CN117074138B - 一种气体中颗粒杂质的检测装置及检测方法 - Google Patents
一种气体中颗粒杂质的检测装置及检测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117074138B CN117074138B CN202311081787.4A CN202311081787A CN117074138B CN 117074138 B CN117074138 B CN 117074138B CN 202311081787 A CN202311081787 A CN 202311081787A CN 117074138 B CN117074138 B CN 117074138B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gas
- laser
- ablation
- module
- detection
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000012535 impurity Substances 0.000 title claims abstract description 62
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 62
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 51
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 280
- 238000010926 purge Methods 0.000 claims abstract description 39
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 29
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 claims abstract description 18
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000001819 mass spectrum Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000001095 inductively coupled plasma mass spectrometry Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims abstract description 7
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 238000002679 ablation Methods 0.000 claims description 44
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 10
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 6
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 6
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 5
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 5
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 claims description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- XYFCBTPGUUZFHI-UHFFFAOYSA-N Phosphine Chemical compound P XYFCBTPGUUZFHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- WTEOIRVLGSZEPR-UHFFFAOYSA-N boron trifluoride Chemical compound FB(F)F WTEOIRVLGSZEPR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 3
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 3
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 3
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 3
- 229910000073 phosphorus hydride Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 3
- FAQYAMRNWDIXMY-UHFFFAOYSA-N trichloroborane Chemical compound ClB(Cl)Cl FAQYAMRNWDIXMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910015900 BF3 Inorganic materials 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XPDWGBQVDMORPB-UHFFFAOYSA-N Fluoroform Chemical compound FC(F)F XPDWGBQVDMORPB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-N Hydrogen bromide Chemical compound Br CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N Nitric oxide Chemical compound O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910018503 SF6 Inorganic materials 0.000 description 2
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 description 2
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 2
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- -1 diborane Chemical compound 0.000 description 2
- RWRIWBAIICGTTQ-UHFFFAOYSA-N difluoromethane Chemical compound FCF RWRIWBAIICGTTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000013335 mesoporous material Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012229 microporous material Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- XHXFXVLFKHQFAL-UHFFFAOYSA-N phosphoryl trichloride Chemical compound ClP(Cl)(Cl)=O XHXFXVLFKHQFAL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N sulfur hexafluoride Chemical compound FS(F)(F)(F)(F)F SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229960000909 sulfur hexafluoride Drugs 0.000 description 2
- AJSTXXYNEIHPMD-UHFFFAOYSA-N triethyl borate Chemical compound CCOB(OCC)OCC AJSTXXYNEIHPMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- DQWPFSLDHJDLRL-UHFFFAOYSA-N triethyl phosphate Chemical compound CCOP(=O)(OCC)OCC DQWPFSLDHJDLRL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NXHILIPIEUBEPD-UHFFFAOYSA-H tungsten hexafluoride Chemical compound F[W](F)(F)(F)(F)F NXHILIPIEUBEPD-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- YBMDPYAEZDJWNY-UHFFFAOYSA-N 1,2,3,3,4,4,5,5-octafluorocyclopentene Chemical compound FC1=C(F)C(F)(F)C(F)(F)C1(F)F YBMDPYAEZDJWNY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004341 Octafluorocyclobutane Substances 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- RBFQJDQYXXHULB-UHFFFAOYSA-N arsane Chemical compound [AsH3] RBFQJDQYXXHULB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JCMGUODNZMETBM-UHFFFAOYSA-N arsenic trifluoride Chemical compound F[As](F)F JCMGUODNZMETBM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- MROCJMGDEKINLD-UHFFFAOYSA-N dichlorosilane Chemical compound Cl[SiH2]Cl MROCJMGDEKINLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- WMIYKQLTONQJES-UHFFFAOYSA-N hexafluoroethane Chemical compound FC(F)(F)C(F)(F)F WMIYKQLTONQJES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 229910000042 hydrogen bromide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052743 krypton Inorganic materials 0.000 description 1
- DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N krypton atom Chemical compound [Kr] DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 239000013528 metallic particle Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 1
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- GVGCUCJTUSOZKP-UHFFFAOYSA-N nitrogen trifluoride Chemical compound FN(F)F GVGCUCJTUSOZKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BCCOBQSFUDVTJQ-UHFFFAOYSA-N octafluorocyclobutane Chemical compound FC1(F)C(F)(F)C(F)(F)C1(F)F BCCOBQSFUDVTJQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000019407 octafluorocyclobutane Nutrition 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 150000002902 organometallic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- WKFBZNUBXWCCHG-UHFFFAOYSA-N phosphorus trifluoride Chemical compound FP(F)F WKFBZNUBXWCCHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- ABTOQLMXBSRXSM-UHFFFAOYSA-N silicon tetrafluoride Chemical compound F[Si](F)(F)F ABTOQLMXBSRXSM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N tetrafluoromethane Chemical compound FC(F)(F)F TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- JOHWNGGYGAVMGU-UHFFFAOYSA-N trifluorochlorine Chemical compound FCl(F)F JOHWNGGYGAVMGU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000005239 tubule Anatomy 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
- G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
- G01N27/626—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode using heat to ionise a gas
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种气体中颗粒杂质的检测装置，包括：颗粒杂质前处理模块、气体交换模块、气体进样管路和检测模块；所述颗粒杂质前处理模块包括激光发射器、扫描聚焦模块和高透激光剥蚀管；所述气体交换模块包括气体交换膜管。本发明另一方面公开了一种气体中颗粒杂质的检测方法，包括：S1：激光剥蚀；S2：气体交换；S3：质谱检测；步骤S1和S2在线完成。本发明将待测气体的气体成分交换为吹扫气（如氩气）的成分，气体直接进样，不会额外引入其他污染，对分析造成干扰，分析效率更高；并且将待测颗粒杂质转化为粒度均匀的纳米颗粒气溶胶，大大减少颗粒杂质在气体交换模块的损失，ICP‑MS检测信号更稳定，检出限更低。
Description
技术领域
本发明涉及仪器分析检测技术领域，具体为一种气体中颗粒杂质的检测装置及检测方法。
背景技术
