TWI294517B - System and method comprising same for measurement and/or analysis of particles in gas stream - Google Patents

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.1294517 九、發明說明： 相關申請的交叉引用 本申請要求按照35 U.S.C.§ 119 ( e)規定的2005年2 月3曰申明的在先申5月U.S·專利申請序號ν〇· 60/649,490 和在2005年10月4曰申請的在先申請u s•專利申請序號 No· 60/723,619的優先權，其公開内容在此合併引用。 g 發明所屬之技術領域 本發明涉及於用於樣品氣體進料流以確定該氣流中微 粒污染物的存在和特性的系統和方法。特別地，本發明涉 及於包括微粒計數器和微粒捕捉過濾器的系統，其中有益 的是該微粒捕捉過濾器與微粒計數器並聯排列。 先前技術 許多專用氣體的使用者，諸如半導體器件製造商，要求 φ低的氣體中懸浮微粒含量。例如，在製造材料中，微粒污 染物導致器件製造工藝中的低產量和成品半導體器件中的 可靠性問題。因此，通常對下列但不限制於其的氣體以及 許多其他氣體要求嚴格的潔淨度，諸如Ar、He、n2、Xe、

Kr、Ne、SiH4、SiH2Cl2、NH3、BC13、C02、CO、N20、 〇2、H2、SiHCl3、PH3、AsH3、BF3、B2H6、Si2H6、SiCl4。 氣體進料流中的微粒水準可以在下列兩種情況之間進 行變化：或者是相對均勻並且是穩定的流，或者是，例如， 當接近器具介面（to〇l interface )時，在時間週期内發生變 Ϊ294517 化。虱體進料流中的變化可以呈暴發態（峰）、呈隨時間 而你移（向上或向下）和/或步進變化（向上或向下） P形式。在動態系統中，諸如流體轉移填充（transfm )系 先和為具（tool )進料管線，該氣體進料流通常混合良好並 t微粒均勻分佈。然而在靜態系統中，諸如氣體瓶和氣體 致應谷器，微粒水準在空間上以數量級發生變化。該微粒 文化歸因於重力沉降和擴散到内表面效應。這些效應在供 •應容器中產生非均勻微粒分佈，包括分層。 a在進入氣體進料流之前經常用自動調整裝置降低瓶裝 氣體和散裝氣體的壓力Hi㈣㈣㈣Μ Μ t曰力的H周整裝i “流出”㈤微粒水準、雜質成核和 疑聚J滴的形成。在某些情況，可以形成懸浮的非揮發性 殘留物。 —除了上述問題’如果氣體進料流包括反應氣體，諸如石夕 、元反應氣體可以與空氣污染結合形成懸浮的固體材料（微 馨粒）。錢與氧或氧化劑反應產生微粒形式的二氧化石夕 乂、）籾末在矽烧存儲/輸送系統中認為任何痕量的水 刀或氧會產生大里的二氧化石夕微粒。這些固體反應產物在 任何懸浮微粒含量的測吾+ 的成1里中會導致明顯的不精確性。此微 粒持續產生直到在該系缔由 这糸、、先中耗盡了氧或氧化劑和消除了該 氧化劑源。因為這此和1仙Μ 、二和其他的問題，對於包括反應氣體的 進料氣机來.兄’小心注意檢测和去除空氣污染也許是必要 的。 般由於刀子雜質的存在導致氣體進料中微粒的形 1294517 成。許多半導體處理氣體在加壓的容器中供應。對於這些 高純度的氣體-般包含痕量的分+㈣，㈣ 氫化合物、石夕烧中的石夕氧燒和根據高純度氣體成分的其他 氣體的雜質。這4b雜皙, 一雊貝了由在加壓容器中用於製造、輪送 和儲存氣體的處理產生。氣體儲存容器的内部壓力和溫度 通常在該氣體的臨界點壓力和臨界點溫度之上。例如，： 運达到使用者時’氣體儲存容器中的溫度和壓力通常超過 N2 的臨界點（492psia，_232°F )和 SiH4 的臨界點（7G3psia， 奶）。眾所周知，超臨界流體對於諸如較高的分子量的碳 虱化合物的物質，其在氣體輸送、存儲和傳送系統中作為 表面污染而存在，具有高溶劑能力。這些溶解的雜質一般 會增加氣體中存在的分子雜質。 為了控制導致氣體中的微粒污染的程序變數和確保氣 體的叩質’對加壓氣體源進行準確的微粒測量。需要測量 ::氣體中的懸浮的微粒濃度 '然而，由於可利用的儀器 '髮力限制，在存儲容器的全壓下測量微粒含量是不現實 、因此，為了將氣體壓力降低到與用於實際測量的可利 ^儀器-致的水準’可通過減壓裝置，例如自動壓力調 益、閥、節流孔板等輸送氣體樣品。可以相對於氣體進 料流線上或離線測量。 人^降壓時，含有痕量分子雜質的氣體的微粒會產生微粒 / =的增加，這在微粒測量領域是公知的。該劣化是由於 ^雜質的分子聚集導致形成穩定（即持久穩固的）的懸 手微粒。這些微粒不能通過加熱容易地蒸發。另外，在某 1294517 it 情況下，頻繁減壓處理右 处理在乳體中產生亞臨界條件。在這 點上，隨著壓力下降，砟胙a 亞I界氟體喪失了它的高溶劑能力， 因此在樣品氣流中接你、、六# 任竹/合解的雜質傾向於形成穩定懸浮微 粒。在減壓期間形成料物b 战微粒疋公知的，對於大於0.02微米的 微粒每標準立方英尺的泰 的乳體產生大於106的微粒水準。這 個水準大大超出了力懕 、 力植谷器中的實際微粒水準。圖1提供

