CN103267705A - 材料分压放气率测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料分压放气率测量系统及其测量方法，系统包括抽气泵组、超高真空室、测试室、两个质谱计、两个角阀和样品室，抽气泵组用于对超高真空室抽真空，样品室用于放置样品，测试室通过小孔与超高真空室连接，两个质谱计分别与所述超高真空室和测试室相连，超高真空室和测试室还分别通过两个角阀与样品室相连接。本发明的测量方法是通过测得在样品室放入样品和未放入样品、两个角阀一开一关所排列组合成的四个状态的气体组分分压来计算出样品的分压放气率。本发明能够动态、实时、准确地测量材料的分压放气率和总放气率。

Description

材料分压放气率测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种材料分压放气率测量系统及其测量方法，属于测量技术领域。

背景技术

固体材料在大气环境下能溶解、吸附一些气体，放置于真空环境中就会因解析等过程而放气。在真空系统中，材料放出的气体会带来不可忽视的负面影响。特别地，对于极紫外光刻机(EUVL)、太空望远镜等设备的研制，材料放出的碳氢化合物的分压放气率至关重要。因此，材料放气率及其放气成分的分压放气率成为选用和评价真空材料的重要性能指标。

中国专利CN101696923B的说明书中公开了一种双测试室测量材料放气率的装置和方法。如图1所示，其包括抽气泵组101、超高真空室102、第一小孔103、第二小孔104、真空角阀105、真空角阀106、分离规107、对称的第一测试室108和第二测试室109、两个直通阀110和111以及样品室112。

该装置采用分离规测量小孔两侧的压力，针对氮气计算小孔流导，因此测得的仅仅是材料的等效氮放气率，而非真实放气率，更无法测量材料放气组分的分压放气率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了准确、全面的测量和评价真空材料的放气性能，必须解决以下几个问题：(1)尽可能消除真空规X射线效应、电子激励脱附效应及化学效应等对测试过程的影响；(2)动态、实时、准确测量材料放气组分及其分压放气率；(3)动态、实时、准确测量材料总放气率。

(二)技术方案

本发明提出一种材料分压放气率测量系统，包括抽气泵组、超高真空室和样品室，所述抽气泵组与超高真空室直接连接，用于对所述超高真空室抽真空，所述样品室用于放置样品；所述材料分压放气率测量系统还包括：测试室，其通过小孔与所述超高真空室连接；第一质谱计和第二质谱计，其分别与所述超高真空室和测试室相连接；第一角阀和第二角阀，所述超高真空室和所述测试室分别通过所述第一角阀和第二角阀与所述样品室相连接。

根据本发明的一种具体实施方式，所述小孔的孔径为5.7mm～14.0mm。

本发明还提出一种材料分压放气率测量方法，应用于上述材料分压放气率测量系统，方法包括如下步骤：步骤S1、测量所需测量分压放气率的材料的样品的表面面积；步骤S2、将所述样品放入样品室内，打开第一角阀和第二角阀，启动所述抽气泵组对超高真空室进行抽气，同时对所述样品室、测试室和超高真空室进行高温烘烤除气；步骤S3、保持第二角阀开启，关闭第一角阀，将样品在样品室中放出的气体引入到测试室中，并等待一段时间以至样品室、测试室和超高真空室的压力保持不变，然后利用第二质谱计和第一质谱计分别测得测试室和超高真空室内某一气体组分的分压；步骤S4、打开第一角阀，关闭第二角阀，将样品在样品室中放出的气体引入到超高真空室中，并等待一段时间以至样品室、测试室和超高真空室的压力保持不变，然后利用第二质谱计和第一质谱计分别测量测试室和超高真空室内所述气体组分的分压；步骤S5、从样品室中取出所述样品，然后重复步骤S3和S4，得到取出样品后两种状态下的测试室和超高真空室内所述气体组分的分压，该两种状态为“第二角阀开启、第一角阀关闭”和“第一角阀开启、第二角阀关闭”；步骤S6、根据步骤S3～步骤S5测得的各个状态下测试室和超高真空室内所述气体组分的分压计算样品对该气体组分的分压放气率。