电子特种气体（简称特气）是半导体制造成本中仅次于硅片的第二大材料，之后是掩膜版和光刻胶等，因此电子特气被称为电子工业的“血液”。在半导体的生产中，电子特种气体主要包括氢化物、氟化物、氟代烷烃、金属有机化合物等等，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基础性支撑原材料，被广泛应用于薄膜、刻蚀、掺杂、气相沉积、扩散等工艺。在半导体芯片制造过程中，大约要使用到 50种不同类型的电子特种气体，全部工艺步骤超过几百道。
根据用途不同，可以将电子特种气体分为以下几类：
1)用于化学气相沉积（CVD）方面，主要气体产品包括氨气、氦气、一氧化氮、TEOS（正硅酸乙酯）、TEB（硼酸三乙酯）、TEPO（磷酸三乙酯）、磷化氢、三氟化氯、二氯硅烷、氟化氮、硅烷、六氟化钨、六氟乙烷、四氮化钛、甲烷等；
2)用于离子注入，主要包括氟化砷、三氟化磷、磷化氢、三氟化硼、三氯化硼、四氟化硅、六氟化硫、氙气等；
3)用于光刻胶印刷，主要包括氟气、氦气、氪气、氖气等；
4)用于扩散，主要包括有氢气、三氯氧磷等；
5)用于刻蚀，主要产品有氦气、四氟化碳、八氟环丁烷、八氟环戊烯、三氟甲烷、二氟甲烷、氯气、溴化氢、三氯化硼、六氟化硫、一氧化碳等；
6)用于掺杂，含硼、磷、砷等IIIA族及VA族原子之气体，如三氯化硼、乙硼烷、三氟化硼、磷化氢、砷化氢等。
除了电子特种气体外，半导体工业还需要使用起到环境气、保护气、载气等作用的电子大宗气体，包括氮气、氧气、氯气、二氧化碳等。电子特种气体和电子大宗气体可统称为电子气体。
随着半导体和微电子工业的迅猛发展，业界对电子气体的品种、数量及纯度都提出了更高的要求。电子气体的纯度对于半导体器件的质量与成品率影响很大，尤其是气体中的金属杂质会造成半导体器件的缺陷，从而产生漏电、电压不稳等问题。为了保证半导体器件的质量与成品率，特种气体产品要同时满足“超纯”和“超净”的要求。一般而言，对电子特气的纯度要求达到了4.5N、5N甚至6N、8N（N指纯度百分比中9的个数，小数部分表示纯度最后一位不满9的小数，4.5N表示99.995%，8N表示99.999999%），同时还要求将金属元素净化到10-9量级至10-12量级。这对于电子特气的质量检测提出了越来越高的挑战。
由于电子气体的种类十分丰富，化学性质各异，因此直接将气引入检测装置存在以下问题：（1）部分气体种类不满足仪器检测本身的气体基质要求，例如对于ICP-MS而言有些气体可能无法维持等离子条件从而导致熄火、本身含有金属元素的特气如六氟化钨可能在检测仪器处分解形成金属颗粒干扰检测等；（2）部分气体种类化学性质较活泼，对检测仪器可能具有腐蚀作用；（3）由于没有对应的含杂质金属元素的标准气体，使得定量变得非常困难。
目前电子气体中金属（杂质）含量的常用测定方法是：将样品气体通过洗气瓶对金属元素进行中吸收和富集，使得样品中的金属杂质被捕集到溶液中，吸收液通过适当方式处理后进样。处理后的样品由载气（高纯氩）引入雾化系统进行雾化，以气溶胶形式进入ICP的等离子体中心区，在高温和惰性气氛中被去溶剂化、汽化解离和电离，转化成带正电荷的正离子，经离子采集系统进人质谱仪，质谱仪根据质荷比进行分离，根据元素质谱峰强度测定样品中相应元素的含量。
上述现有技术存在如下主要问题：
（1）由于各类气体化学性质的差异，不易找到合适的吸收液；
（2）气体通过吸收瓶时，气体吸收率受限，不能够完全被吸收；
（3）采样过程复杂，取样过程中来自试剂、容器和环境等的外源性杂质所造成的二次污染，对分析造成干扰；
（4）分析效率低；
（5）吸收液或形成的待测液对环境有污染，需进行污染处理；
（6）该检测方法只能用于离线监控。
现有技术中检测气体中颗粒杂质的方法，例如检测空气中的灰尘颗粒，可以采用在线气体交换等方式完成，该方法通常采用微米或亚微米级孔径的滤层阻拦微米或亚微米级粒径的颗粒（例如PM10、PM2.5）的通过，在气体交换过程中可能导致纳米级颗粒的损失；若简单地将滤层更换为可以阻拦纳米级颗粒的介孔/微孔材料（对应孔径2~50nm/2nm以下），则其对较大颗粒的吸附作用较强，在气体交换过程中又可能导致微米级大颗粒的吸附截留损失，甚至在颗粒吸附积聚后堵塞气路。对于检测特气中的颗粒状金属杂质场景而言，由于其中可能存在各种不同粒径的颗粒杂质，因此前述两种方法中颗粒在气体交换过程中的损失均会影响定量结果的准确性。
因此，如何高效、高灵敏、在线实现电子气体等各种种类的气体中的金属等颗粒杂质的检测分析，是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体中颗粒杂质的检测装置，先通过剥蚀激光对待测气体进行在线前处理，将杂质中的大颗粒转化为粒度均匀且不易被气体交换膜等材料吸附的纳米颗粒气溶胶后，再通过气体交换将原本的气体基底替换为如氩气等载气后再进行检测。
为实现上述目的，本发明提供了一种气体中颗粒杂质的检测装置，包括：
颗粒杂质前处理模块，所述颗粒杂质前处理模块包括激光发射器、扫描聚焦模块和高透激光剥蚀管；
气体交换模块，所述气体交换模块包括气体交换膜管；
检测模块；
气体进样管路，所述气体进样管路用于将待测气体依次经过颗粒杂质前处理模块和气体交换模块后送入检测模块；
所述高透激光剥蚀管和气体交换膜管依次设置在气体进样管路上；
所述扫描聚焦模块用于将剥蚀激光在一剥蚀区域内聚焦扫描；所述剥蚀区域包括所述高透激光剥蚀管的至少一段内部空间；并且在激光聚焦扫描过程中，剥蚀激光周期性地完全扫描该段内部空间，从而在待测气体流经该剥蚀区域时在线地对分散在其中各处的颗粒杂质全部地进行一次或者多次激光剥蚀，尽可能将其中的大颗粒全部转化为纳米颗粒气溶胶。