了通過與*1體進料流i流體連通的減壓裝置諸如閥2的血 型氣體進料流1的例子。儘管氣體進料流初始包含低水； 的氣載微粒3 ’但在通關2後，在氣體進料流丨内含有 的微粒量4 ‘‘成核的’，的微粒4增加。這些成核的微粒4 在較低壓力氣流5内被攜帶到下游的微粒計數器（未示 出）從測里中不能識別在容器中的實際微粒濃度。因此， 減壓程序大大降低了微粒測量的準確性。 解决k Μ題的在先嘗試包括構造抗壓的微粒計數 器。此種儀器使得不必降低該儀器上游樣品氣體的壓力。 然而’這些儀器不能提供測量微粒的組成和形態的資訊。 類似的S，低壓儀器可設置在定制的加壓室中（例如， 超氣壓室）和在接近源氣壓力下操作。⑼，這種方案是 昂責的且對於儀器的設計難以改進，因此產生實際問題。 ^在無需要述減壓的情況下，也可使用加壓過濾裝置捕捉 來自樣品流中的微粒。接著使用各種方法檢測這些捕捉的 微粒，諸如充學顯微鏡方法、掃描電子顯微鏡方法，或在 液體介質中將其消化或溶解，隨後進行液體的成分分析 等。然而，這些檢測方法不能區分在氣體供應源中的初始 1294517 微粒和在樣品系統中形成的假微粒。 在減壓前，使用各種吸收劑、吸附劑、催化淨化器和其 他的本領域公知的淨化裝置，可以去除加壓氣體中的存疑 分子雜質。在減壓期間，該方法對於充分減少或消除微粒 形成是公知的。然而，該淨化器是將進料氣流通過粒狀或 丸狀淨化介質的床層來操作的。該床層也傾向於作為過濾 器以去除從加壓容器流出的實際微粒或者會將新微粒從淨 化介質引入到該氣流中。因此，在床層型淨化器的下游， 不能準確測定在力tr壓容器中的實際微粒含量。 在減壓期間，嘗試使用加熱氣流或加熱減壓裝置以阻止 雜質成核。在膨脹的氣流中，該方法對於阻止成核微粒的 形成一般無效。 因此，在本領域中需要改進的、可靠的用於測量和/分 析氣體進料流内的微粒的系統，其在分子雜質引起虛假的 雜質測量之前將這些分子雜質有效地去除。 發明内容 在一個方面，本發明提供了一種用於測量和/或分析氣 體進料流内微粒的系統，該系統包括微粒計數器和微粒捕 捉過濾器，其中微粒捕捉過濾器和微粒計數器並聯排列。 在另一個方面，本發明提供了一種用於測量較低壓力氣 體進料流内微粒含量的系統，該系統包括用以去除氣^一體進 料流内雜質且提供淨化的氣體進料流的淨化裝置，與淨化 裝置流體連通的減壓裝置，其中淨化的氣體進料流通過減 1294517 壓裝置以提供較低壓力的氣體進料流，測量較低壓力氣體 進料机内的微粒含里的微粒計數器，和微粒捕捉過滤器， 其中微粒捕捉過濾器和微粒計數器並聯排列。 在另#方面’本發明提供了 —種用於測量較低壓力氣 體進料流内微粒含量的方法，該方法包括將氣體進料流通 過甲化裝置以提供淨化的氣體進料流的步驟，其中淨化裝 置基本上沒有去除淨化的氣體進料流内包含的微粒，其中 氣體進料流處在第-壓力。該方法也包括將一部分的淨化 氣體進料流導入減壓裝置，以將該部分的淨化氣體進料流 ㈣力降低到低於第一壓力的壓力，和通過將處在低於第 7壓力的壓力下的該部分的淨化氣體進料流通過微粒計數 ^等另邛刀的淨化氣體進料流通過微粒捕捉過濾器來 測量淨化的氣體進料流中包含的微粒含量的步驟。微粒捕 捉過濾器和微粒計數器並聯排列。 通過參照非比例的本發明附圖（其中相同數字代表相同 •元件）’本領域的技術人員會更好地理解本發明的多個優 實施方式 ,此描述可用於測量和/或分析在氣體進料流内的微粒 的：:先和方法。該系統和方法可用於確定例如微粒的數目 ^ m數；氣體進料流内的微粒的濃度密度；微粒尺寸 二佈，、微粒形態；和/或微粒組成。在該氣體進料流内可測 付的微粒平均尺寸範圍可為從〇·〇2微米（# m)到10/z m， •1294517 或從· Ο 5 /z m到1从m，或從〇 · 1以瓜到^ "瓜。可測得的平均 微粒數目可為範圍從1/sq ft (sq ft )到l〇,〇〇〇,〇〇〇/sq ft，或 - 從 1/Sq.ft•到 l〇,000/sq.ft·，或從 1/sq.ft.到 l，000/sq.ft。 ， 該系統和方法可用於各種氣體和超臨界流體進料流，包 括自燃物、易燃物、氧化劑、腐蝕劑和惰性氣體。可被分 析的氣體進料流的例子包括但不限於：電子專用氣體 (ESG” ），諸如，惰性氣體（例如，Ar、He、N2、Xe、 • Kr、Ne 等）、SiH4、CF4、WF6、SiH2Cl2、丽3、NF3、Cl2、 BC13、C2F6、C02、CO、F2、N20、CHF3、02、H2、HBr、 HCH、HF、CH4、SiHCl3、SF6、PH3、AsH3、BF3、B2H6、

Si2H6、SiCU、SiF4以及許多其他氣體。術語“氣體，，包括 蒸氣、過飽和氣體和超臨界流體。具體的超臨界流體的例 子在待審公開的U.s·申請2004/0144399中提供，其全文在 此引入並供參考。例如，該系統可以用於測量和/或分析各 種微粒，其可包括，例如，分子簇、液滴、含金屬的懸浮 #固體微粒、有機或其他材料和各種其他污染微粒。 在此描述的該系統通過使用微粒計數器和微粒俘獲過 濾器來測量和分析在處理氣流典型樣本内的微粒。該系統 不能添加或從該氣體進料流去除顯著數目的微粒。此干擾 會改變在該被取樣的氣體進料流中測量的微粒濃度。在某 些實施方案中，可使用電解拋光的管道和/或高清潔度閥來 減小樣品偏差。另外，在這些和其他的實施方案中，該系 統使微粒由於重力沉降或由於分子布朗運動作用擴散到管 壁引起的微粒的輸送損失最小化。 11 1294517 在此描述的該系統可與在此描述為“離線採樣，，的連 續處理進料流或具有支流或樣本流的提取系統來結合使 用。在此描述的該系統可與本領域中公知的包括插入該進 料氣體管的所谓的專動態採樣探針的一種氣體樣本提取設