根据本发明的一种具体实施方式，在测量所述样品之前，对样品进行预处理。

根据本发明的一种具体实施方式，在步骤S6中，通过下述公式来计算所述气体组分的分压放气率： $q_i=\frac{Q_{i,4}}{A}=\frac{C_i\×(P_{i,6}-P_{i,6}^{\′})-Q_{i,3}}{A}=\frac{C_i\×(P_{i,6}+p_{i,6}^{\′}-P_{i,6}^{\′}-p_{i,6})}{A},$ 其中，q_i为样品对气体组分i的分压放气率，A为样品的表面积，C_i为小孔对组分i的流导，P_i，6为样品放入样品室中且打开第二角阀、关闭第一角阀时的测试室内气体组分i的分压，

为样品放入样品室中且打开第一角阀、关闭第二角阀时测试室内的气体组分i的分压，Q_i，3为样品室对气体组分i的放气量，p_i，6为样品未放入样品室中且打开第二角阀、关闭第一角阀时的测试室内气体组分i的分压，

为样品未放入样品室中且打开第一角阀、关闭第二角阀时测试室内的气体组分i的分压。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提出的测量系统能够消除质谱计X射线效应、电子激励脱附效应及化学效应带来的负面影响，准确测量材料放气组分，并能动态、实时、准确地测量材料的分压放气率和真实的总放气率。

附图说明

图1为现有的一种材料放气率测量系统的结构原理图；

图2为本发明的材料分压放气率测量系统的结构原理图。

具体实施方式

本发明提出一种材料分压放气率测量系统。该系统包括超高真空室、样品室和测试室，超高真空室与测试室通过小孔相连通，超高真空室、测试室通过角阀分别与样品室相连接。本发明以质谱计为测量仪器，通过变换气体的流通路径，能够实时测量样品放气组分的放气量，进而计算样品的分压放气率和总放气率。具体来说，是通过测得在样品室放入样品和未放入样品、两个角阀一开一关所排列组合成的四个状态的气体组分分压来计算出样品的分压放气率。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图2为本发明的材料分压放气率测量系统的结构原理图。如图2所示，材料分压放气率测量系统主要包括抽气泵组1、超高真空室2、第一质谱计3、第二质谱计4、小孔5、测试室6、第一角阀7、第二角阀8和样品室9。

抽气泵组1与超高真空室2直接连接，用于对超高真空室2进行抽真空。

超高真空室2与测试室6通过小孔5相连通，小孔5的孔径由所需的气体流导决定，在一种具体实施方式中，其可以取5.7mm～14.0mm的范围，例如，可以为8.2mm。

第一质谱计3、第二质谱计4分别与超高真空室2、测试室6相连接，用于测量小孔5两侧，即超高真空室2、测试室6中的某一气体成分的分压。

超高真空室2、测试室6分别通过第一角阀7和第二角阀8与样品室9相连接。通过开、关角阀7、8，可以实现气体流通路径的转换；

样品室9用于放置样品10。

本发明的材料分压放气率测量系统的各个组成部件，如真空室、密封法兰、气体管道、小孔等，均采用低放气率的金属加工而成，如316牌号不锈钢。测量系统的焊接均采用氩弧自熔焊。法兰接口全部采用金属密封，耐高温烘烤，漏率极小，能够达到较高真空。

利用本发明的材料分压放气率测量系统测量材料分压放气率的方法包括如下步骤：

步骤S1、测量所需测量分压放气率的材料的样品的表面面积。

在测量之前，需要对样品10进行预处理，并测量得到其表面面积A。所述预处理流程一般包括溶剂清洗、冲洗、真空烘烤、超声清洗、大气压烘烤等。

步骤S2、将所述样品放入样品室内，打开第一角阀和第二角阀，启动抽气泵组对超高真空室进行抽气，同时对系统的样品室、测试室和超高真空室进行高温烘烤除气。

在该步骤中，进行高温烘烤能获得一个较小的本底。当完成一个烘烤周期后，关闭高温烘烤系统。

步骤S3、保持第二角阀开启，关闭第一角阀，将样品在样品室中放出的气体引入到测试室中，并等待一段时间以至样品室、测试室和超高真空室的压力保持不变，然后利用第二质谱计和第一质谱计分别测得测试室和超高真空室内某一气体组分的分压。

步骤S4、打开第一角阀，关闭第二角阀，将样品在样品室中放出的气体引入到超高真空室中，并等待一段时间以至样品室、测试室和超高真空室的压力保持不变，然后利用第二质谱计和第一质谱计分别测量测试室和超高真空室内所述气体组分的分压。

步骤S5、从样品室中取出所述样品，然后重复步骤S3和S4，得到取出样品后两种状态下的测试室和超高真空室内所述气体组分的分压，该两种状态为“第二角阀开启、第一角阀关闭”和“第一角阀开启、第二角阀关闭”。

