)，并在顆粒計(jì)數(shù)期間通過過濾器引入到壓力平衡、溫度控制的系統(tǒng)。合適的沖洗氣體包括氫氣、氬氣、氦氣等。
從接近環(huán)境壓力開始，建立一個(gè)最小顆粒數(shù)。然后逐漸增加壓力直至發(fā)生顆粒數(shù)的增加。在該壓力下，再逐漸提高溫度。溫度的增加應(yīng)該緩慢，以使整個(gè)系統(tǒng)保持平衡。記錄每一溫度下的顆粒數(shù)，它應(yīng)該隨著溫度的升高是降低趨勢。對該壓力下的優(yōu)選設(shè)定溫度是顆粒數(shù)達(dá)到最低時(shí)的溫度。壓力進(jìn)一步增加，為獲得最低顆粒數(shù)要求更高的優(yōu)選設(shè)定溫度。重復(fù)該過程，可以獲得在每一壓力下的優(yōu)選設(shè)定溫度。
實(shí)施例1對滿氣瓶壓力下的CF4壓縮氣體進(jìn)行顆粒濃度測定。從氣瓶放出處于超臨界狀態(tài)的氣體，并在壓力平衡取樣系統(tǒng)進(jìn)行30分鐘的顆粒濃度測試。結(jié)果列于圖1，是用“未用過濾器”符號表示的數(shù)據(jù)，它表示處于超臨界狀態(tài)的氣體具有高的顆粒濃度。
即使在顆粒計(jì)數(shù)器上游設(shè)置了高效顆粒過濾器，顆粒數(shù)仍然幾乎相同(見圖1中“帶過濾器”的數(shù)據(jù))。
比較這些結(jié)果顯示記錄的顆粒有伴隨由分子成束或氣相物質(zhì)凝聚而形成顆粒的后生物。因?yàn)檫@些后生物顆粒的濃度很高，化學(xué)氣體中的真實(shí)顆粒雜質(zhì)被掩蓋并且不容易測定。
實(shí)施例2使用本發(fā)明的分析系統(tǒng)(它包括如圖2所示的溫度控制裝置和壓力平衡裝置)來取樣CF4瓶壓縮氣。在外流氣體帶有溫度控制和不帶溫度控制的情況下，對滿壓力下的CF4氣瓶壓縮氣的顆粒濃度進(jìn)行30分鐘測量。將溫度設(shè)定在預(yù)定的溫度下，并在取樣開始前使系統(tǒng)在要求取樣的流速下達(dá)到平衡。結(jié)果列于圖3。
在環(huán)境溫度下，在外流氣體中探測到相當(dāng)于5000顆粒/標(biāo)準(zhǔn)立方英尺(“scf”)的顆粒溫度。這些對比結(jié)果在圖3中用“未加熱”數(shù)據(jù)點(diǎn)來表示。
根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)外流氣體的溫度保持在45°時(shí)，顆粒濃度降至低于10顆粒/scf。這些結(jié)果在圖3中用“加熱”數(shù)據(jù)點(diǎn)來表示。
實(shí)施例3按照實(shí)施例2的步驟取樣CF4氣瓶壓縮氣，以測定本發(fā)明方法的可重復(fù)性。圖4列出了用本發(fā)明方法在室溫下對四個(gè)對比樣品和在45℃控制溫度下對四個(gè)樣品的測量結(jié)果。在四個(gè)樣品中的任何一個(gè)，根據(jù)本發(fā)明當(dāng)溫度控制在45℃時(shí)，顆粒數(shù)減少大約104數(shù)量級。
實(shí)施例4根據(jù)本發(fā)明方法，按照實(shí)施例2的步驟取樣HCl氣瓶壓縮氣。溫度控制在100℃。HCl以液體送入氣瓶中，從頭部空間抽取氣態(tài)HCl用于不同應(yīng)用。在外流氣體帶溫度控制和不帶溫度控制時(shí)對處于滿壓力下的HCl氣瓶中的顆粒濃度進(jìn)行30分鐘測量。將溫度設(shè)定在預(yù)定溫度下，并在取樣開始前使系統(tǒng)在預(yù)定的取樣流速下達(dá)到平衡，結(jié)果列于圖5。
在室溫下，在外流氣體中測得大約200000顆粒/分鐘的顆粒濃度。這些對比結(jié)果在圖5中用“室溫”標(biāo)記的數(shù)據(jù)點(diǎn)來表示。
當(dāng)根據(jù)本發(fā)明，外流氣體的溫度控制在100℃時(shí)，顆粒數(shù)降至1000顆粒/分鐘。
實(shí)施例5用本發(fā)明的方法來確定在不同壓力下給定氣體的最佳設(shè)定溫度。以下方法用實(shí)驗(yàn)來確定最佳設(shè)定溫度。這個(gè)方法是通用的并且可用于與顆粒計(jì)數(shù)器相容的所有氣體。適合用于本發(fā)明方法的一種裝置示于圖6。
位于壓力調(diào)節(jié)器下游的顆粒過濾器除去了由氣瓶壓縮氣和由流動(dòng)操作元件如氣瓶閥和壓力調(diào)節(jié)器中帶來的所有顆粒。在常規(guī)沖洗以后，樣品氣體被控制并通過過濾器引入到壓力平衡、溫度控制系統(tǒng)中，并測量顆粒數(shù)。從接近環(huán)境壓力開始，建立一個(gè)最小顆粒數(shù)。然后逐漸增加壓力直至發(fā)生顆粒數(shù)的增加。在該壓力下，再逐漸提高溫度。溫度的增加應(yīng)該緩慢，以使整個(gè)系統(tǒng)保持平衡。記錄每一溫度下的顆粒數(shù)，它應(yīng)該隨著溫度的升高是降低趨勢。對該壓力下的優(yōu)選設(shè)定溫度是顆粒數(shù)達(dá)到最低時(shí)的溫度。壓力進(jìn)一步增加，為獲得最低顆粒數(shù)要求更高的優(yōu)選設(shè)定溫度。重復(fù)該過程，可以獲得在每一壓力下的優(yōu)選設(shè)定溫度。