相比于微米或亚微米级孔径的多孔二氧化硅材料，能够阻拦纳米颗粒通过的介孔/微孔材料如多孔氟树脂等形成的气体交换膜更容易吸附颗粒杂质，导致检测的定量结果不准确；待测气体中颗粒杂质的粒径未知，其中颗粒越大的杂质越容易被气体交换膜管吸附截留，因此通过激光剥蚀的前处理将颗粒转换为粒度均匀的纳米颗粒气溶胶可以大大减少颗粒杂质的损失，提高检测的准确性和灵敏度。
优选地，所述激光发射器用于产生剥蚀激光，所述激光发射器为飞秒激光器；
所述扫描聚焦模块包括三轴扫描振镜和物镜；
所述三轴扫描振镜包括Z轴移动镜头、Z轴聚焦镜头、X轴振镜和Y轴振镜；
所述三轴扫描振镜通过Z轴移动镜头和Z轴聚焦镜头的配合高速调节所述剥蚀激光的焦点沿光轴方向的位置；所述X轴振镜和Y轴振镜用于高速调节所述剥蚀激光的焦点沿垂直于光轴方向的位置；
通过飞秒激光器的高频脉冲激光和扫描聚焦模块的高速扫描的配合，使激光可以在待测气体流经高透激光剥蚀管时对剥蚀区域进行一次甚至多次往复的激光聚焦全扫描，从而尽可能保证气体中的所有大颗粒完全转化为纳米颗粒气溶胶。
所述物镜用于将剥蚀激光聚焦至剥蚀区域内。
优选地，所述气体交换膜管为内外双层套管，所述气体交换膜管包括位于内层的样品气管路和位于外层的吹扫气管路，所述样品气管路和吹扫气管路之间设置有气体交换膜；
所述样品气管路的两端分别设置有样品气进气口和样品气出气口；
所述吹扫气管路的两端分别设置有吹扫气进气口和吹扫气出气口；
所述样品气进气口和样品气出气口分别与气体进样管路连接；
所述吹扫气进气口与吹扫气供给装置连接，所述吹扫气供给装置用于供给吹扫气。
优选地，所述吹扫气出气口与一气体后处理装置连接。
优选地，所述吹扫气为氩气。
优选地，所述检测模块包括ICP-MS质谱仪和数据处理模块。
本发明另一目的提供了一种气体中颗粒杂质的检测方法，包括如下步骤：
S1：激光剥蚀，对待测气体流经的至少一个剥蚀区域进行激光聚焦扫描，将颗粒杂质通过剥蚀激光转化为粒度均匀的纳米颗粒气溶胶；
S2：气体交换，将待测气体的气体成分通过气体交换转化为预设的吹扫气的气体成分；
S3：质谱检测，对纳米颗粒气溶胶进行质谱检测；
步骤S1和步骤S2均为在线处理步骤；步骤S1中，对所述剥蚀区域进行一次激光聚焦扫描的用时不超过待测气体通过所述剥蚀区域所需时间。
优选地，检测方法使用上述的检测装置。
优选地，所述待测气体包括电子特种气体或者电子大宗气体中的至少一种；
所述电子特种气体包括在化学气相沉积、离子注入、光刻胶印刷、扩散工艺、刻蚀工艺或者掺杂工艺过程使用的原料气中的至少一种；
所述电子大宗气体包括环境气、保护气或者载气中的至少一种；
所述颗粒杂质为金属杂质。
优选地，所述待测气体包括汽车尾气。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明将待测气体的气体成分交换为吹扫气（如氩气）的成分，气体直接进样，适用于所有种类的气体，不需要配制洗瓶溶液，不需要对样品气进行复杂的溶解处理，不会额外引入其他污染，对分析造成干扰，分析效率更高；
（2）本发明不仅可以用于特气的离线检测，还可用于特气在线检测，做到实时监控；
（3）本发明通过激光剥蚀前处理将待测颗粒杂质转化为粒度均匀的纳米颗粒气溶胶，大大减少颗粒杂质在气体交换模块的损失，ICP-MS检测信号更稳定，检出限更低，可以检测出样品气中PPQ级的金属杂质含量；
（4）本发明不仅可以应用于半导体行业电子特气的检测，还可用于大气、汽车尾气及其它行业的特种气体中颗粒元素检测等。
附图说明
图1为本发明实施例的气体中颗粒杂质的检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的三轴扫描振镜的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开的一种气体中颗粒杂质的检测装置，包括颗粒杂质前处理模块1、气体交换模块2、检测模块3和气体进样管路。
颗粒杂质前处理模块1用于将颗粒杂质通过剥蚀激光12转化为粒度均匀的纳米颗粒气溶胶；颗粒杂质前处理模块1包括激光发射器11、扫描聚焦模块和高透激光剥蚀管15；激光发射器11用于产生剥蚀激光12，较佳地，激光发射器11为飞秒激光器；如图2所示，三轴扫描振镜13包括Z轴移动镜头101、Z轴聚焦镜头102、X轴振镜103和Y轴振镜104；三轴扫描振镜13通过Z轴移动镜头101和Z轴聚焦镜头102的配合（调节Z轴移动镜头101和Z轴聚焦镜头102之间的距离）高速调节剥蚀激光12的焦点沿光轴方向的位置；X轴振镜103和Y轴振镜104用于高速调节剥蚀激光12的焦点沿垂直于光轴方向的位置，X轴振镜103和Y轴振镜104可以分别进行高频绕轴往复转动。物镜14用于将剥蚀激光12聚焦至剥蚀区域内；剥蚀区域包括高透激光剥蚀管15的至少一段内部空间，使气体流经高透激光剥蚀管15时必然通过剥蚀区域使其中所含的颗粒杂质受到剥蚀激光的作用。
在本实施例中，使用三轴扫描振镜13可以对剥蚀区域进行高速扫描，在气体通过所述剥蚀区域的时间内一次或者多次完成对剥蚀区域的全扫描，从而实现在气体连续进样时在线地对经过高透激光剥蚀管15的待测的样品气进行激光剥蚀，充分的将其中的金属颗粒剥蚀成粒度更均匀的纳米颗粒气溶胶。在一个较佳的实施例中，高透激光剥蚀管长3-10cm，两端管内径为2-4mm，使其可以与气路的其他部分匹配，中间部分直径为1-2mm，从而有效剥蚀区域体积为0.03-0.3mL。剥蚀时气体流速3-100mL/min，对应的一次完全扫描用时应不超过0.02-6.0秒。实际上在发射飞秒激光的激光发射器11和三轴扫描振镜13的配合下，扫描可以在更短时间内完成，从而在气体流经高透激光剥蚀管15的过程中可以实现多次扫描从而使气体内大颗粒杂质尽可能充分地剥蚀转化。