備結合使用。在該連接中，從高壓氣瓶或IS〇艙（即，在 單個集成單元中設置的適合於散裝輸送氣體的柱狀管）的 處理氣體管道中抽出樣品的分離流，其在此指氣體進料 流。離線採樣系統可能會需要排氣或流過微粒計數器或微 粒捕捉過濾、器的氣體進料流的其他的排放控制形式。在實 施方案中氣體進料流包括反應氣體，離線採樣系統可進一 步包括提供惰性吹洗的子系統（即用一種或多種惰性氣體 吹洗該氣體管），排出裝置（即使用一個或多個真空泵排出 氣體的管線），和/或排放控制。在其他實施方案中，例如 當氣體進料流包含易冷凝的氣體時（即溫度在或高於環境 溫度時氣體變成液體），也可對在此包含的系統管線和^ 系統部件進行熱追蹤。在這些實施方案中，在將氣體進料 流引入管道中之前，因為氣體可以與管中的痕量殘留水分 或氧化劑反應，所以熱追蹤可以與惰性氣體吹洗和/或壓2 循％結合使用（即使用壓力變化）來乾燥初始系統。 圖2提供了根據本發明的用於測量和分析含矽烷的氣 流中的微粒的離線採樣系統的一個實施方案的例子。在某 些實施方案中，諸如圖2中所描繪的，系統1〇放置在排氣 殼内且在環境溫度。可以從諸如儲存罐、加壓氣瓶、轉： 填充管線（transfililine)、氣體分配管線或其他裝置（沒 12 .1294517 有示出）的供應源20提供氣體進料流25。供應源2〇可以 是大或小容積的。去除來自供應源2G的至少部分氣體以提 供通過採樣系統10加入的氣體進料流25。一般根據例如 • 供應源容積’氣體進料流25的特性，其中包含的氣體是否 在超臨界狀態等，在從4psiaa 10,000psig，或從〇 _ 到3,000pS1g，或從100psig到16〇〇psig的壓力範圍將 氣體進料流25引入到系統1〇。系統1〇進一步包括惰性氣 鲁體源30,其與系統！。流體連通和用於惰性氣體吹洗和其 他方面。惰性氣體淨化器35與惰性氣體源3〇流體連接/以 提供用於吹洗/沖洗操作的淨化惰性氣體。 在含矽烷的氣體進料流25的實施方案中，在引入氣體 進料流之前實施惰性氣體吹洗，其後進# 一個或多個排出 循裱。仍參照圖2,通過關閉閥¥9和V19和打開閥v7* V8貝施惰性氣體吹洗。在分析氣體進料流之後，以類 似的方式運行惰性氣體吹洗以從該系統去除任何殘留矽 籲烷。通過關閉閥V8、V9和V19和打開閥…實施排出循環。 圖2中描繪的實施方案使用微粒計數器5〇和/或諸如膜 型過濾器的微粒捕捉過濾器6〇以測量和檢測氣體進料流 内的微粒。可以通過多個壓力調節器連接微粒計數器5〇到 氣體進料源。由流速控制閥和密相流量計調節通過裝置的 流速。在某些實施方案中，系統在接近大氣壓的壓力下工 作。在這杳實施方案中，在供應源20和微粒計數器5〇之 間可旎需要減小引入的氣體進料流25的壓力。在圖2中示 出的系統中，使用串連排列的兩個壓力調節器52和54以 13 1294517 兩個步驟執行減壓。此多步驟減壓使得在減壓處理期間傾 向毛生的d粒流出和氣體冷凝最小化。在本發明的其他實 施方案中，卩以使用單步驟減壓。在其他實施方案中，由 於壓力足夠低而也許不需要降低進入到微粒計數器50的 氣體進料流25的壓力。 在本發明其他優選的實施方案中，微粒計數器5〇是抗 壓的或者封裝在抗壓密封容器中（圖2中未示出）。當儀器 鲁或密封容器能抵擋氣體源2〇的全部壓力時，不需要減壓樣 品流。在這一實施方案中不需要壓力調節器52和54以獲 得氣流的懸浮微粒含量的精確測量。 適合使用系統1 0的適合微粒計數器5()的例子是由 Boulder公司製造的微粒測量系統（pMS )。M〇dei LPC-HS公司的PMS能夠檢測具有等效光散射直徑小到 50nm的微粒，使用633nm的HeNe雷射器在8〇nm計數效 率>80°/。。儀器需要每分鐘01標準立方英尺（SCFM)或每 刀鐘2·8才示準公升（SLPM)的樣品流速率。MicroLPC-HS 具有<2/ft3，或者<〇·2/分鐘的零計數水準，能夠測量直到 80,000/ft3的微粒濃度。儀器具有閾值為5〇、1〇〇、15〇、2〇〇、 300、500、700和1，000納米（nm)的8個尺寸的管道。 採樣間隔可以在從1秒到1 〇 〇小時的範圍内設置。 在某些優選實施方案中，微粒計數器50是光學微粒計 數器（OPC )，其允許自動即時微粒計數並且允許直接、即 時的識別由例如矽烷與殘留水分和氧反應產生的假計數。 在採樣過程啟動的期間這些反應可能由採樣系統的不充分 1294517 吹洗/乾燥所導致。在達到系統的穩定狀態微粒水準後，通 過使用OPC的即時計數能力可能抵制此暴發狀態。 在不使用微粒計數器50時，可以通過關閉閥VI和V2 將其與系統隔離。這允許微粒計數器5〇保持免於污染，否 則其會進入到系統。 在本發明的優選實施方案中，當從系統去除這些假計數 時’微粒計數器50與捕捉過濾器6〇結合以提供測定方法。 $ 在本發明的這種實施方案中，可以同時或順序地將氣體進 料流引進微粒計數器50和捕捉過濾器6〇來測量。比如， 首先將氣體進料流25引入微粒計數器50，然後將氣體進 料流25的部分引入捕捉過濾器6〇，以證實微粒計數器5〇 觀測到的結果，並且如下所述進一步表徵微粒。在這些實 施方案中，然後僅隔離曝露於引入的氣體進料流25的捕捉 過濾器。 微粒捕捉過濾器60優選相對於微粒計數器5〇放置在採 φ樣系統的並聯一邊。可以在有或沒有減壓下操作微粒撤捉 過濾器60 ;在全壓系統或減壓下，氣體進料流25可以流 過微粒捕捉過滤器60。該直接採樣方法最小化了減壓器的 “排出”和雜質成核導致的假微粒計數的趨勢。捕捉過濾 器60也允許在各種分析器具諸如，但不限制於，掃描電子 顯微鏡（SEM)、X射線能譜分析儀（eDS)、光學顯微鏡， 和其他裝置下，驗證捕捉的雜質微粒。此技術提供額外甸 微粒鏡檢和成分資訊。此資訊有助於識別和消除系統中的 微粒源。 15 .1294517 在本發明的優選實施方案中，捕捉過濾器60具有兩個 裝置71、72，其允許將捕捉過濾器6〇從系統去除。當關 P才 1閥V3、V4、Vl7和V18時’通過裝置71、72可以容易 地將捕捉過濾器60去除。