設(shè)定溫度取決于氣體的種類，氣瓶內(nèi)壓力和氣體排放流速。流速越高，蒸發(fā)后生物顆粒所需設(shè)定溫度越高。應(yīng)該可以通過如上所述的分別測定每種情況下的設(shè)定溫度，它優(yōu)選不超過250℃。
權(quán)利要求
1.一種分析壓縮氣體中雜質(zhì)的系統(tǒng)，包括測量所述氣體中雜質(zhì)的探測器，一個(gè)溫度控制器，在所述氣體進(jìn)入探測器之前控制該氣體的溫度，一個(gè)壓力平衡裝置，它包括位于所說壓縮氣體源和探測器之間的第一閥門，用來將上述氣體引入該系統(tǒng)的第二閥門，位于上述第二閥門下游的、用于基本上除去在來源氣中和/或由上游元件引入的雜質(zhì)的，一個(gè)用來控制上述氣體從該系統(tǒng)的排放的位于上述過濾器下游的第三閥門和一個(gè)位于上述過濾器和探測器之間的噴嘴，用來向探測器返充上述氣體，直至在上述第一閥門兩邊的壓力達(dá)到平衡。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括一個(gè)位于上述第一閥門兩端的壓力差計(jì)，它用來測定第一閥門兩端的壓力何時(shí)達(dá)到平衡，這標(biāo)志著上述氣體向探測器的返充已經(jīng)完成。
3.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括一個(gè)位于上述第三閥門下游的流量計(jì)。
4.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括位于上述第一和第二閥門上游的沖洗氣體源。
5.權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所說的沖洗氣體是N2、Ar或He。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述的壓縮氣體是N2、Ar、He、Cl2、HCl、BCl3、HBr、SF6、CF4、C2F6、SiH4、SiH2Cl2或NH3。
7.一種在高壓下分析壓縮氣體中顆粒的方法，包括(a)將壓縮氣體源引入權(quán)利要求1的系統(tǒng)中，關(guān)閉所述第一閥門和第三閥門，使上述壓縮氣體經(jīng)過所說第二閥門，過濾器和噴嘴、經(jīng)過足夠長的時(shí)間使上述第一閥門兩端壓力相等并達(dá)到預(yù)定值。(b)一旦上述第一閥門兩端的壓力相等并達(dá)到預(yù)定值，打開上述第一閥門和第三閥門，使上述壓縮氣體通過上述噴嘴和所說溫度區(qū)；(c)使通過上述溫度區(qū)的氣體溫度保持在預(yù)定數(shù)值；(d)在氣體通過上述第三閥門從系統(tǒng)中排出之前，使該氣體通過上述探測器。
8.權(quán)利要求7的方法，在開始引入上述壓縮氣體之前，將沖洗氣體引入該系統(tǒng)中。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所說的沖洗氣體是N2、Ar或He。
10.權(quán)利要求7的方法，其中所說的預(yù)定溫度值是可以避免由分子成束和氣體凝聚形成顆粒的溫度。
11.一種分析壓縮氣體中雜質(zhì)的方法，包括(a)將壓縮氣體引入一個(gè)包含測定氣體中顆粒濃度的探測器的系統(tǒng)中；(b)使上述引入氣體中的壓力與預(yù)定值相等；(c)保持上述氣體溫度于一希望定值；和(d)檢測氣體的顆粒雜質(zhì)含量。
12.權(quán)利要求11的方法，在開始引入壓縮氣體之前，將沖洗氣體引入上述系統(tǒng)。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所說沖洗氣體是N2、Ar或He。
14.權(quán)利要求11的方法，其中所說的優(yōu)選溫度值為可以避免由分子成束和氣體凝聚形成顆粒的溫度。
15.權(quán)利要求11的方法，其中所述的壓縮氣體是N2、Ar、He、Cl2、HCl、BCl3、HBr、SF6、CF4、C2F6、SiH4、SiH2Cl2或NH3。
16.一種確定在給定壓力下分析壓縮氣體的雜質(zhì)含量的最佳溫度的方法，包括通過過濾器，將處于第一壓力和第一溫度下的壓縮氣體引入顆粒探測器；監(jiān)測氣體中的顆粒數(shù)；和監(jiān)測顆粒數(shù)的同時(shí)提高溫度，直到顆粒數(shù)接近最小值，其中在第一壓力下的最佳溫度為顆粒數(shù)達(dá)到最小時(shí)的溫度。
17.權(quán)利要求16的方法，在開始引入上述壓縮氣體之前，將沖洗氣體引入該系統(tǒng)。
18.權(quán)利要求16的方法，還包括引入處于第二壓力下的壓縮氣體源；監(jiān)測氣體中的顆粒數(shù)，和
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分析壓縮氣體中雜質(zhì)的系統(tǒng)和方法，一種控制監(jiān)測氣體中顆粒生長的方法和一種確定對各種氣體最佳監(jiān)測溫度的方法。
文檔編號G01N7/00GK1118438SQ9510570
公開日1996年3月13日 申請日期1995年5月10日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月10日
發(fā)明者王華馳, 理查德J·尤迪沙茨 申請人:喬治·克勞德方法的研究開發(fā)空氣股份有限公司