超純氨中微量水分的測(cè)定

邱昌福談敦玲劉尚文宋艷紅王愛(ài)艷

（1.浙江建業(yè)化工股份有限公司，浙江 建德 311604；2.浙江建業(yè)微電子材料有限公司，浙江 建德 311604）

超純氨中微量水分的測(cè)定

邱昌福1,2談敦玲1劉尚文1宋艷紅2王愛(ài)艷1

（1.浙江建業(yè)化工股份有限公司，浙江 建德 311604；2.浙江建業(yè)微電子材料有限公司，浙江 建德 311604）

本文敘述了一種使用光腔衰蕩光譜法測(cè)定超純氨中微量水分含量的方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用這種方法分析超純氨的水含量簡(jiǎn)單、快速可行，能滿(mǎn)足產(chǎn)品生產(chǎn)監(jiān)測(cè)的需要。

微量水分析；光腔衰蕩光譜法

超純氨是微電子氮化硅和氮化鎵掩蔽膜的主要材料，是光電子領(lǐng)域、半導(dǎo)體、發(fā)光二極管（LED）行業(yè)的重要原材料。其純度對(duì)器件產(chǎn)品的使用壽命、材料的電學(xué)性能和光學(xué)性能具有直接的影響[1]。

有文獻(xiàn)表明[2]，超純氨在硅片中的生產(chǎn)中僅含0.005%的微量水分時(shí)，都會(huì)使整個(gè)硅片報(bào)廢。因此，氨中水含量指標(biāo)一直被嚴(yán)格監(jiān)控。測(cè)量超純氨中微量水分一般使用專(zhuān)業(yè)的水分分析儀器來(lái)完成[3,4,5]，超純氨中水分檢測(cè)應(yīng)用較多的儀器主要有三種類(lèi)型：電容式、電解式和晶體振蕩式。這三種分析原理的儀器型號(hào)眾多，其精度、準(zhǔn)確性、應(yīng)用范圍等各不相同[6]。本文簡(jiǎn)述了光腔衰蕩光譜法[7]檢測(cè)超純氨氣中水含量原理及其在實(shí)際工作中的應(yīng)用。

1 采樣及管路連接

1.1 采樣

檢測(cè)超純氨中微量水分對(duì)操作要求非常高，管線(xiàn)接頭、采樣閥的潔凈度、流量及濕度對(duì)都會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果。所以，一般選用死體積小的針閥或減壓器，管線(xiàn)選用內(nèi)壁潔凈度高的、短的不銹鋼管，內(nèi)徑則以尺寸為1/16 in或1/8 in較好；測(cè)量時(shí)氣體流量控制在200-1500 mL/min范圍內(nèi)，室溫控制在20-40℃，濕度則控制在30%～80%范圍，具體操作要求應(yīng)結(jié)合儀器的相關(guān)參數(shù)。

1.2 管路連接

采用高純氣體連續(xù)吹掃置換管線(xiàn)、閥件、水分分析儀器的氣體，使整個(gè)系統(tǒng)保持潔凈、干燥，管路一般采用VCR連接，選用金屬膜片和沒(méi)有死角的減壓器。從氣源到分析儀入口采用最短的管線(xiàn)連接。氣路連接方式見(jiàn)圖1。

圖1 氣路連接方式

2 微量水分的測(cè)量方法

超純氨中水分的測(cè)定方法是基于光腔衰蕩光譜（CRDS）原理，檢測(cè)時(shí)一小部分脈沖激光會(huì)進(jìn)入光腔，且經(jīng)過(guò)高度反射性鏡面多次反射，每進(jìn)行一次反射都會(huì)有微小的光透過(guò)鏡面而離開(kāi)光腔，這部分微小光就形成了光腔衰蕩信號(hào)。在光腔衰蕩光譜法測(cè)量中，首先測(cè)量沒(méi)有樣品吸收時(shí)的衰蕩時(shí)間，此時(shí)激光的頻率被調(diào)到分子沒(méi)有吸收的位置。然后再測(cè)量分子吸收高峰頻率位置時(shí)的衰蕩時(shí)間。這兩個(gè)測(cè)量位置的反射率基本恒定，激光頻率都處于鏡面反射區(qū)。最后通過(guò)計(jì)算分子密度，計(jì)算出氣體中的水含量。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 儀器

Tigeroptics HALO3-H2O。

3.2 材料

超純氨裝置在線(xiàn)氨氣(99.99999%)，鋼瓶氨氣(99.9999%)。

3.3 方法

用樣品對(duì)采樣管路進(jìn)行充分吹掃、置換，保證系統(tǒng)的潔凈、干燥。設(shè)定氣體流速為2L/min，溫度25℃，濕度55%。使用該儀器檢測(cè)在線(xiàn)超純氨及瓶裝氨氣體的含水量，待儀器穩(wěn)定時(shí)，讀取氨氣體中的水分含量。每隔20 min讀數(shù)一次，連續(xù)讀五次，其結(jié)果見(jiàn)表1、2。

表1 超純NH3中水含量在線(xiàn)測(cè)定單位：10-9

表2 鋼瓶中超純NH3含水量的測(cè)定單位：10-9

3.4 結(jié)論

從表1、2中可看出，使用Tigeroptics HALO3-H2O光腔衰蕩色譜法測(cè)量超純氨中的水分含量，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度高、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2%，滿(mǎn)足超純氨中痕量水的測(cè)試，可以用于超純氨生產(chǎn)中的在線(xiàn)及成品質(zhì)量的控制、監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)多次檢測(cè)使用光腔衰蕩光譜法測(cè)量超純氨中微量水分，發(fā)現(xiàn)此法具有靈敏度高，穩(wěn)定性好，準(zhǔn)確度高，響應(yīng)快速，操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，效果良好，能滿(mǎn)足產(chǎn)品生產(chǎn)監(jiān)測(cè)。

[1]孫福楠.5.5N以上超純氨的研制及產(chǎn)業(yè)化[J].低溫與特氣,2002，20；25.

[2]孫福楠,高純氨的大規(guī)模生產(chǎn)[J].半導(dǎo)體技術(shù)，1998，23（1）:44-46.

[3]Tadahiro Ohmi.Trace moisture Analysis in Specilaity Gases [J].Electrochem.Soc,1992,139:2654.

[4]張鳳利.氣體中微量水分析方法概述[J].低溫與特氣，2010，28(6)：8-10．

[5]葉相平.淺述高純氣體中微量水的分析[J].低溫與特氣，2014，32(3):33-36.

[6]黃健，江艷霞?xì)怏w中微量水分的在線(xiàn)檢測(cè)[J].江西冶金，2016,36(3):44-48.

[7]閻文斌.微量氣體定量分析的新方法：光腔衰蕩光譜[J].低溫與特氣，2007，25:35.