-旦從系統10中去除捕捉過濾器6〇收集的微粒，其就 可以通過使用下面的方法分析。首先，在捕捉過渡器60表 面上的背景雜質（即在曝露於氣體進料流25之前捕捉過濾 器6〇表面上存在的污染物）優選與樣品污染物分離。典型 地在過滤II製造和處理過程期間產生背景雜質。在這點 上’必須以微粒捕捉方法檢測和估計過濾、器60上的背景雜 貝的表^度。鏡檢用來確定在非曝露過濾器上的背景微 粒的數量。這個可以福、取發 k僅檢驗過渡器表面的部分實現。 檢查過濾器表面區域的部分Ab，以獲得在那個裏背 微粒的數量NB〇在瞧嗖婵口尸_ 在*路樣乳體或超臨界流體後，檢查表 面區域部分Ap，以湓中*抓 确 在那個區域裏，背景和捕捉微粒的 二里广在曝露過濾器的整個表面上的捕捉微粒的總數 里N，如下得出·· = : = = : =積。如果V是樣品氣體或通 微粒濃度得出Γ的體積’那麼樣品的每單位體 C=N/V.

採樣系统i 〇 A 1+ A 濾、 哭Μ Μ 也/、有支路管40以允許循環/吹洗微粒過 器60的兩側， 許在過濾器60周圍初始化流動。支 16 1294517 路管40包括閥V5,其開通時允許通過下游的真空泵7〇, 諸如渦輪分子真空泵，用來自於惰性氣體源3〇的惰性氣體 . 循環-吹洗採樣系統10。一旦打開閥V6,真空泵70通過流 體官線1 3 0與糸統1 〇流體連通。 • 在本發明的一些實施方案中，真空泵70用來從低壓源 抽取樣品流體。樣品流體在通過真空泵7〇前通過微粒計數 器50或者捕捉過濾器60然後進入排氣控制系統。排氣 控制系統80和一個或多個燃燒器90可以包括例如氣體回 ♦收系統、燃燒系統、放空系統、滌氣系統、吸附系統、吸 收系統，或淨化和存儲系統。在放空流排氣控制領域中這 些系統是公知的。 在本發明的某些實施方案中，捕捉過濾器6〇可以是徑 跡蝕刻過濾器（track etch niter)或者多孔氧化鋁過濾器。 不同於OPC，在可測量的微粒濃度方面捕捉過濾器没有上 限。聚碳酸酯徑跡蝕刻過濾器膜可以小如15nm的孔徑得 φ到。氧化鋁過濾器膜可以小如2〇nm的孔徑得到。氧化鋁過 濾器的更南孔密度在高流速率提供最小的流體阻力。在最 小時間内的高流體速率有益於採樣大量氣體。微粒捕捉過 濾器60可以封裝在抗壓過濾器的殼體諸如由Milli〇R公司 的Bedford，MA製造的第灯45025〇〇號25mm不銹鋼過濾 器殼體。過濾器殼體包括過濾器膜，其中用各種彈性體材 料諸如鐵氟龍TM0環密封。此過濾器膜用於如捕捉在不同 高壓氣體包括矽烷中的微粒。在過濾器上捕獲氣體進料流 中的微粒之後，可以使用各種技術諸如，但不限於，光學 17 1294517 顯微鏡術、SEM和EDS來分析微粒。 在本發明的優選實施方案中，微粒捕捉過濾器6〇可以 是耐化學過濾器介質諸如鐵氟龍tm微孔膜。由於它們的粗 表面結構，這種膜不適用於EDS或顯微微粒檢驗。然而， 通過在各種酸或溶劑裏的煮解或溶解可以分析在這種過濾 器上捕捉的微粒成分和總捕捉量。然後通過各種已知的方 法包括液體色譜法來分析所述酸或溶劑。 • 將採樣系統10設計為用於齊全即用（turnkey )操作， 且連接到任何選擇的氣體進料源。該系統可以用於週期性 瓶的評定檢測、矽烷分配系統的點對點微粒測量研究，或 者氣體轉移填充系統或者氣體分配系統的連續報警監測。 一般通過使用壓力計例如薄膜式壓力計測量在系統10 中引入的氣體進料流25的壓力。在圖2中描繪的系統中， 將樣本進料流送入現場燃燒器或9〇中。然而，根據進料氣 流25的特性，也可以將樣品進料氣體排出、收回或送入排 φ 氧控制系統80或吸附器、吸收器（absorper )、滌氣器、淨 化器和存儲系統中（沒有示出），或者循環至主氣體進料供 應（沒有示出）。 通常使用^里控制器12 0在測試過程中控制及監視通 過微粒計數器或微粒捕捉過濾器的樣品氣流的速率。流量 控制器1 20可以包括手工操作的流量控制閥和流量計諸如 品質流量計’或者流量控制器120可以包括自動開動的流 量控制器諸如品質流量控制器。來自於流量控制器丨2〇的 樣品氣體下游可通過流體管線140排出，其也與真空系7〇 18 •1294517 流體連通。 在本發明的優選實施方案中，氣動開動閥在不使用時可 •卩與系統的清潔内部構件隔離。在每個採樣操作之前使用 •處理邏輯控制器（PLC)(沒有示出）自動順序執行循環吹 洗和採樣工序。PLC接收夾白厭士你、、，w 莰收采自壓力傳送器和熱追蹤溫度控 制器的輸入以確保在操作期間真空壓力循環在指定的_ 内。在某些實施方案中，在循環吹洗期間熱追蹤管線保持 #在⑽。。。在循環吹洗期間將系統排空到<5〇托並且返 大氣壓至少150次。 在循環吹洗以排除大氣之前以及採樣去除任何殘留氣 體之後’用淨化的惰性氣體沖洗系統。根據待採樣的氣體 的特性，比如當樣品氣體包括石夕烧時，沖洗循環可以將這 些氣體送入諸如回收系統、燃燒器或者務氣器。在其他實 施方案中，沖洗循環可以將氣體排到大氣。在系統與氣體 進料源連接時，採樣過程之前和之後，執行吹洗操作。在 _惰性氣體沖洗操作期間樣品源閥是關閉的。在樣品氣體包 含石夕燒的實施方案中，將吹洗氣體送入石夕院燃燒器、回收 系統或者滌氣器。在系統與矽烷源斷開時惰性沖洗過程也 可以用來吹洗出（purge_out)石夕烧源連接裝置。吹洗是用 來阻止污染物進入到開放採樣系統。惰性氣體將 口管排出到大氣。 、在本發明諸如圖2描繪的優選實施方案中，包括熱追鞭 以最小化系統中的痕量水分。在這些實施方案中，優選微 粒計數器和微粒捕捉過濾器上游的所有系統元件（參見圖 19 1294517 2中粗線）是熱追蹤的。熱追蹤包括可以固定到諸如系统 管、閥、過濾器殼體、壓力調節器和其他部件的外部表面 的電阻加熱部件。熱追蹤包括溫度感測器，諸如提供溫度 回饋給溫度指示器，和諸如處理控制器或者溫度繼電哭： 溫度控制器的熱電偶。溫度控制器包含設計用於調節加埶 部件功率的㈣，以用來保㈣統内設定溫度。這種加熱 用。來快速消除來自系統内表面吸收的痕量水分在檢驗過 =之後，允許去除來自系統的痕量殘留樣品流體。在某些 貫施方案中’系統10可以使用能夠檢測管線中的殘留水分 的水分分析儀⑽，且例如如果氣體進料流中水分超出了 預期水準可以驅動各種閥。在此或其他實施方案中，系統 10可以使用氧感測n，其在檢測氣體進料流記憶體在的氧 的方面與水分分析儀以類似的方式起作用。 在本發明的其他優選實施方案中，可使用在此描述的方 Μ系4*通過在車父兩壓力下使用一個或多個淨化器從氣體 Φ進料流去除痕量雜質以提供淨化的氣體進料流和以將淨化 2氣體進料流的壓力減小到較低壓力氣體進料流而隨後不 會形成微粒。在此使用的術語“較低壓力氣體進料流”描 述了已經通過了減壓裝置的淨化氣體進料流，諸如沒有限 制的自動壓力調節器、闕、節流孔板或類似物。在淨化 之後將初始氣體進料流的壓力減小到與用於微粒測量的儀 為一致的水準。例如，在本發明的一個實施方案中，氣體 進料/’IL 了以疋範圍從15Q到10,⑽〇 psig的初始壓力。然後 降壓裝置減小淨化的氣體近料流的壓力到從0到150 psig 20 1294517 的壓力範圍。可以根據氣體進料流的初始壓力、使用的降 壓裝置的類型、微粒測量儀和/或其他變數來改變在此描述 的壓力範圍。 在此使用的術語“淨化氣體進料流，，描述已通過用來 去除其中包含的各種雜質的一個或多個淨化裝置的氣體進 料/瓜4田述的系統和方法沒有不利地影響諸如可由降壓裝 置引起氣體進料流的微粒含量增加。在某些實施方案中， 淨化氣體進料流的微粒含量與通過淨化^前的氣體進料 流的微粒含量基本相同。 在此的術s吾雜質指存在於初始氣體進料流中的污 染物質的小部分，根據氣體進料流成分，例如但不限制於， 矽氧烷、碳氫化合物、水分和其他污染物。在某些實施方 案中，存在於氣體進料流中的雜質是矽烷氣體進料流中的 矽氧烷或氮和/或矽烷氣體進料流中的碳氫化合物。在此使 用的淨化裝置是-種充分地去除包含在氣體進料流（比如 φ體積大約5%及以下，或者體積大約1%及以下，或者體積 大約0.01%及以下）中所有雜質而對氣體的化學組成沒有 不利影響的儀器。在某些實施方案申，淨化裝置不實質影 響氣體的微粒含量，或者基本上沒有去除或者添加微粒到 淨化的氣體進料流。在這些實施方案中，淨化氣體進料流 的微粒含量與初始氣體進料流的微粒含量（也就是微粒數 量的10%以内或者5%以内或者1〇/〇以内）基本相同。然後 淨化氣體進料流經過降壓裝置以提供較低壓力的氣體進料 流。然後將較低壓力的氣體進料流送入到微粒計數器。 21 •1294517 現在參照圖3，說明了本 案。圖3的系統除了包括以去;/的另一個優選實施方 雜質的雜質淨化裝f 7ηΛ从 ^ r居如刀子 裒置7〇〇外，圖3的系統與圖 同的數位指相同的部彳〒相 方去㈣m 相類似。此描述的系統和 方法==裝置700可以是例如擴散式氣固相分離 β ’或者是兩者。在現有技術中還沒有將擴散式氣 固相分離器與下游降㈣置組合使用以作為淨化在升二 壓力下刼作的專用處理氣體的裝置，和/或在氣體膨脹過程 期間用於阻止痕量分子雜質成核。同樣地，在氣體處理中 冷胖是公知的作為從流動流體去除雜質的裝置，在減壓前 冷牌一般不用於作為從加壓流中去除雜f的裝置，在減壓 期間也不作為阻止微粒形成的裝置。 在本發明優選實施方案之一中，淨化裝^ 7〇〇是擴散型 氣固相分離器，諸如圖4A、4B、4C分別描繪的降壓裝置 52上游安置的中央氣固相分離器71〇、環形氣固相分離器 720和鰭形氣固相分離器73〇β在某些實施方案中接著可 以使用較低壓力氣體進料流25b以提供樣品流給圖2和圖 3中低壓微粒計數儀5 0。 在雜質和微粒檢測領域中’擴散型氣固相分離器，這裏 指“擴散式氣固相分離器，，是公知的。這類儀器一般用於 大氣採樣或其他不改變氣載微粒含量而需要去除分子雜質 的應用中。它們也用作將痕量分子雜質從空氣樣品中收集 到表面上以用於以後的分析的没施。运類儀器一般設計為 在大氣壓和溫度的情況下使用，並證明能去除多於99%的 22 .1294517 氣載雜質。擴散式氣固相分離器是管式流體儀器，其利用 分子雜質的較高的擴散率來將雜質從氣體進料流中去除， 而不日月暴頁,衫響懸洋微粒含量。在氣體進料流中的常規微粒 〃有比¥規刀子更低的擴散率。這主要是由於微粒的尺寸 基本上=於分子。例如，〇 〇2微米的微粒在氣氣中僅有 0·019cm /s的擴散係數（由於大微粒在氣體中的較低遷移 率八甚至具有更小的擴散係數）。相比之下，分子雜質的常 規擴散係數數值更大。例如，水在空氣中具有。·22(^ 的擴政係數。因此，懸浮微粒趨向跟隨流動氣體，而分子 雜質趨向更容易擴散到表面。 在本發明的優選實施方案中，淨化裝置700是擴散式氣 口相刀離g ’其從氣體進料流中基本上去除所有的分子雜 貝而不明顯去除其中包含的微粒。用來影響降壓前的氣體 進料流内微粒去除率的變數包括氣流速、氣固相分離器長 度和儀器的水力丰握。尤换#斗、友^、 干仫在擴政式虱固相分離器中，氣體進 • 料流内的雜質曝露於4卜昼；5座主 聲路於化予反應表面，篩式或多孔隔板後包 含吸收劑或其他淨化介質。隔板設計成物理上包含粒狀或 丸狀的淨化介質，以阻止氣流直接通過介質層。結果，雜 質保留在淨化，I質中而剩下的通過介質的進料氣體作為淨 化的進料氣體。在擴散式氣固相分離器的一個具體例子中 其用於從空氣中去除水分雜質，在擴散式氣固相分離器中 的淨：介質由乾燥材料組成，例如DrieriteTM，該乾燥材料 圍繞者包含线的氣體進料流且通過管狀不錄鋼篩與空氣 隔離。水分通過筛從空氣中擴散到周圍的DrieriteTM並將 23 -1294517 其去除。在從含空氣的氣體進料流中去除氨雜質的傳統氣 固相分離器的另一個例子中，淨化裝置是玻璃流管，其内 邠用草fee塗敷以從氣體進料流中吸收NHs雜質而不影響其 微粒含量。 在本發明的優選實施方案中，在諸如氣固相分離器的淨 化裝置中的淨化介質可由各種公知的吸附劑、吸收劑或催 化劑材料組成，諸如活性碳、乾燥劑（例如DrieriteTM)、 •酚樹脂（例如Ambersorb^)、鎳催化劑、銅催化劑等，其 根據待去除的雜質類型和/或氣體進料流成分來選擇。在此 描述的系統的一個例子中，由Ambers〇rbTM丸組成的淨化 介質裝在由兩端密封的不銹鋼篩管組成的封套内，且氣體 進料流流過其周目。例如，在圖4A (相對於圖2和圖3， 相同的數位指相同的部件）示出的實施方案中，含微粒 的氣體進料流25，諸如一種在14〇〇psig壓力下包含以札 的亂體進料流，例如，在通過降壓裝置52之前通過中央氣 •固相分離器71〇。在該具體的實施方案中，例如，中央氣 固相分離器710可以從初始SiH4氣體進料流中去除雜質諸 如矽氧烷和痕量碳氫化合物，同時允許在加壓儲存容器（沒 有示出）中初始產生的實際微粒無阻礙地通過。例如，中 央氣固相分離器710可以包括1/4英寸直徑的管狀篩或者 作為替代方案的幾個此類在1/2英寸直徑的加壓氣體管線 内串聯縱向排列的管狀篩。使用高純度自動壓力調節器（未 示出），SiH*氣體進料流的壓力可以減小成較低壓力氣體進 料流25b，諸如，80psig。含微粒43〇的SiH4 25b的較低壓 24 1294517 力乱體進n可以流人常規低壓微粒計數儀（未示出）。 在本毛月的另一個優選實施方案中，由粒狀活性碳組成 :淨化’丨質諸如環形氣固相分離器720，&括管狀不銹鋼 _組成的阻擒層’初始氣體進料流流過該不錄鋼篩。例如， 在個具體的實施方案中，如圖4B中所示，在㈧ 壓力下，肖#

鼠氟的初始氣體進料流25在通過降壓裝置 ^前可通過環形氣固相分離器720。在該實施方案中^環 形乳固相分離器720從初始N2氣體進料流去除存疑雜質， 諸如Jc刀#痕里碳氫化合物，同時允許在加壓儲存容器 中原始形成的實際微粒不受阻礙地通過。在-個具體的實 施方案中’丨形氣固相分離！ 720彳包括1/4 #寸直徑的 管㈣或作為替代方案的幾個此類的纟1 / 2英寸直徑的加 壓氣體管線内串聯縱向排列的管狀篩。使用壓力降壓裝置 52諸如流體節流孔板，然後淨化的a氣體進料流的壓力可 以減小到〇psig。含微粒43〇的較低壓力氣體進料流2%可

以流入常規低壓微粒計數儀（未示出）。 包括在多孔阻擋層後包含的淨化介質和位於適合的降 壓裝置上游的其他類似的幾何體可以用於在此描述的系統 和方法之中。例如這些幾何體可由在篩型或多孔阻擋層中 包含的淨化介質組成的扁平袋組成，且插入到減壓儀的氣 體管線上游之内。 在另外一個實施方案中，為了提供用於曝露氣體進料流 的a施，淨化裝置包括固定到加壓氣體管線内曝露的表 面的粒狀或丸狀淨化介質，例如如圖4B中描繪的環形氣固 25 1294517 刀離器720。使用適合的粘接材料固定介質。在該實施 方案中’不需要阻擔層以從氣體進料流分離所述介質。在 圖4C中示出了另一實施方案的例子，其中淨化裝置是鰭狀 氣口相刀離器73G ’其中淨化介質固定到氣體管線的内壁 或作為替代方案的其他的内表面，諸如扁平鰭、擋板、容 器等’以提供大表面面積用於雜質去除，同時不阻礙其中 包含的氣載微粒430的輸送或在減壓之前以保證精確的微 粒測量。 某二貫施方案中，在此描述的系統和方法可允許淨化 介質的替換或再生。可以使用在氣體淨化領域公知的方法 來實現再生，諸如，但不限制於，在升高的溫度下將其曝 露於高純㈣性再生氣體。通過從氣體管線去除氣固相分 離器材料或整個中央氣固相分離器來實現替換。 在另一個實施方案中’淨化裝置可包括較高冷凝點/凝 固點雜質的低溫冷㈣以在減壓之前去除雜質而不影響流 體中的微粒含量。 2和3’系統1()可使用電腦11〇 ’例如，其與微 粒計數器50、PLC或其他系統元件電連通。電腦ιι〇可在 系統内操作某些閥以基於某些氣體進料流内的參數（即， 微粒濃度、壓力、溫度、水分含量、氧含量等）自動作業 系統。在優選實施方案中，系統10也可使用测量氣體進料 流内的微粒量的感測器（未示出），和與感測器電連通的控 =(未示出）’這樣如果感測器在某點測量的微粒量料 δ又疋的點’那麼感測器指示樣品流入口閥關閉。 26 -1294517 根據本發明，測量氣體進料流内微粒含量的優選方法包 括將至少一部分的氣體進料流的通過淨化裝置以提供淨化 的氣體進料流的多個步驟，其中該氣體進料流處在第一壓 力下，淨化裝置基本上沒有去除淨化的氣體進料流内含的 微粒。接著，例如，將一部分的淨化氣體進料流引入到降 壓裝置内以將該部分的淨化氣體進料流的壓力降低到比第 一壓力更低的壓力。接著，將壓力低於第一壓力的該部分 的淨化氣體進料流引入微粒計數器並將另一部分的淨化氣 體進料流引入微粒捕捉過濾器來測量淨化的氣體進料流内 s的微粒含量，在此微粒捕捉過濾器與微粒計數器並聯排 列0 基於下面實施例的驗證，本發明的其他目的、優點和新 賴特性對於本領域的技術人員是顯而易見的，但本發明不 限於這些實施例。 • 實施例 實施例1 將圖2和圖3中所示類型的微粒計數器系統連接到各種 壓縮氣瓶。在本系統中使用抗壓力和腐蝕微粒計數器[微粒 /則量系統（PMS )，Inc· Modol Cylinder Gas System ( CGS ) 〇〇]。因此，儀器上游不需要降低樣品壓力。該儀器測量 在氣體樣品流内小到大小為〇 · 1 6微米的懸浮微粒。以19 實際cm3/min的低速率從每個瓶提取樣品氣體，並通過該 儀器。在這些測試中不使用微粒捕捉過濾器。儀器上游不 27 ' 1294517 進仃樣品氣體過濾。通常使用50 °C樣品管線的熱追蹤以 最小化可冷凝氣體中微滴的形成，和保持樣品管中低水分 . 含量。在儀器下游提供樣品氣體減壓、流速控制、減緩和 排放《又施在採樣刖將採樣系統循環加壓和加熱以去除大 氣雜質。在循環加壓後氣體從每個測試瓶中採樣至少57樟 準公升（2標準ft3)氣體。測試結果如表丨所示。 " 使用本發明，在每個種情況下的低微粒濃度證明了測量 鲁巾沒有外部污㈣、微粒形成或其他不精確源的干擾。 氣體 瓶壓 微粒/標準升 chf3 580 0 C2F6 590 0 He 2640 0 h2 2525 0 HC1 632 0.18 n2 2100 0 n2o 400 ~~—---__ 0.13 sf6 274 —------ 13 cf4 1770 ——-—~____ 3.7 Ar 2655 ----—---- —-----—-- 0.25 C12 96 0.33 nf3 1450 ^044 nh3 135 0.030 〇2 265 1 2.2 SiH4 766 0.047 4 1 土加0·16微米微粒的濃度 28 1294517 實施例2 將在本專利申請中所述類型的微粒計數系統連接到壓 縮SiH4 (矽烷）氣瓶。儀器或微粒捕捉過濾器的上游不進 行樣品氣體的過濾。通常使用5〇樣品管線的熱追蹤以 保持樣品管中低水分含量。在微粒計數器和微粒捕捉過濾 器的下游提供樣品氣流控制和減緩。在採樣前將採樣系統 循環加壓和加熱以去除大氣雜質。

在該系統中使用抗壓力微粒計數器[微粒測量系統 (PMS ) ^ Inc. Modol Cylinder Gas System ( CGS) M100 J

Cylinder Gas System, Inc·，Boulder Co]。因此，儀器上游 樣品壓力不需要降低。該儀器測量在氣體樣品流内小到大 小為0.16微米的懸浮微粒。以19實際Cln3/min的低速率從 776 psig Si^瓶中提取樣品氣體，並將其通過該儀器。在 氣體中僅測量每標準公升〇·〇47的微粒濃度。使用本發明， 該低微粒濃度證明在測試系統中沒有外部污染物、微粒形 成或其他不精確源的干擾。 在測試系統中也使用抗壓力和腐蝕的微粒捕捉過濾器 套件。捕捉過濾|§由具有0·1微米孔的3.8cm直徑的 Whatman聚碳酸酯徑跡蝕刻膜組成。樣品siIi4以每分鐘近 似1標準公升從瓶流過。採樣大約進行362分鐘。因此大 約3 62標準公升的SiHU的總樣品體積通過微粒捕捉過濾 器。 — 然後在場致發射SEM ( FESEM )下以5 〇，〇00X放大率測 試微粒捕捉過濾器。通過手工推進光栅圖中檢驗點通過過 29 1294517 渡器進行SEM測試。在過濾器表面檢測共901個點。總的 檢測面積為曝露的過濾器表面的大約0 0015%。使用χ射 線能譜分析儀（ED S )來確定觀察的表面微粒的四種組份。 表面微粒的一個SEM圖和EDS光譜在圖5中示出。資料 表明在SEM和EDS檢測之前由捕捉過濾器的鉑金屬的塗 層引起表面微粒。在檢測中沒有發現其他的微粒類型。 這些檢測表明可以獲得曝露於反應樣品氣體的表面上 的微粒的成分，使用本發明可以測定微粒源。EDS資料也 增強微粒計數器觀測，這表明在SiH4樣品流中有少量固有 微粒。 將前述實施例和優選實施方案的描述作為說明，而不 是將本發明限制於申請專利範圍定義的那些。應該清楚， 不脫離申請專利範圍中闡述的範圍，本發明可利用上述特 徵的各種變化和組合。這些變化不看作脫離本發明的精神 和範圍，且所有這類變化意圖被包括在隨後的申請專利範 圍内。 圖式簡單說明 圖1是通過減壓裝置的一般的氣體進料流的示意圖； 圖2是根據本發明的一個實施方案的系統的示意圖，在 此被描述為離線採樣系統的系統； 圖3是根據本發明的另一個實施方案的系統的示意 圖，在此被描述為離線採樣系統的系統； 圖4A-C是本發明的一個方面的幾個實施方案的示意 30 1294517 圖；和 圖5是通過本發明的系統捕捉的微粒的SEM顯微照片 和EDS光譜。 主要元件之符號說明 1、25、25b··氣體進料流；2·.閥；3、430.·氣載微粒； 4.. 微粒；5..壓力氣流；10··系統；20.·氣體源； 30.. 惰性氣體源；35·.惰性氣體淨化器；40..支路管；