气体交换模块2用于将待测气体的气体成分通过气体交换转化为预设的吹扫气（一般为氩气）的气体成分，气体交换模块2包括气体交换膜管，气体交换膜管为内外双层套管，气体交换膜管包括位于内层的样品气管路22和位于外层的吹扫气管路23，样品气管路22和吹扫气管路23之间设置有气体交换膜21；样品气管路22的两端分别设置有样品气进气口和样品气出气口；吹扫气管路23的两端分别设置有吹扫气进气口和吹扫气出气口；样品气进气口和样品气出气口分别与气体进样管路连接；吹扫气进气口与一吹扫气供给装置连接。气体交换膜仅允许气体分子自由进出，但颗粒杂质无法通过，而吹扫气管路23（即外层）的外壳既不透气也不允许颗粒通过。基于道尔顿定律和格雷厄姆定律，由于样品气管路22的样品气的分压比吹扫气管路23高，所以样品气会向外扩散。同时，由于吹扫气管路23的Ar气的分压比样品气管路22高，Ar气会进入样品气管路22。由于Ar气吹扫气的流量远大于样品气的流量，最终气体交换膜管内的样品气几乎会被完全置换成Ar气（99.99%），而金属颗粒杂质会留在样品气管路22内。
本实施例的气体交换膜21的材质为多孔氟树脂，相比于微米或亚微米级孔径的多孔二氧化硅材料，多孔氟树脂材料可以阻拦纳米级颗粒的通过，从而避免纳米级粒径的颗粒在气体交换过程中的损失。但另一方面，孔径减小会增大膜材料的比表面积，使气体交换膜21更容易吸附颗粒杂质，导致检测的定量结果不准确，甚至颗粒吸附积聚可能造成样品气管路22堵塞（图1仅为示意，实际应用中样品气管路22为盘绕状的细管，通过提升气路有效长度增加气体交换效率，较细的管径使气路弯转处极易积聚颗粒物发生堵塞）；待测气体中颗粒杂质的粒径未知，其中颗粒越大的杂质越容易被气体交换膜管吸附截留，因此通过激光剥蚀的前处理将颗粒转换为粒度均匀的纳米颗粒气溶胶可以大大减少颗粒杂质的损失，提高检测的准确性和灵敏度，同时降低气体交换模块2的故障率。
气体进样管路用于将待测气体依次经过颗粒杂质前处理模块1和气体交换模块2后送入检测模块3；高透激光剥蚀管15和气体交换膜管依次设置在气体进样管路上。
检测模块3用于检测转化为纳米颗粒气溶胶的颗粒杂质，在本发明实施例中，以电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）为示例说明：经过经过颗粒杂质前处理模块1和气体交换模块2后的待测气体（Ar+金属颗粒的气溶胶）通过电感耦合等离子体源（ICP）将颗粒等离子化后，进入质谱进行元素含量分析。
本实施例的检测方法包括如下步骤：
S1：激光剥蚀，对待测气体流经的至少一个剥蚀区域进行激光聚焦扫描，将颗粒杂质通过剥蚀激光转化为粒度均匀的纳米颗粒气溶胶；
S2：气体交换，将待测气体的气体成分通过气体交换转化为预设的吹扫气的气体成分；
S3：质谱检测，对纳米颗粒气溶胶进行质谱检测；
步骤S1和步骤S2均为在线处理步骤；步骤S1中，对所述剥蚀区域进行一次激光聚焦扫描的用时不超过待测气体通过所述剥蚀区域所需时间。
本实施例的待测气体包括电子特种气体或者电子大宗气体中的至少一种；
电子特种气体包括在化学气相沉积、离子注入、光刻胶印刷、扩散工艺、刻蚀工艺或者掺杂工艺过程使用的原料气中的至少一种；电子大宗气体包括环境气、保护气或者载气中的至少一种；上述应用的各种特气的具体化学组成可以参考背景技术部分的描述；颗粒杂质为金属杂质。
本实施例的方法还可用于大气、汽车尾气及其它行业的特种气体中颗粒元素检测等。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种气体中颗粒杂质的检测装置，其特征在于，包括：
颗粒杂质前处理模块，所述颗粒杂质前处理模块包括激光发射器、扫描聚焦模块和高透激光剥蚀管；
气体交换模块，所述气体交换模块包括气体交换膜管；
检测模块；
气体进样管路，所述气体进样管路用于将待测气体依次经过颗粒杂质前处理模块和气体交换模块后送入检测模块；
所述高透激光剥蚀管和气体交换膜管依次设置在气体进样管路上；
所述扫描聚焦模块用于将剥蚀激光在一剥蚀区域内聚焦扫描；所述高透激光剥蚀管的至少一段内部空间的直径为1-2mm，所述剥蚀区域包括所述至少一段内部空间。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，
所述激光发射器用于产生剥蚀激光，所述激光发射器为飞秒激光器；
所述扫描聚焦模块包括三轴扫描振镜和物镜；
所述三轴扫描振镜包括Z轴移动镜头、Z轴聚焦镜头、X轴振镜和Y轴振镜；
所述三轴扫描振镜通过Z轴移动镜头和Z轴聚焦镜头的配合高速调节所述剥蚀激光的焦点沿光轴方向的位置；所述X轴振镜和Y轴振镜用于高速调节所述剥蚀激光的焦点沿垂直于光轴方向的位置；
所述物镜用于将剥蚀激光聚焦至剥蚀区域内。
3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，
所述气体交换膜管为内外双层套管，所述气体交换膜管包括位于内层的样品气管路和位于外层的吹扫气管路，所述样品气管路和吹扫气管路之间设置有气体交换膜；
所述样品气管路的两端分别设置有样品气进气口和样品气出气口；
所述吹扫气管路的两端分别设置有吹扫气进气口和吹扫气出气口；
所述样品气进气口和样品气出气口分别与气体进样管路连接；
所述吹扫气进气口与吹扫气供给装置连接，所述吹扫气供给装置用于供给吹扫气。
4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述吹扫气出气口与一气体后处理装置连接。
