CN104155417A - 一种超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统及方法，系统中超高纯气体样品气瓶通过管线连接减压阀，在管线的超高纯气体样品流动方向上，减压阀的下游还依次连接有三通流路阀，第一隔膜阀，痕量水分分析仪和第二隔膜阀；所述三通流路阀的一个端口可拆卸的连接有高真空系统。相应的前处理方法为，超高纯气体样品的简单吹扫设备之后，通过高真空系统真空处理及加热装置的加热，使设备中的水分快速排出，完成痕量水分分析前的处理工作。本发明提供的超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统及方法，能够快速排出水分，减少了超高纯气体样品的消耗，节约了检测超高纯气体的时间，提高了工作效率。

Description

一种超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统及方法

技术领域

本发明涉及超高纯气体的前处理，尤其涉及一种超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统及方法。

背景技术

在当今气体产业链当中，超高纯气体的应用越来越广泛，特别是在电子信息产业，部分超高纯气体是超大规模集成电路、平面显示器件、化合物半导体器件、太阳能电池、光纤等电子工业生产不可缺少的原材料，被用于薄膜、刻蚀、掺杂、气相沉积、扩散等工艺。此外，超高纯气体在核工业、国防等领域也有一定的应用。随着我国高新产业的快速发展，对超高纯气体品质的需求越来越高，特别是对超高纯气体中微痕量杂质的检测尤为关心。一般超高纯气体的纯度在99.9999％以上，在超高纯气体中的水分含量通常为(1-10)nmol/mol之间，有的甚至要小于0.1nmol/mol。然而在超高纯气体分析中，痕量水分是所有气体分析中最难分析的，但也是最重要的指标之一。

对制造企业，在生产流程中测量高纯气体或过程气体中的痕量水分是非常重要的，特别是对半导体器件制造厂来说尤为重要。半导体行业认识到，在使用的气体系统中气体的水分是杂质去除中遇到的最大难题之一。对于产量很大的集成电路器件生产和超大规模的集成电路器件，线宽在2μm以内的，其杂质对产品的性能有很大的影响。由于吸附在过程设备内壁上的水分很容易解吸附到流动的气体中，在这种情况下，将会很大程度上影响产品的质量。因此，半导体制造商在不断努力地减少加工过程中气体中的水分，从而保障生产产品的质量。

超高纯气体中痕量水分分析困难的原因在于环境中存在大量的水分严重干扰。现有技术中，超高纯气体样品通过管线连接减压阀，减压阀通过管线直接连接痕量水分分析仪，现有的痕量水分分析的前处理方法就是利用大量超高纯气体对管线、阀门进行吹扫，利用超高纯气体样品置换设备中的杂质气体，最后达到平衡。由于水分会吸附在管线和阀门的内壁上，因此需要大量的超高纯气体进行置换才能达到平衡。对于需要使用超高纯气体的行业，通常会用经过纯化后的气体吹扫一周以上，然后再用痕量水分分析仪进行测量，才能达到比较满意的结果。但对于实验室以及分析测试机构来说，第一没有大量的待测试的超高纯气体可用，第二，无法接受过长的分析时间。因此，如何快速分析对于超高纯气体中痕量水分一直是困扰该领域的一个难题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统，该系统能够快速排除外界环境及设备内的水分对痕量水分分析的影响，从而减少了超高纯气体样品的消耗，且缩短样品分析时间，提高工作效率。

本发明的另一个目的在于提供一种超高纯气体中痕量水分分析的前处理方法，按照该方法能够快速排除外界环境及设备内的水分对痕量水分分析的影响，从而减少了超高纯气体样品的消耗，且缩短样品分析时间，提高工作效率。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统，包括超高纯气体样品气瓶以及与其连通的管线，所述管线上安装有减压阀，在管线的超高纯气体样品的流动方向上，所述减压阀的下游还依次连接有三通流路阀，第一隔膜阀，痕量水分分析仪和第二隔膜阀；