步骤S6、根据步骤S3～步骤S5测得的各个状态下测试室和超高真空室内所述气体组分的分压计算样品对该气体组分的分压放气率。

步骤S3中，在打开第二角阀8和关闭第一角阀7后，将样品10放出的气体即被引入到测试室6中。当样品室9、测试室6和超高真空室2的压力保持不变时，就形成了动态平衡；达到动态平衡后，利用第二质谱计4和第一质谱计3分别测量测试室6和超高真空室2内气体组分i的分压，在此其读数分别记为P_i，6和P_i，2。

假设气体组分i的总放气量为Q_i，0，则总放气量Q_i，0为质谱计4、测试室6、样品室9和样品10对气体组分i的放气量的和：

Q_i，0＝Q_i，1+Q_i，2+Q_i，3+Q_i，4＝C_i×(P_i，6-P_i，2)    ①

式中：Q_i，0为组分i总的放气量，Q_i，1为质谱计4对组分i的放气量，Q_i，2为测试室6对组分i的放气量，Q_i，3为样品室9对气体组分i的放气量，Q_i，4为样品10对组分i的放气量，其单位均为Pa·L/s；C_i为小孔对组分i的流导，单位为L/s；P_i，6为打开第二角阀8、关闭第一角阀7时的测试室6内气体组分i的分压，单位为Pa；P_i，2为打开第二角阀8、关闭第一角阀7时，超高真空室2内气体组分i的分压，单位为Pa。

在步骤S4中，在打开第一角阀7、关闭第二角阀8后，将样品10放出的气体引入到超高真空室2中。当样品室9、测试室6和超高真空室2的压力保持不变时，就形成了动态平衡。达到动态平衡后，利用第二质谱计4和第一质谱计3分别测量测试室6和超高真空室2内所述气体组分i的分压，读数分别记为

和

可得到质谱计4和测试室6对气体组分i的放气量为：

$Q_{i,0}^{\′}=Q_{i,1}+Q_{i,2}=C_i\×(P_{i,6}^{\′}-P_{i,2}^{\′})$ ②

式中：

为质谱计4和测试室6对组分i的放气量，单位为Pa·L/s，

为打开第一角阀7、关闭第二角阀8时，测试室6内气体组分i的分压，单位为Pa；

为打开第一角阀7、关闭第二角阀8时，超高真空室2内气体组分i的分压，单位为Pa。

测试室6内的气体组分i的分压力取决于测量系统的组分i放气量和抽气泵组对组分i的抽速，在测试过程中可以认为是常值，也就是

则①-②可得：

$Q_{i,0}-Q_{i,0}^{\′}=Q_{i,3}+Q_{i,4}=C_i\×(P_{i,6}-P_{i,6}^{\′})$ ③

在步骤S5中，取出样品并重复步骤S3和S4，再次测量取出样品后两种状态下的测试室6和超高真空室2内所述气体组分i的分压，该两种状态为“第二角阀开启、第一角阀关闭”和“第一角阀开启、第二角阀关闭”。这两种状态下测得的测试室6的气体组分i的分压分别记为p_i，6、

超高真空室2的气体组分i的分压分别记为p_i，2、

类似前式③可得，由于未放入样品，Q_i，4为0，由此可得

这样就得到了样品室9对气体组分i的放气量Q_i，3，通过下式可得到样品10对气体组分i的放气量：

$Q_{i,4}=Q_{i,0}-Q_{i,0}^{\′}-Q_{i,3}$ ④

由此，气体组分i的分压放气率：

$q_i=\frac{Q_{i,4}}{A}=\frac{C_i\×(P_{i,6}-P_{i,6}^{\′})-Q_{i,3}}{A}=\frac{C_i\×(P_{i,6}-P_{i,6}^{\′})-C_i\×(p_{i,6}-p_{i,6}^{\′})}{A},$

即 $q_i=\frac{C_i\×(P_{i,6}+p_{i,6}^{\′}-P_{i,6}^{\′}-p_{i,6})}{A}$ ⑤

式中：q_i为样品10对气体组分i的分压放气率，单位为Pa·L/(s·cm²)，A为样品10表面积，单位为cm²。

因此，通过上述步骤S1～S6，可以测得样品10各放气组分的分压放气率，各组分分压放气率之和就是总放气率，也即：

$q={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{q}_i$ ⑥

式中：q为样品10总放气率，单位为Pa·L/(s·cm²)；n为样品10放气组分种类数目。

由公式③和⑤可知，参与计算的分压力都是由质谱计4测得的，并且前后两次测试数据进行了相减，这就有效抵消了质谱计x射线效应、电子激励脱附效应及化学效应等带来的负面影响，进而能够准确测量材料放气组分。