5.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述吹扫气为氩气。
6.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述检测模块包括ICP-MS质谱仪和数据处理模块。
7.一种气体中颗粒杂质的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：激光剥蚀，使待测气体流经至少一个直径为1-2mm的剥蚀区域，对所述剥蚀区域进行激光聚焦扫描，将颗粒杂质通过剥蚀激光转化为粒度均匀的纳米颗粒气溶胶；
S2：气体交换，将待测气体的气体成分通过气体交换转化为预设的吹扫气的气体成分；
S3：质谱检测，对纳米颗粒气溶胶进行质谱检测；
步骤S1和步骤S2均为在线处理步骤；步骤S1中，对所述剥蚀区域进行一次激光聚焦扫描的用时不超过待测气体通过所述剥蚀区域所需时间。
8.根据权利要求7所述检测方法，其特征在于，使用如权利要求1至6任一项所述的检测装置。
9.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，所述待测气体包括电子特种气体或者电子大宗气体中的至少一种；
所述电子特种气体包括在化学气相沉积、离子注入、光刻胶印刷、扩散工艺、刻蚀工艺或者掺杂工艺过程使用的原料气中的至少一种；
所述电子大宗气体包括环境气、保护气或者载气中的至少一种；
所述颗粒杂质为金属杂质。
10.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，所述待测气体包括汽车尾气。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311081787.4A CN117074138B (zh) | 2023-08-25 | 2023-08-25 | 一种气体中颗粒杂质的检测装置及检测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311081787.4A CN117074138B (zh) | 2023-08-25 | 2023-08-25 | 一种气体中颗粒杂质的检测装置及检测方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117074138A CN117074138A (zh) | 2023-11-17 |
| CN117074138B true CN117074138B (zh) | 2024-03-08 |
Family
ID=88709462
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311081787.4A Active CN117074138B (zh) | 2023-08-25 | 2023-08-25 | 一种气体中颗粒杂质的检测装置及检测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117074138B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW201515709A (zh) * | 2013-10-30 | 2015-05-01 | Iner Aec Executive Yuan | 可回收反應熱之薄膜反應裝置 |
| CN105300855A (zh) * | 2015-11-11 | 2016-02-03 | 上海大学 | 一种实时在线检测固体材料样品元素成分的方法 |
| CN109916881A (zh) * | 2019-03-07 | 2019-06-21 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 激光剥蚀-大气压辉光放电原子发射光谱装置 |
| CN111855791A (zh) * | 2020-08-27 | 2020-10-30 | 山东省地质科学研究院 | 激光剥蚀等离子体质谱仪气溶胶进样聚焦装置 |
| CN115575211A (zh) * | 2022-11-02 | 2023-01-06 | 上海凯来仪器有限公司 | 一种激光剥蚀方法及装置 |
| CN116329769A (zh) * | 2023-05-29 | 2023-06-27 | 上海凯来仪器有限公司 | 一种激光剥蚀激光电离装置、方法及质谱仪 |
| CN116577317A (zh) * | 2023-06-09 | 2023-08-11 | 上海凯来仪器有限公司 | 一种拉曼-激光剥蚀-质谱的联用检测装置及联用检测方法 |
-
2023
- 2023-08-25 CN CN202311081787.4A patent/CN117074138B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW201515709A (zh) * | 2013-10-30 | 2015-05-01 | Iner Aec Executive Yuan | 可回收反應熱之薄膜反應裝置 |
| CN105300855A (zh) * | 2015-11-11 | 2016-02-03 | 上海大学 | 一种实时在线检测固体材料样品元素成分的方法 |