所述三通流路阀的一个端口可拆卸的连接有高真空系统，另外两个端口分别通过管线与所述减压阀和第一隔膜阀连通。

进一步的技术方案，该系统还包括用于对所述管线、减压阀、三通流路阀进行加热的加热装置。

进一步的技术方案，所述三通流路阀的三个端口分别为端口A、端口B和端口C，其中端口C可拆卸的连接高真空系统。

进一步的技术方案，所述管线为内壁经过电子抛光处理的不锈钢管线。

进一步的技术方案，管线与减压阀、管线与三通流路阀以及管线与第一隔膜阀和第二隔膜阀之间的连接采用真空耦合辐射密封连接方式。

进一步的技术方案，所述减压阀采用死体积小的不带有压力显示的单极减压阀。

一种超高纯气体中痕量水分分析的前处理方法，所述前处理方法包括以下具体步骤：

步骤一：所述第一隔膜阀与第二隔膜阀关闭，所述三通流路阀的端口A、端口B、端口C相互连通，利用超高纯气体样品对减压阀、三通流路阀和管线进行简单的吹扫，将其内部的气体进行置换，内部气体从端口C排出；

步骤二：将所述三通流路阀端口C与高真空系统连通，利用高真空系统对管线和减压阀进行高真空处理，同时利用加热装置对所述前处理系统中的管线、减压阀、三通流路阀进行加热；

步骤三：当真空度达到要求后，将三通流路阀设置为端口A和端口B连通，打开超高纯气体样品气瓶，通过减压阀将超高纯气体压力调整到痕量水分分析仪所需的压力，然后分别打开痕量水分分析仪两端的第一隔膜阀和第二隔膜阀，开始分析超高纯气体样品。

进一步的技术方案，所述步骤二中，高真空系统为分子涡轮泵组，在进行高真空处理时，真空度可以从高真空系统上的电子真空计上得到，当真空度达到10^-7mbar以下，根据需要保持相应时间后停止高真空处理。

进一步的技术方案，所述步骤二中，在结束高真空处理前将三通流路阀在端口A、端口B和端口C连通状态与端口A和端口B连通状态之间切换2次以上。

进一步的技术方案，所述步骤二中，加热装置设置的加热温度为60℃。

本发明的有益效果：

本发明提供一种超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统及方法，在前处理系统中相较现有技术加装了三通流路阀，且所述三通流路阀与高真空系统相连，且在管线及各种阀门上设置有加热装置；所述系统在简单的吹扫后，在抽真空和加热双重作用下，使超高纯气体样品中的水分快速减小到痕量水分分析仪的要求范围内，减少了超高纯气体样品的消耗，以及节约了检测超高纯气体的时间，提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明提供的超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统示意图；

图2是本发明提供的超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统中三通流路阀的结构示意图。

其中1、超高纯气体样品气瓶；2、管线；3、减压阀；4、三通流路阀；5、高真空系统；6、第一隔膜阀；7、痕量水分分析仪；8、第二隔膜阀；9、加热带；10、端口A；11、端口B；12、端口C；13、阀柄。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

图1是本发明提供的超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统示意图。由图1所示，该系统包括由管线2连接的且在超高纯气体流动方向上依次排列的超高纯气体样品气瓶1、减压阀3、三通流路阀4、第一隔膜阀6及第二隔膜阀8，其中第一隔膜阀6与第二隔膜阀8之间连接有痕量水分分析仪7。第一隔膜阀6与第二隔膜阀8主要是防止环境中的水分进入到痕量水分分析仪7，对痕量水分分析仪7起保护作用，且隔膜阀本身结构具有死体积小和密闭性好的特点。另外在三通流路阀4的端口C12处连接有高真空系统5，该高真空系统5对管线2、减压阀3及三通流路阀4进行高真空处理，实现快速降低残留在管线2和阀门中的水分。上述系统还包括用于对所述管线2、减压阀3、三通流路阀4进行加热的加热装置。由图1所示，在管线2、减压阀3以及三通流路阀4上均缠绕有加热带9，加热带9通过对相应的结构加热，水分更容易脱离管壁、阀门壁，结合高真空的处理，水分能有效快速地被去除。此处加热装置还可以变换为其他形式，不局限为加热带。

如图2为三通流路阀的结构示意图。如图2所示，三通流路阀4包括三个端口分别为：端口A10、端口B11、端口C12。其中端口C12连接的是高真空系统5。三通流路阀4是一个特殊阀门，与普通的三通阀区别之处在于当阀柄13置于阀中部位置时，普通三通阀为关闭状态，即端口A10、端口B11和端口C12互不相通，而三通流路阀4则为全开状态，即端口A10、端口B11和端口C12全部连通，成为一个三通，三通流路阀4的另外两个状态为端口A10和端口B11或端口A10和端口C12连通。