此外，质谱计测得的分压力是气体组分的真实分压力，参与计算的C_i是小孔对相应气体组分的真实流导，因此测得的分压放气率和总放气率是材料的真实放气率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种材料分压放气率测量系统，包括抽气泵组(1)、超高真空室(2)和样品室(9)，所述抽气泵组(1)与超高真空室(2)直接连接，用于对所述超高真空室(2)抽真空，所述样品室(9)用于放置样品(10)；其特征在于：所述材料分压放气率测量系统还包括：

测试室(6)，其通过小孔(5)与所述超高真空室(2)连接；

第一质谱计(3)和第二质谱计(4)，其分别与所述超高真空室(2)和测试室(6)相连接。

第一角阀(7)和第二角阀(8)，所述超高真空室(2)和所述测试室(6)分别通过所述第一角阀(7)和第二角阀(8)与所述样品室(9)相连接。

2.一种材料分压放气率测量系统，其特征在于：所述小孔的孔径为5.7mm～14.0mm。

3.一种材料分压放气率测量方法，应用于权利要求1所述的材料分压放气率测量系统，其特征在于包括如下步骤：

步骤S1、测量所需测量分压放气率的材料的样品的表面面积；

步骤S2、将所述样品放入样品室(9)内，打开第一角阀(7)和第二角阀(8)，启动所述抽气泵组(1)对超高真空室(2)进行抽气，同时对所述样品室(9)、测试室(6)和超高真空室(2)进行高温烘烤除气；

步骤S3、保持第二角阀(8)开启，关闭第一角阀(7)，将样品在样品室(9)中放出的气体引入到测试室(6)中，并等待一段时间以至样品室(9)、测试室(6)和超高真空室(2)的压力保持不变，然后利用第二质谱计(4)和第一质谱计(3)分别测得测试室(6)和超高真空室(2)内某一气体组分的分压；

步骤S4、打开第一角阀(7)，关闭第二角阀(8)，将样品在样品室(9)中放出的气体引入到超高真空室(2)中，并等待一段时间以至样品室(9)、测试室(6)和超高真空室(2)的压力保持不变，然后利用第二质谱计(4)和第一质谱计(3)分别测量测试室(6)和超高真空室(2)内所述气体组分的分压；

步骤S5、从样品室(9)中取出所述样品，然后重复步骤S3和S4，得到取出样品后两种状态下的测试室(6)和超高真空室(2)内所述气体组分的分压，该两种状态为“第二角阀开启、第一角阀关闭”和“第一角阀开启、第二角阀关闭”；

步骤S6、根据步骤S3～步骤S5测得的各个状态下测试室和超高真空室内所述气体组分的分压计算样品对该气体组分的分压放气率。

4.如权利要求3所述的材料分压放气率测量方法，其特征在于：在测量所述样品之间，对样品进行预处理。

5.如权利要求3所述的材料分压放气率测量方法，其特征在于：在步骤S6中，通过下述公式来计算所述气体组分的分压放气率： $q_i=\frac{Q_{i,4}}{A}=\frac{C_i\×(P_{i,6}-P_{i,6}^{\′})-Q_{i,3}}{A}=\frac{C_i\×(P_{i,6}+p_{i,6}^{\′}-P_{i,6}^{\′}-p_{i,6})}{A},$ 其中，q_i为样品对气体组分i的分压放气率，A为样品的表面积，C_i为小孔(5)对组分i的流导，P_i，6为样品放入样品室(9)中且打开第二角阀(8)、关闭第一角阀(7)时的测试室(6)内气体组分i的分压，

为样品放入样品室(9)中且打开第一角阀(7)、关闭第二角阀(8)时测试室(6)内的气体组分i的分压，Q_i，3为样品室(9)对气体组分i的放气量，p_i，6为样品未放入样品室(9)中且打开第二角阀(8)、关闭第一角阀(7)时的测试室(6)内气体组分i的分压，为样品未放入样品室(9)中且打开第一角阀(7)、关闭第二角阀(8)时测试室(6)内的气体组分i的分压。

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