电子特气中痕量水分测量方法

高艳秋 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

随着半导体制造、薄膜晶体管(TFT)以及光伏(PV)等电子工业的高速发展，对电子特气杂质含量的要求越来越严格。即使极微量的杂质气体进入工序中也可能导致最终的电子元器件产品质量下降。而水由于其较强的产生氢键的能力以及使电子特气水解和氧化，对产品质量的影响尤其显著。作为重要的质量控制指标，如何准确可靠地测定电子特气中痕量水分一直是电子特气分析中所要面对的主要问题之一。

本文主要对电子特气中痕量水分的测量方法进行了讨论，包括取样方法和分析设备等。

1 取样方法

水分不同于其他气体杂质，由于氢键的作用，极易被吸附，因而导致在测量点所测得的结果往往不仅是气体样品中的水含量，还包括管道、接头、阀门和过滤器等处所吸附的水分以及由于系统泄漏所带进的水分。而目前常用的电子特气如硅烷、磷烷、氯气、氨气等，往往有毒，易水解，易燃或有强氧化性，部分甚至具有较强的腐蚀性。因此，如何正确进行取样，以保证测量结果真实可靠，防止样品在取样过程中被氧化或水解，同时避免特气样品泄露的风险，就显得尤为重要。本文介绍了一套用于电子特气分析的取样系统(图1)。

图1 电子特气取样装置

该取样系统的优点：

1）取样前用高纯氮气对管道进行置换吹扫，确保系统内无残留空气和水分；

2）使用文丘里系统(采用Park公司VAC100真空发生器），当压力为0.55 MPa时真空度达16.665 kPa对取样系统抽真空，可以有效减少置换次数，加快置换速度，减少样品气消耗量。而使用真空发生器不但价格低廉，无需维护，且可避免使用真空泵可能产生的风险；

3）可定期使用高压氮气对系统进行保压测试，以确保取样系统无渗漏；

4）非测量状态时，使用高纯氮气对分析仪进行吹扫保护，可大大加快测量速度，减少样品气消耗量。

为避免渗漏，系统所有连接均采用焊接或VCR连接方式，阀门则选用隔膜阀。所有管道、阀门及其他器件均使用316L不锈钢材质，管道采用EP10级内抛光管。

测量前应使用高纯氮气对系统管路进行吹扫置换，以去除系统中所残留的水分。还可在吹扫时对管道进行加热，以加快吹扫置换速度。

2 分析设备

目前国内测量电子特气中的水分含量主要采用电容法、电解法以及露点法等。但随着电子工业的高速发展，这些方法已渐渐无法满足越来越严格的痕量水分分析需求。因此，本文介绍了两种新的水分测量方法。

2.1 石英振荡法

石英振荡法基于石英天然所具有的振荡频率。将一种敏感的吸湿材料涂覆于石英晶体上制成振荡轮，当振荡轮置于携带有水分的待测样品气中，涂覆在表面上的吸湿材料吸附或解吸水分使振荡轮质量发生变化，从而导致石英晶体振荡频率发生变化。测量此时的振荡频率，并与振荡轮置于准干燥“参比”气体的振荡频率进行比较（振荡频率的变化值与所测量的样品气中水分含量成正比），通过测量振荡频率的变化值即可测得待测样品气中的水分含量。

石英振荡法水分仪的优点是其测量原理属于绝对测量法，测量结果较为准确，灵敏度较高，几乎无漂移，使用前无须预干燥，且几乎不需维护。

用于电子特气分析具有代表性的石英振荡法分析仪器为美国AMETEK公司所生产的5800型水分仪。其性能参数如下：量程：（0 ～ 100）×10-6V/V；灵敏度：5×10-9V/V；测量准确度：20×10-9V/V。

从AMETEK 5800型水分仪内部流路图(如图2所示)可以看出，该仪器针对电子特气分析做了特殊设计，例如使用限流管代替质量流量计或流量控制阀，以防止渗漏。如果采用哈氏合金材质的管道及器件，AMETEK 5800型水分仪几乎可以用于绝大多数电子特气中的水分分析。

图2 AMETEK 5800 内部流路图

从使用AMETEK 5800型水分仪对三氟化氮（NF3）和四氟化碳（CF4）进行分析的结果(表1)看，该水分仪较为稳定，且重现性较好。

石英振荡法水分仪的缺点是检测速度不够理想，且测量结果依赖于纯化器所制造的准干燥气体，一旦纯化器失效，将严重影响分析结果。在使用过程中，应注意尽量避免样品气中油或颗粒进入检测池而影响分析结果。

2.2 光腔衰荡法

光腔衰荡法是一种新的水分测量方法，其原理是分别测量一束波长合适而不能被待测样品气中任何组分所吸收的光线以及一束波长恰好能被水分所吸收的光线在充满了样品气的光腔中衰荡的时间，这两个衰荡时间之差[更准确地说是衰荡时间的倒数(衰减速度)之差]与样气中的水分含量成比例。通过测量衰荡时间之差即可测量待测样品气中的水分含量。

表1 NF3及CF4分析结果

光腔衰荡法同样属于绝对测量法，其优点是测量结果较为准确，灵敏度较高，可测量10-9数量级的痕量水分，分析速度快，且几乎不需维护。

光腔衰荡法的代表性仪器为美国Tiger公司所生产的HALO以及ALOHA等。以HALO为例，仪器内部气路结构(如图3所示)极为简单，有效地防止了渗漏。

图3 HALO水分仪内部流路图

但要注意的是当用于测量电子特气时，需选择合适波长的激光，以避免样品气本底的干扰。当待测样品气具有腐蚀性时，需选用哈氏合金材质的管道及器件。

3 结语

上述的取样系统及测量方法适用于大多数电子特气中的水分测量，有效地解决了现有方法的种种问题。但对于某些具有特殊性质的电子气体仍需根据实际情况选用其他合适的取样和测量方法。

要解决如何克服温湿度等环境条件对测量结果的干扰，如何对分析仪器进行校准以确保分析结果准确可靠等问题，仍需不断地进行研究和试验。

[1]阎文斌. 微量气体定量分析的新方法：光腔衰荡光谱[J]. 低温与特气, 2007, 25(1)： 35-38.