| CN109916881A (zh) * | 2019-03-07 | 2019-06-21 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 激光剥蚀-大气压辉光放电原子发射光谱装置 |
| CN111855791A (zh) * | 2020-08-27 | 2020-10-30 | 山东省地质科学研究院 | 激光剥蚀等离子体质谱仪气溶胶进样聚焦装置 |
| CN115575211A (zh) * | 2022-11-02 | 2023-01-06 | 上海凯来仪器有限公司 | 一种激光剥蚀方法及装置 |
| CN116329769A (zh) * | 2023-05-29 | 2023-06-27 | 上海凯来仪器有限公司 | 一种激光剥蚀激光电离装置、方法及质谱仪 |
| CN116577317A (zh) * | 2023-06-09 | 2023-08-11 | 上海凯来仪器有限公司 | 一种拉曼-激光剥蚀-质谱的联用检测装置及联用检测方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117074138A (zh) | 2023-11-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100260957B1 (ko) | 박판형상의 기판 이송방법 및 이송장치 | |
| CN1227389C (zh) | 现场监视等离子体腐蚀装置及方法 | |
| EP1014075B1 (en) | Apparatus and method for detecting particles in reactive and toxic gases | |
| US5485016A (en) | Atmospheric pressure ionization mass spectrometer | |
| US7867779B2 (en) | System and method comprising same for measurement and/or analysis of particles in gas stream | |
| US7372559B2 (en) | Systems and methods for inspecting a wafer with increased sensitivity | |
| US7635842B2 (en) | Method and instrument for chemical defect characterization in high vacuum | |
| CN108695135B (zh) | 用于从气溶胶颗粒生成元素离子的离子源和方法 | |
| US10211038B2 (en) | Method for supplying gas for plasma based analytical instrument | |
| US11105726B2 (en) | Calibrated particle analysis apparatus and method | |
| CN117074138B (zh) | 一种气体中颗粒杂质的检测装置及检测方法 | |
| US20160061709A1 (en) | Detection system for determining filtering effectiveness of airborne molecular contamination | |
| CN111868888B (zh) | 掺硼p型硅晶片的蚀刻方法、金属污染评价方法及制造方法 | |
| Han et al. | Measurement of cluster ions and residue nanoparticles from water samples with an electrospray/differential mobility analyzer | |
| CN117393452B (zh) | 采集晶圆表面金属的方法 | |
| Donovan | Off-Wafer Measurement of Contaminants | |
| Knopf et al. | Calibration of an aerosol composition mass spectrometer with sulfuric acid water aerosol | |
| US11742230B2 (en) | Contaminant detection tools including nebulizer and related methods | |
| JP2004325380A (ja) | 微量ホウ素の定量分析方法 | |
| JPH08136524A (ja) | ガス中の金属不純物検出法 | |
| JPH07283098A (ja) | 標準粒子発生装置 | |
| Srivastava | Advanced metrology and gas purifier yield improvement | |
| JPH1197321A (ja) | 汚染源特定方法 | |
| KR20050114680A (ko) | 수송 동안에 반응성 화합물의 분해를 감소시키는 방법 | |
| CN115144337A (zh) | 钯掺杂碳纳米管的微纳光纤气体传感器及其制备方法与应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |