DE3625607C1 - Method for the continuous detection of dissolved and undissolved impurities in highly pure process liquids - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuier­ lichen Detektion und Registrierung schwerflüchtiger gelöster und ungelöster Verunreinigungen in hochreinen Prozeßflüs­ sigkeiten.

Damit wird es möglich, z. B. in der Halbleiter- und Elektronikfertigung die verwendeten Prozeßflüssigkeiten kontinuierlich zu überwachen, und Störungen, die zu einem Anstieg der Verunreinigungen und damit zu erhöhten Fehler­ raten auf dem Produkt führen können, rechtzeitig zu erken­ nen. Die zu diesem Zweck bisher eingesetzte Leitfähigkeits­ messung erfaßt nur gelöste Substanzen ionischer Natur und mit hoher Äquivalentleitfähigkeit. Zur Erfassung partikel­ förmiger Verunreinigungen in Flüssigkeiten werden seit eini­ ger Zeit Streulichtmeßverfahren eingesetzt, die den in der Aerosolmeßtechnik eingesetzten optischen Partikelzählern ähnlich sind. Diese Verfahren detektieren jedoch nur Parti­ kel oberhalb einer bestimmten Größe (ca. 300 nm). Unter­ scheiden sich Verunreinigung und Flüssigkeit im Brechungs­ index nicht wesentlich voneinander, so ist eine Detektion nicht möglich. Zum anderen werden aber z. B. Luftblasen in der Flüssigkeit als Partikel interpretiert. Gelöste Fremd­ bestandteile können von diesen Verfahren überhaupt nicht detektiert werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, sowohl ge­ löste als auch ungelöste Verunreinigungen sowohl organischer als auch anorganischer Art gleichermaßen empfindlich zu detektieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der zu untersuchenden Flüssigkeit wird ein geringer Teilstrom entnommen und z. B. über eine Zerstäuberdüse in einen feinen, luftgetragenen Tröpfchenhebel (Aerosol) überführt. Sorgt man durch geeignete Maßnahmen (Mischen mit trockener Luft, Erhitzen) dafür, daß die Flüssigkeitströpfchen verdunsten, so bleiben ungelöste Ver­ unreinigungen als Partikel zurück. Aber auch bei Vorliegen gelöster, aber schwerflüchtiger Verunreinigungen hinter­ läßt jedes verdunstete Tröpfchen ein sog. Restteilchen aus der gelösten Substanz, dessen Größe mit dem Grad der Ver­ unreinigung zunimmt, und zwar in erster Näherung proportio­ nal zur dritten Wurzel aus der Konzentration der Verunrei­ nigung. Bedingt durch das Aufreißen von Molekülverbänden während des Zerstäubungsvorgangs tragen die Flüssigkeits­ tröpfchen elektrische Ladungen, die beim Verdunsten der Flüssigkeit auf dem Restteilchen zurückbleiben, während die Flüssigkeitsdampfmoleküle elektrisch neutral sind. Aufgrund dieser Tatsache ist eine Trennung der Restkerne und ihre gleichzeitige Detektion möglich.

Abb. 1 zeigt ein Aus­ führungsbeispiel einer dazu geeigneten Vorrichtung.

Der Tröpfchenhebel strömt in eine konzentrische zylindrische Anordnung, die aus einem mit einer Heizbandage versehenen äußeren Metallzylinder, und zwei hintereinanderliegenden, voneinander durch isolierendes Material getrennten Zylin­ derkondensatoranordnungen (Zone II und III) besteht. In der ersten Zone der Anordnung (hier verkürzt darge­ stellt) werden die Flüssigkeitströpfchen durch die von der Heizbandage zugeführte Wärme verdampft. Der erste Zylinder­ kondensator (Zone II) hat die Aufgabe, die kleinsten, und damit elektrisch beweglichsten Restkerne, die auch in einer Flüssigkeit mit genügend hohem Reinheitsgrad auftreten, aus dem Trägergas zu entfernen. Über seine Versorgungsspannung U _v läßt sic diese Schwelle einstellen und dem normalen, störungsfreien Prozeßbetrieb anpassen. Über den zweiten Kondensator werden die übrigen Restkerne detektiert. Dazu ist seine Außenelektrode über ein empfindliches Strommeß­ verfahren (z. B. Elektrometerverstärker, I _{e min} = 10 fA) mit der Schaltungsmasse verbunden. Unter der Wirkung des elektrischen Feldes wandern negativ geladene Restkerne zur Innenelektrode und positiv geladene Restkerne zur Außen­ elektrode und werden als Strom meßbar. Gegenüber herkömm­ lichen Aerosolelektrometern (z. B. beschrieben bei Pui und Liu, J. of Colloid and Interface Sci. 47, 1974, S. 155-171) hat diese Anordnung den Vorteil, die Summe und nicht die Differenz des Ladungstransports positiv und negativ gelade­ ner Partikel zu messen, und somit für diesen Anwendungs­ fall sehr viel empfindlicher zu sein.

Die Versorgungsspannung dieser Anordnung kann ebenfalls variabel gewählt werden und legt die Obergrenze in der Größe der erfaßten Partikel fest.

Um Flüssigkeitsdampf und verbliebene Restkerne aus dem Gas­ strom zu entfernen, wird dieser anschließend über einen Kondensatorabscheider und ein Filter geleitet.

Es sind auch Anordnungen möglich, in denen die Trennung der Flüssigkeitsmoleküle von den Restkernen bereits vor der Kon­ densatoranordnung geschieht, so daß diese nicht mehr beheizt werden muß. Dies kann über die Diffusion von Flüssigkeits­ molekülen zu einer geeigneten Senke (Diffusionsabscheider) oder über Permeationsvorgänge geschehen. Auch das direkte Versprühen der Flüssigkeit in ein genügend großes Gasvolumen oder in den freien Raum und das anschließende Absaugen einer Probe ist möglich. Diese Methode erscheint besonders für die Überwachung von Luftbefeuchteranlagen in reinen Räumen ge­ eignet.

Auch die selektive Erfassung bestimmter Verunreinigungen nach diesem Prinzip ist möglich. Dazu muß die beim Zer­ stäuben entstehende Ladung auf den Restteilchen zunächst durch Ionisierung des Trägergases neutralisiert werden. Eine anschließende photoelektrische Aufladung der Partikel mit UV-Licht (Patentschrift DE 34 09 932 C1) erfaßt vor­ wiegend nur Partikel aus organischem Material, die damit ge­ zielt in der Elektrometeranordnung detektierbar sind.

Claims (5)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Detektion schwerflüchtiger gelöster sowie ungelöster Verunreinigun­ gen in hochreinen Prozeßflüssigkeiten, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zu kontrollierenden Flüssigkeit ein Teilstrom entnommen und in ein Aerosol überführt wird und die nach Verdampfen der Flüssigkeitströpfchen ent­ stehenden, elektrisch geladenen Restkerne mittels eines Aerosolelektrometers kontinuierlich registriert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Trennung der elektrisch geladenen Restkerne und der neutralen Flüssigkeitsdampfmoleküle in der Gasphase in einer beheizten Kondensatoranordnung durch ein elektrisches Feld erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechempfindlichkeit gegenüber dem Grad der Verunreinigung, und damit gegenüber der Größe und elektrischen Mobilität der geladenen Restkerne über die Größe des elektrischen Feldes eines Vorabschei­ ders eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung zwischen Flüssigkeits­ dampf und Restkernen über Permeations- und Diffu­ sionsvorgänge, z. B. Diffusionstrockner mit Trockenmit­ tel, Einleiten des Tröpfchenaerosols in ein genügend großes Volumen trockenen Gases, erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Neutralisation der geladenen Restkerne und eine anschließende Photoemissionsaufladung durch UV-Licht bestimmte Verunreinigungen selektiv erfaßt werden.