除了增加高真空系统5及加热带9来加速水分的排除，在分析超高纯气体中的痕量水分时，管线2、减压阀3以及二者之间的连接方式的选择也很重要。不同材质及等级的管线2、阀门将直接影响分析测量的结果。因此，应选内壁经过电抛光处理的(EP级)不锈钢管线，经过电抛光的不锈钢管线内壁光滑，能够减少水分在管壁上的附着；同时超高纯气体样品与痕量水分分析仪7间连接距离应尽可能的缩短，从而减少超高纯气体样品进入痕量水分分析仪7前管线2的长度，以减少系统内部的水分含量；管线2内径的尺寸可根据进样流量进行选择，为减少水分的附着，尽量选择内径较小的管线。本发明中所用到的阀门如减压阀3、三通流路阀4等控制超高纯气体的开关，应选择死体积小和密闭性好的阀门，如减压阀3选择超高纯气体专用的减压阀，采用不带有压力显示的单极减压阀，以减小减压阀3内的死体积。管线2与各种阀门，以及管线2与管线2之间的连接也很重要，连接方式应选择焊接方式，来保证系统的密封性；不能焊接的连接处则采用VCR(真空耦合辐射密封)方式连接，如需要经常拆卸的需采用VCO(真空耦合密封圈)方式连接。

根据本发明的超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统，相应有前处理方法，其具体的步骤为：

步骤一：所述第一隔膜阀6与第二隔膜阀8关闭，所述三通流路阀4的端口A10、端口B11、端口C12相互连通，利用超高纯气体样品对减压阀3、三通流路阀4和管线2进行简单的吹扫，将其内部的气体进行置换，内部气体从端口C12排出；

步骤二：将所述三通流路阀4端口C12与高真空系统5连通，利用高真空系统5对管线2、减压阀3及三通流路阀4进行高真空处理，同时利用加热带9对所述前处理系统中的管线2、减压阀3、三通流路阀4进行加热。所述高真空系统5为采用了进口分子涡轮泵组，可快速将进样阀门与管线2中的真空度降至10^-6mbar以下，真空度可以从高真空系统5上的电子真空计上得到，一般要求达到10^-7mbar以下停止，抽真空的时间与样品测量的期望值有关，期望值越低，抽真空时间越长。一般测量水分期望值在0.1μmol/mol以上，抽真空时间控制在2-3h，0.01μmol/mol以下时，抽真空时间延长至12h或更长时间；在结束高真空处理前将三通流路阀4在端口A10、端口B11和端口C12连通状态与端口A10和端口B11连通状态之间切换2次以上，防止在两个状态之间切换时的杂质气体对系统产生影响；另外加热带9的加热温度设置为60摄氏度，既保证加热效果，又保证设备的密封性及使用寿命；

步骤三：当真空度达到要求后，将三通流路阀4设置为端口A10和端口B11连通，打开超高纯气体样品气瓶1，通过减压阀3将超高纯气体压力调整到痕量水分分析仪7所需的压力，然后分别打开痕量水分分析仪7两端的第一隔膜阀6和第二隔膜阀8，开始分析超高纯气体样品。

以下我们通过对超高纯氮气(99.9999％)来实施本方法，达到对超高纯氮气前处理的目的。选取的超高纯氮气(99.9999％)其水分含量小于1ppb，分别利用本发明和现有技术的系统及方法对超高纯氮气进行前处理，对比二者的效果。

根据本发明的超高纯气体中痕量水分分析的前处理方法，本实施例的处理方法为：

步骤一：所述第一隔膜阀6与第二隔膜阀8关闭，所述三通流路阀4的端口A10、端口B11、端口C12相互连通，利用超高纯氮气样品对减压阀3、三通流路阀4和管线2进行简单的吹扫，将其内部的气体进行置换，内部气体从端口C12排出；

步骤二：将所述三通流路阀4端口C12与高真空系统5连通，利用高真空系统5对管线2、减压阀3及三通流路阀4进行高真空处理15h，同时利用加热带9对所述前处理系统中的管线2、减压阀3、三通流路阀4进行加热，加热温度设置为60℃；

步骤三：经过15h的真空处理后，将三通流路阀4设置为端口A10和端口B11连通，调节减压阀3将超高纯氮气流量调整为2L/min，然后分别打开痕量水分分析仪7两端的第一隔膜阀6和第二隔膜阀8，开始分析超高纯氮气样品，测得6小时后气体样品中水分的测量值小于1ppb。

