專利名稱：：高純氣體(電子氣)中痕量氣態(tài)雜質(zhì)分析方法和儀器的制作方法高純氣體(電子氣)中痕量氣態(tài)雜質(zhì)分析方法和儀器本發(fā)明涉及與過去傳統(tǒng)制冷方法不同的的測(cè)試氣體中痕量水雜質(zhì)分析方法和常規(guī)氣相色譜儀中附加濃縮氣體取樣器的高純氣體中痕量氣態(tài)雜質(zhì)分析和裝置?，F(xiàn)有的鏡面露點(diǎn)的制冷方法有半導(dǎo)體制冷和氣吹液氮2種方法，最低測(cè)試氣體中痕量水也只能到-80-10(TC。半導(dǎo)體制冷方法隨著制冷溫度的降低，儀器的價(jià)格就越來越貴。我們研制的制冷方法與上述2種制冷方法的特征相比結(jié)果見表l:<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>表1本專利的制冷方法是在"中華人民共和國(guó)電子工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)SJ2799-87"第11頁2幅圖所示(參見實(shí)用新型專利申請(qǐng)說明書88217268.9申請(qǐng)?zhí)?的方法和儀器的基礎(chǔ)上而更趨完善。測(cè)試氣體中痕量水的方法主要有電解、電容和露點(diǎn)等3種方法，這3種方式優(yōu)缺點(diǎn)見表2:<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>f實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試到-130'C。表2為了實(shí)施測(cè)試氣體中痕量水的靈敏度，控制降溫速度是測(cè)試低含水量的重要手段。當(dāng)氣體中痕量水的露點(diǎn)低到-8(TC以下時(shí)，痕量水在冷的鏡面上的凝結(jié)(沉積)將變得很緩慢，同時(shí)，露點(diǎn)的外形不顯示成"露珠"狀，而是一層薄薄的霧狀"膜"。這時(shí)如果按常規(guī)控制鏡面溫度的降溫速率，即2—5tV分，則會(huì)影響露點(diǎn)測(cè)試的準(zhǔn)確性。這是因?yàn)閺撵F狀"膜"的生長(zhǎng)到目視或光電儀器能檢測(cè)到這一過程有一定的時(shí)間。下面就露點(diǎn)法測(cè)試高純氣體中低于-80°C的方法進(jìn)行敘述。這里我引入2個(gè)物理量t"成露時(shí)間(鏡面上開始形成霧狀"膜"到目視或光電儀器能檢測(cè)到的時(shí)間)，以秒表示；t2，控制鏡面溫度下降的時(shí)間，以秒表示。當(dāng)測(cè)定氣體中高于-7(TC露點(diǎn)的水分時(shí)，成露過程是很快的一瞬間，其露的外形是很細(xì)小的水珠，所以t,時(shí)間很小；當(dāng)測(cè)低于-8(TC露點(diǎn)的水分時(shí)，其露將變成霧狀"膜"，t2值較大。t2是可以測(cè)量的具體值，該數(shù)值為12-30秒(即降溫速率控制為2—5XV分時(shí))。承認(rèn)這2個(gè)物理量對(duì)于研發(fā)高靈敏度的露點(diǎn)的測(cè)試方法和儀器是很重要的。經(jīng)典的露點(diǎn)測(cè)試一般是-7(TC左右，當(dāng)人類進(jìn)入90年代，高科技要求電子氣體雜質(zhì)的含量一般是PPB級(jí)。對(duì)高純氣體中痕量水含量為-90°C(O.IPPM)，再用經(jīng)典的2—5'C/分降溫速率已經(jīng)不行了。這時(shí)只有增加t2時(shí)間(即控制降溫速率在2。C/分以下)，以便與t,值相匹配。S卩t2》t,，根據(jù)上述理論推算，露點(diǎn)高于-7(TC的氣體，其t,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于12秒，但是本人相信用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和光電儀器，對(duì)t,能近似的進(jìn)行測(cè)定。t,的大小很大程度上取決于氣體流速和氣體中存在的顆粒(Particles),這些顆粒是成露的"核"心。目前只能模擬用下列晶核的吉布斯-湯姆遜公式來表示。Y氺二丄Y"^/、式中^*=晶核半徑'與t,成止比；「Y-晶體界面能；0=分子體積；P-氣相化學(xué)勢(shì)Pf晶體化學(xué)勢(shì)；K-波爾茲經(jīng)常數(shù)；T^色對(duì)溫度。晶體成核最終還耍解決成核的速率問題，其公式為I二"PANe^H-^)式中:K-波爾茲曼常數(shù)；T=絕對(duì)溫度。Lg=成核速率；a=濃縮系數(shù)；P=蒸氣壓；M-分于量；A^臨界核面積；N-單位體積的分子數(shù)；AG=自由能變化。對(duì)于露點(diǎn)成長(zhǎng)，實(shí)際是非均勻的成核過程，這是因?yàn)樵谀赶鄡?nèi)存在著不均勻的懸浮顆粒。懸浮顆粒(包括冰晶粒)對(duì)成核影響很復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)室里要精確測(cè)定核化速率(即t,)是很難的，它取決于氣流速度、溫度、顆粒大小、多少與形狀和鏡面情況等因素。在實(shí)驗(yàn)室控制鏡面降溫速率，比較目視和光電結(jié)果見表3。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>*根據(jù)露點(diǎn)與PPM之間的數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式表示為logP=A-B/T(A-13.538;B-2664)計(jì)算，-130°C相當(dāng)于0.13PPB。氣相色譜儀的檢測(cè)器有很多種，即熱導(dǎo)、氫焰、火焰光度、電子捕獲、氮磷、質(zhì)譜、氦離子、氬離子、光電離子……等檢測(cè)器。這些檢測(cè)器對(duì)氣體中氣態(tài)雜質(zhì)的分析靈敏度從幾10PPM-PPB。信息技術(shù)對(duì)高純氣體(也叫電子氣)要求越來越高，其中對(duì)常用的氮、氫、氬、氧、硅垸、磷垸、硼烷、砷垸、氣態(tài)氟化物、鹵化物……等氣體的純度要求越來越高，要求雜質(zhì)分析的靈敏度為0.1PPM-0.2PPB。而高純氣體中有害雜質(zhì)主要表現(xiàn)為氧和碳的化合物，具體的指H20、02、C0、C02、C仏……等(其他直接影響芯片和電子器件性能的氣態(tài)雜質(zhì)眾多，本專利不便細(xì)述)。除H20在本專利前部分述說以外，其他如02、C0、C02、CR,……等氣態(tài)雜質(zhì)分析(C0、C02、C仏雜質(zhì)用氫焰；而02分析用氦離子、氬離子和光電離子檢測(cè)器)，分析靈敏度達(dá)到0.1PPM;02雜質(zhì)分析也可以采用氧敏檢測(cè)器(原電池和黃磷發(fā)光法)。為了分析高純氣體中PPB含量的雜質(zhì)方法和儀器一般是不多見，而且價(jià)格很昂貴。與氣相色譜儀配套的濃縮取樣器主要應(yīng)用就是解決上述的PPB含量的02、C0、C02、CH4……等雜質(zhì)分析，其特征表現(xiàn)為(1)可以用低靈敏度的熱導(dǎo)檢測(cè)器，也可以用氫焰或其他檢測(cè)器，這是為了多種檢測(cè)器對(duì)雜質(zhì)不同的靈敏度的差異和基體的干擾而統(tǒng)籌兼顧的方法。(2)濃縮取樣器內(nèi)放入不同的吸附劑，由于吸附劑對(duì)雜質(zhì)的吸附特性不同，其本身就是"小型分離色譜柱"，起到了基體和雜質(zhì)的分離作用。由于是大色譜儀套小色譜儀，基體得到更好的分離，從而使分析氣態(tài)雜質(zhì)更多，靈敏度更高。(3)氣相色譜濃縮取樣方法不僅適合應(yīng)用于02、C0、C02、CH4……等對(duì)信息技術(shù)有害氣態(tài)雜質(zhì)，也可以應(yīng)用于對(duì)其他化工領(lǐng)域的雜質(zhì)分析如N2、H2、Ar、He……等的雜質(zhì)分析。權(quán)利要求1、一種與過去傳統(tǒng)制冷方法不同的的測(cè)試氣體中痕量水含量的露點(diǎn)方法和儀器。其特征在于用液氮直接套在與鏡面連接的傳冷棒上。2、按照權(quán)利1所述的方法，控制鏡面的降溫速度，其特征是可以把測(cè)試的靈敏度提高到-12(TC以下，測(cè)試的精確度土2°C以下。3、按照權(quán)利l、2所述的方法，提高測(cè)試的靈敏度，必須用控制鏡面降溫速度(即tV分)來加以保證，其控制降溫速度可以用微機(jī)或手動(dòng)，最低為〈1-2XV分。4、一種與常規(guī)氣相色譜儀中附加濃縮氣體取樣器的高純氣體中痕量氣態(tài)雜質(zhì)的分析裝置。其特征在于比常規(guī)色譜儀分析的靈敏度要提高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。最高靈敏度達(dá)到O.IPPB。5、按照權(quán)利4要求，濃縮氣體取樣器上添加溫控裝置、置換各種吸附劑和色譜儀的切割反吹裝置的互動(dòng)使得高純氣體中雜質(zhì)分析變得非常靈活。6、按照權(quán)利4要求，可以用氫焰或其他檢測(cè)器，這是為了多種檢測(cè)器對(duì)雜質(zhì)不同的靈敏度的差異和基體的干擾而統(tǒng)籌兼顧的方法。全文摘要本發(fā)明涉及一種與傳統(tǒng)制冷方法不同的測(cè)試高純氣體(電子氣)中痕量水和與常規(guī)氣相色譜儀中附加濃縮氣體取樣器(不同吸附劑)的高純氣體中痕量氣態(tài)雜質(zhì)的分析方法和裝置。用這樣的制冷方法配合降溫速度的控制，可以把露點(diǎn)測(cè)試的靈敏度提高到-120℃以下(±2℃以下)。氣相色譜儀中附加控溫濃縮氣體取樣器的痕量氣態(tài)雜質(zhì)的分析方法和裝置(包括色譜儀的反吹切割裝置、不同檢測(cè)器的選擇)，最高靈敏度達(dá)到0.1PPB。文檔編號(hào)G01N30/02GK101097207SQ20061009061公開日2008年1月2日申請(qǐng)日期2006年6月29日優(yōu)先權(quán)日2006年6月29日發(fā)明者尹恩華申請(qǐng)人:尹恩華