50.·微粒計數器；52、54··壓力調節器；60..過濾器； 70··真空泵；7卜72··裝置；80·.排氣控制系統；90··燃燒器； 100··水分分析儀；110..電腦；120..流量控制器； 130、140..流體管線；700··淨化裝置； 710、720、730··分離器

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Claims (1)

1294517 十、申請專利範園： 1 · 一種測篁及/或分析氣體進料流内微粒的系統，該系 統包括： 微粒計數器；及 微粒捕捉過濾器，其中微粒捕捉過濾器與微粒計數器並 聯排列。 2 ·如申请專利範圍第j項的系統，其進一步包括提供淨 •化氣體進料流的淨化裝置，其中淨化裝置實質上沒有去除 淨化氣體進料流内含的微粒。 3.如申請專利範圍第2項中的系統，其中淨化裝置包括 擴散式氣固相分離器、冷阱，或者兩者都包括。 。4.如申請專利範圍第1項的系統，其進一步包括微處理 器，所述微處理器至少與微粒計數器電連通。 5.如申請專利範圍第丨項的系統，其進一步包括真空 泵。 • 6:如申請專利範圍第1項的系統，其進-步包括樣品管 、‘、π蹤系統，所述熱追蹤系統包括溫度感測器、加熱源， 和與'皿度感測器和控制器電連通的控制器。 7·如申請專利範圍第Μ的系統，其進一步包括濕度分 析。 “8如申請專利範圍第1項的系統，其進-步包括排放控 制裝置。 9·如中請專利範圍第i項的系統，其進少一 個惰性氣體入口系統。 32 1294517 10.如申請專利範圍第1項的系統，其進一步包括測量 氣體進料流内微粒量的感測器；及 與感測器電連通的控制器，以使得如果感測器測量微粒 量高於設定量，則感測器指示樣品流入口閥關閉。 11 · 一種測量低壓氣體進料流内微粒含量的系統，所述 系統包括： 淨化裝置，以去除氣體進料流内雜質並提供淨化的氣體 進料流； 與淨化裝置流體連通的降壓裝置，其中淨化的氣體進料 流通過降壓裝置以提供較低壓的氣體進料流； 微粒δ十數器，其測量低壓氣體進料流内微粒的含量；及 微粒捕捉過濾器，其中微粒捕捉過濾器與微粒計數器並 聯排列。 12.如申請專利範圍第11項的系統，其中淨化裝置包括 擴散式氣固相分離器、冷阱，或兩者都包括。 13·如申請專利範圍第“項的系統，其進一步包括至少 與微粒δ十數器電連通的微處理器。 步包括真空 14.如申請專利範圍第u項的系統，其進一

、加熱 分析器。 步包括樣 步包括濕度 33 1294517 17·如申請專利範圍第11項的系統，其進一步包括排放 控制裝置。 1 8_如申請專利範圍第11項的系統，其進一步包括至少 一個惰性氣體入口系統。 19·如申請專利範圍第11項的系統，其進一步包括測量 氣體進料流内微粒量的感測器；及 與感測器電連通的控制器，以使得如果感測器測量微粒 量高於設定量，則感測器指示樣品流入口閥關閉。 20. —種測量和/或分析氣體進料流内微粒的系統，所 述系統包括： 微粒計數器； 微粒捕捉過濾器，其中微粒捕捉過濾器與微粒計數器並 聯排列。 至少與微粒計數器電連通的微處理器； 真空泵；

水分分析器； 排放控制裝置； 至少一個惰性氣體入口系統；及 樣品管線熱追縱系統，所述熱追蹤系統包括溫度感 器、加熱源、，和與溫度感測器和控制器電連通的控制丨 21.如申請專利範圍第20項的系統，直進一步包4 測量氣體進料流内微粒量的感測器;及與感測器電; 的控=，其中如果感測器測量微粒量高於設定量，丨 測器指示樣品流入口閥關閉。 34 1294517 22. 如申請專利範圍第2〇項的系統， u 六進一步包括淨 裝置以提供淨化的氣體進料流，其中淨 ^ ^置基本上沒有 去除淨化的氣體進料流内包含的微粒。 23. 如申請專利範圍第22項的系統， 尸 ，、中♦化裝置包括 彍政式氣固相分離器、冷阱，或兩者都包括。 24· —種測量氣體進料流内微粒含量 里而万法，該方法包 括： 將至少一部分的氣體進料流通過淨化裝置，以提供淨化 的氣體進料流，其中淨化裝置基本上沒有去除該氣體進料 流内含的微粒，其中所述氣體進料流處在第一壓力下· 將一部分的淨化的氣體進料流導入降壓裝置，以將該部 分的淨化氣體進料流的壓力降低到比第一壓力低的壓力； 及 將處在比第一壓力低的壓力下的該部分的淨化氣體進 料流通過微粒計數器和使另一部分的淨化氣體進料流通過 • 微粒捕捉過濾器來測量淨化的氣體進料流内含的微粒含 量’其中微粒捕捉過濾器與微粒計數器並聯排列。 25·如申請專利範圍第24項的方法，其中所述測量步驟 包括同時將處於比第一壓力低的壓力下的該部分的淨化的 氣體進料流通過微粒計數器和將另一部分的淨化的氣體進 料流通過微粒捕捉過濾器。 26.如申請專利範圍第24項的方法，其中所述淨化裝 置包括擴散式氣固相分離器、冷阱，或者兩者都包括。 35