最终消耗超高纯氮气约720L。

对比实施例

现有技术中的超高纯氮气的检测系统，主要包括超高纯气体样品气瓶，其通过管线依次连接减压阀、痕量水分分析仪。相应的前处理方法为：超高纯氮气的流量控制在2L/min，利用超高纯氮气冲洗减压阀20次，冲洗管线10min，然后利用痕量水分分析仪开始对流经所述减压阀和管线的气体进行分析，测得经过30小时后水分含量的测量值小于1ppb。最终消耗超高纯氮气约3600L。

综合以上数据得知，现有技术的前处理方法总共用时30h以上，消耗的超高纯氮气约3600L；而本发明的前处理方法总共用时21h，消耗的超高纯氮气约720L，约为现有技术中使用超高纯氮气体积的1/5。从而得出，本发明所提供的实施例能够很大程度上节约超高纯气体样品，且能够节约超高纯气体前处理时间，提高工作效率。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统，包括超高纯气体样品气瓶(1)以及与其连通的管线(2)，管线(2)上安装有减压阀(3)，其特征在于，在管线(2)的超高纯气体样品的流动方向上，减压阀(3)的下游还依次连接有三通流路阀(4)，第一隔膜阀(6)，痕量水分分析仪(7)和第二隔膜阀(8)；

所述三通流路阀(4)的一个端口可拆卸的连接有高真空系统(5)，另外两个端口分别通过管线(2)与所述减压阀(3)和第一隔膜阀(6)连通。

2.根据权利要求1所述的超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统，其特征在于，还包括用于对所述管线(2)、减压阀(3)、三通流路阀(4)进行加热的加热装置。

3.根据权利要求1所述的超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统，其特征在于，所述三通流路阀(4)的三个端口分别为端口A(10)、端口B(11)和端口C(12)，其中端口C(12)可拆卸的连接高真空系统(5)。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统，其特征在于，所述管线(2)为内壁经过电子抛光处理的不锈钢管线。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统，其特征在于，管线(2)与减压阀(3)、管线(2)与三通流路阀(4)以及管线(2)与第一隔膜阀(6)和第二隔膜阀(8)之间的连接方式采用真空耦合辐射密封方式连接。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的超高纯气体中痕量水分分析的前处理系统，其特征在于，所述减压阀(3)采用死体积小的不带有压力显示的单极减压阀。

7.一种超高纯气体中痕量水分分析的前处理方法，其特征在于，所述前处理方法包括以下具体步骤：

步骤一：所述第一隔膜阀(6)与第二隔膜阀(8)关闭，所述三通流路阀(4)的端口A(10)、端口B(11)、端口C(12)相互连通，利用超高纯气体样品对减压阀(3)、三通流路阀(4)和管线(2)进行简单的吹扫，将其内部的气体进行置换，内部气体从端口C(12)排出；

步骤二：将所述三通流路阀(4)端口C(12)与高真空系统(5)连通，利用高真空系统(5)对管线(2)和减压阀(3)进行高真空处理，同时利用加热装置对所述前处理系统中的管线(2)、减压阀(3)、三通流路阀(4)进行加热；

步骤三：当真空度达到要求后，将三通流路阀(4)设置为端口A(10)和端口B(11)连通，打开超高纯气体样品气瓶(1)，通过减压阀(3)将超高纯气体压力调整到痕量水分分析仪(7)所需的压力，然后分别打开痕量水分分析仪(7)两端的第一隔膜阀(6)和第二隔膜阀(8)，开始分析超高纯气体样品。

8.根据权利要求7所述的超高纯气体中痕量水分分析的前处理方法，其特征在于，所述步骤二中，高真空系统(5)为分子涡轮泵组，在进行高真空处理时，真空度可以从高真空系统(5)上的电子真空计上得到，当真空度达到10^-7mbar以下时，根据需要保持相应时间后停止真空处理。

9.根据权利要求7或8所述的超高纯气体中痕量水分分析的前处理方法，其特征在于，所述步骤二中，在结束高真空处理前将三通流路阀(4)在端口A(10)、端口B(11)和端口C(12)连通状态与端口A(10)和端口B(11)连通状态之间切换2次以上。

10.根据权利要求7或8所述的超高纯气体中痕量水分分析的前处理方法，其特征在于，所述步骤二中，加热装置设置的加热温度为60℃。