专利名称：有可调喷射器的等离子喷管和使用该喷管的气体分析仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种等离子喷管，它用于激励气种，以便对该气体进行分析。
本发明还涉及到一种使用上述等离子喷管的气体分析仪。
目前，气体分析技术是诸如过滤、水解或喷洒之类的间接技术，在这种技术中，于进行分析之前从气体中抽出浓度要加以确定的杂质。
因此，例如，过滤分析技术使用了一种对要加以分析的气体进行过滤的薄膜，以便挡住前述气体包含的杂质。然后，将这些杂质溶解在酸溶液中再例如用光谱测量法加以分析，以便确定所述杂质的特性和浓度。
这些通常的分析技术具有多种缺陷。
首先，由于这些技术的特征，特别是由于存在有抽取要加以分析的颗粒的这样一个步骤，故这些技术不能连续地适用于一定质量的要加以分析的气体。
而且，这些技术会给出相对不精确的结果，因为，这些技术只能获得与样本总量相对应的平均浓度值。所以，这些技术不能检测到瞬时浓度变化。
此外，某些杂质颗粒可能呈挥发性化合物的形式，用前述技术无法从所述气体中抽取出这些挥发性化合物。因此，可能会对所获得的结果估计不足。
最后，上述技术具有污染所述气体这样并非是不显著的危险并且需要有较复杂的设备。
业已试图用直接气体分析技术来克服这些缺陷。
依照这种技术，将要加以分析的气体样本输入进诸如等离子之类的能将存在于所述样本中的化学物质分解成自由原子然后激励并有选择地使所获得的原子离子化的热源。然后，通过测定受激原子所发射出的各种波长来检测所述原子，或者，若受激原子被离子化，则通过测定它们的质量来检测所述原子。
尽管这种技术能连续地对气体进行分析，但这种技术仍具有多种缺陷，这特别是由于用来生成所述等离子的感应器附近的洛仑兹力作用所导致的气体循环运动。
所述循环运动会使气体到达等离子的边缘并使得分解产物沉积在喷管上从而使该喷管受到不希望有的污染，这就会阻碍光学检测并且会改变电感线圈与等离子之间的能量传递。
而且，在上述边缘区域流动的气体会受到较少的激励，从而会降低测定的精确性。
本申请人对这一主题进行的研究业已证明，随要加以分析的气体性质的不同(例如，根据所分析的气体是或不是双原子气体)，在将要加以分析的气体输入进等离子时，存在有将所述等离子吹跑的主要危险。
本发明的目的是克服上述缺陷。
所以，本发明的内容具体是一种等离子喷管，它用于激励气体以便对该气体进行分析，所述喷管包括一喷射器，它具有呈总管形式的结构，以便与一气源相连，该气源用于提供要加以分析的气体；以及，一外部柱形套管，它具有双层壁面、与所述喷射器相共轴并且在该套管的连续内部与外部壁面之间限定了一柱形环状通道，该通道用于提供等离子气体，所述套管用于与相应的供给源相连，以便在所述套管的出口处生成等离子；所述喷管的特征在于前述喷射器的直径是可变的。
本发明的等离子喷管还包括一个或多个下述特征-所述喷射器的直径是可变的，该直径通过采用下列结构而具有至少两个值，所述结构是喷射器由至少两个共轴的导管即一个是内部导管另一个是外部导管构成，内部导管能在外部导管内垂直滑动；-依照本发明的一个实施例，所述喷射器的直径在0.8至3mm的范围内；-依照本发明的一个实施例，所述喷射器的直径在1.3至2mm的范围内；-所述喷射器包括一辅助外侧导管，它与上述总管相共轴并限定了两个共轴的通道即内部和外部共轴通道，这两个通道中的一个用于将要加以分析的气体提供给喷管，另一个用于将用来在等离子中引导要加以分析的气体的气体提供给所述喷管。
-所述等离子气体和/或所述引导气体包括氩或氦或者能形成等离子的任何其它气体或这些气体的混合体；-所述套管的外部壁面构成了上述喷管的外部壁面；-所述喷管包括一线圈，它放置在该喷管的外部壁面的端面附近并与一高频电源相连，以便在等离子气体的路径内形成一电磁场并在所述气体内形成所说的等离子；-所述喷管还包括一中间柱形导管，它与上述套管相共轴并且在该套管的内部壁面与外部壁面之间位于该套管的内侧，所述中间柱形导管与所述套管的外部壁面限定了一通道，它用于提供气体，该气体用于将喷管的内部壁面的内表面与固体沉积物隔离开；-所述用于提供隔离气体的通道构成了这样一种通道，它用于提供包含化合物的气体，所述化合物适于与易于形成在喷管的外部壁面上的固体沉积物相反应，以便形成挥发性化合物。
本发明的内容还是一种气体分析仪，其特征在于，该气体分析仪包括一如前所述的等离子喷管，它与用来提供要加以分析的气体的气源相连并与用来提供等离子气体的气源相连且最好还与用来在等离子中引导要加以分析的气体的气体源相连，所述等离子则在前述等离子气体内生成在所述喷管的出口处；以及，光学检测装置，它们能测定等离子中存在的杂质所发射的光强并与一处理器相连，该处理器包括这样的装置，它用于根据所述光强的测定值和至少一个预定的参照值来计算出杂质的浓度，所述预定参照值存储在与上述处理器相联的存储器内并且可通过预先校准而获得。
依照一个具体的特征，所述分析仪包括一用于生成标准样本的装置，该装置包括-由一种或多种元素的溶解盐溶液构成的溶液源；-一喷雾装置；-一溶剂分离装置；所述生成装置的一个出口与用来将要加以分析的气体提供给所述喷管的通道相连。
从以下以举例方式给出的说明中并参照附图可以看出其它特征和优点，在附图中-
图1示出了先有技术的等离子喷管的概略轴向剖面图；-图2示出了具有一定直径的喷射器的局部轴向剖面图，依照本发明，所述直径因使用了两个共轴导管而是可变的，所述共轴导管中的内部导管可在该共轴导管中的外部导管内垂直滑动；-图3示出了本发明等离子喷管的轴向剖面图，该喷管的喷射器允许使用在等离子中引导要加以分析的气体的气体；-图4是本发明的气体分析仪的概略图；-图5示出了说明所述颗粒的光强随颗粒浓度变化的变化曲线；-图6示出了本发明等离子喷管的概略轴向剖面图，该喷管将允许使用分隔气体的中间导管包括在所述套管之内；图1示出了一种等离子喷管，它用于分解由包含有杂质的气体所构成的化合物，以便生成自由原子并激励这样获得的原子，从而确定杂质的浓度。
例如，要加以分析的气体由诸如石盐或氟化气体之类的在半导体生产领域中使用的气体构成，所述杂质则由诸如镍、铁、镁等金属元素构成。
图1表明，由通用标号10所示的等离子喷管包括一中心喷射器12，它具有呈管状的结构；一外部柱形套管14，它具有双层壁面(28/30)；以及，一线圈16，它与高频电源18相连。
所述喷射器的壁面20在内部限定了一通道26，它与用来将要加以分析的气体提供给喷管10的气源相连接(图中未示出所说的气源)。
所以，从图1中可以看出，套管14具有一内部壁面28和外部壁面30，外部壁面30延伸超过内部壁面28的自由端。所述壁面由适于预定用途即能抗高温的材料例如石英玻璃构成。
套管14的内部与外部壁面之间限定1一柱形环状通道32，它在操作中与用来提供等离子气体例如氩的气源相连，以便在所述套管的出口处生成等离子。
套管的连续外部壁面30构成了喷管10的外部壁面并且在端面附近配备有线圈16。如前所述，线圈16与通常的高频电源相连，该电源能向所述线圈提供频率在5MHz至100MHz的电流。
由于电源18的作用，所述线圈会与通常一样生成一电磁场，该电磁场在径向上朝向喷管10的轴x-x＇递减。
将按例如20升/分的流速经由环形通道提供的等离子发送至这样的区域，在该区域内，所述电磁场约为最大值。所述电磁场会通过使带电颗粒加速而在所述等离子气体中形成等离子。
如前所述并如图1中箭头F1所示，所述等离子因作用于带电颗粒的洛仑兹力的作用而有循环运动。由于所述洛仑兹力的作用，所述气体的速度在前述轴向区域内是负的，也就是说，所述颗粒相对气体流动方向沿朝向喷管上游的方向移动，这种运动与要加以分析的气体的输入方向相反。
而且，在相对轴x-x＇在径向上有所位移的区域内，所说的力会将要加以分析的气体发送至前述边缘区域。
正如从图1中所看到的那样，在所述轴向区域内按通常约为每分钟数毫升至每分钟数百毫开的流速将要加以分析的气体沿箭头F2所示方向输入进内部供气通道26。
最后，从图1中可以看出，一光电检测器34与处理器36相连，所述处理器则如以下将详细所述那样根据受激杂质颗粒所发出的幅射的波长值来计算出所述气体中杂质的浓度。
图2示出了本发明可变直径的喷射器的一个实施例。
这里，喷射器12由两个共轴的导管即外部导管(20)和内部导管(90)构成，内部导管90可在所述外部导管内垂直滑动。
就这里所示的实施例而言，用作用于微型缸92的气动驱动91来获得所说的滑动效果。
还应注意，在本图中，存在有一连接件93，它连接于所述微型缸的活塞杆并且连接于内部导管90。
所以，上述按所述机制受驱于微型缸的内部导管可在外部导管20内作垂直滑动。
因此，可以想象得出来，依照这一实施例，所述喷射器可以有两种结构-内部导管90的高位置，该内部导管的上端被迫向后与所述外部导管的上端相平齐。喷出要加以分析的气体并使该气体经由所述喷射器的内部导管的“小”直径进入所说的等离子。
-内部导管90的低位置(图2示出了这种低位置的一个实例)，该内部导管的上端位于所述外部导管的上端的下方。喷出要加以分析的气体并使该气体经由所述喷射器的外部导管的“大”直径进入所说的等离子。
内部导管的上端低于外部导管的上端的数量约为1至2cm。
正如本技术的专家所清楚地认识到的那样，这里所示的喷射器是这样的喷射器，它由两个共轴的导管20和90构成，从而使得喷射点的直径可在两个数值之间变化，但是，可以想像，在不脱离本发明范围的情况下，所述喷射器可具有由若干共轴导管(2个以上)构成的结构，从能根据这些导管在最外侧导管内的滑动容隙而使得喷射点的直径在几个可能值范围内变化。
图3示出了本发明等离子喷管的另一个实施例。
应该注意，就图3所示的实施例而言，所述喷管包括一略微特殊的中心喷射器12，依照本发明的上述最佳实施例之一，所述喷射器包括一辅助外侧导管22，它与总管20相共轴，从而限定了两个共轴通道即一内部和一外部共轴通道，这两个通道中的一个用于将要加以分析的气体提供给所述喷管，另一个用于将用来在所述等离子中引导前述要加以分析的气体的气体提供给所述喷管。
本申请人所进行的研究事实上已经证明，这种结构是有优点的，从而能将要加以分析的气体输送到壁面20内部的导管内，同时将“引导”气体输送进喷射器的辅助壁面22与总管20之间的中间环形空间。
按例如约每分钟数百毫升的流速输送所说的引导气体，所以，该引导气体在等离子P中引导将要加以分析的气体。这种引导活动会抵消作用在要加以分析的气体上的洛仑兹力的作用，从而有助于阻止要加以分析的气体转向(也就是说，确保整个样本到达所说的等离子)。
此外，如箭头F3所示，由于组成成份完全受控的引导气体会被迫到达喷管的边缘而不是到达要加以分析的气体，故通过适当地选择所述引导气体可以阻止构成要加以分析的气体的组成成份的一部分的颗粒沉积到外部壁面30上。最佳的是，所述引导气体包括氦或氩或者这些气体的混合体。
应该认识到，就本发明而言，将引导气体注入进所述喷射器是可选的。最佳的是，可将氩气流住入进所述喷管的套管28/30与喷射器之间的间隙，以使得等离子P的基端移离所述套管的端面。
正如本技术的专家所清楚地认识到的那样，所述附图示出了一双壁面的管状喷射器，以便能喷射要加以分析的气体和用来在所述等离子内引导上述要加以分析的气体的气体。
但是，为了正如人们所看到那样的较为杂乱的附图的清晰性，这里未示出本发明能改变要加以分析的气体的喷射直径的装置。
因此，在例如未示出有与外部导管20相共轴并能在外部导管20内滑动的内部导管90的情况下，示出了用于要加以分析的气体的单个喷射导管20(图2中的实施例)，因为，可以想象，这种图示会使图3过于复杂。
以下参照图4说明气体分析仪。
图4表明，概略示出的分析仪包括本发明的等离子喷管54，它例如是与图1和图2中所述的喷管相类似的喷管，该喷管与一高频电流发生器56相连；以及，一光检测器58，它本身与一处理器60相连。
图4表明，将氩气(Ar)提供给喷管54的外部柱形套管，以便最好在大气压力下或在略有降低的压力下形成等离子。
而且，由于喷射器62必须使要加以分析的气体进入所说的等离子，故该喷射器与一第一混合器64相连，所述混合器包括一第一入口66，将诸如氩之类的惰性气体提供给该入口，并且，所述入口能增加要加以分析的气体的传输速率；以及，一第二入口68，它与一第二混合器70的出口相连。
所述第二混合器具有一第一入口72，将要加以分析的气体G提供给该入口；以及，一第二入口74，它与用来产生标准样本的装置75的出口相连，所述装置包括-由一种或多种元素的溶解盐溶液构成的溶液源80；-一喷雾装置78；-一溶剂分离装置76；所述装置75的一个出口与用来将要加以分析的气体提供给所述喷管的通道相连。
装置75具有一入口，它可使来自装置78的悬浮颗粒进入。
而且，装置78具有一气体入口86，它可使诸如氩之类的惰性气体进入。
为了校准所说的分析仪，将要加以分析的元素输入进气体G的样本中，所述要加以分析的元素有周知浓度且处于给定的(液体、固体或气体)形式，该形式最接近于要加以确定的元素的形式。因此，在气体中，所述污染元素呈固体或气体的形式并且很少呈液体的形式。但是，周知的是，通常存在于化学气体中的固体颗粒具有小于一微米的尺寸。就这种尺寸而言，这些颗粒会快速挥发并在氩等离子中产生一定的光强，该光强等于气体化合物所产生的光强。
因此，就说明而言，为了根据给定的金属元素校准所说的分析仪，借助喷雾装置78用所述金属杂质的盐溶液80来生成一种悬浮颗粒，这种悬浮颗粒一般包括水蒸气、溶剂和所述颗粒。
气体86(例如氩气)的内流会将这种悬浮颗粒传递给前述溶剂分离装置。
然后，在装置76中进行溶剂分离操作，这种操作是加热所说的悬浮颗粒气体，以便蒸发掉和冷凝掉水份以及可能的溶剂(可通过出口82将它们从装置76中除去)，从而能回收到这样的气体，该气体可传送在开始时输入的并且目前已干燥或基本上干燥的颗粒，受控的内含物具体取决于样本80中的颗粒浓度。
至于有关用喷雾法/溶剂分离法来生成金属颗粒样本的更详细内容，读者可参考以下文献C.Héou,“Analyse de trace d’élément dansles gaz parspectroscopie d’émission utilisant un plasma HF(用HF等离子借助分光术分析气体中的微量元素)”，博士论文，Claude Bernard大学，Lyons，法国，1981年，或者参照发表于High Temperature ChemicalProcesses杂志第二卷，第439-447页(1993)署名为C.Trassy等人的文章。
通过与气体G相似但没有任何杂质的气体或者通过氩气而使得按上述方式形成的标准样本进入等离子P。
用光检测器58(单色仪和/或多色仪)来检测上述杂质发出的光强，然后将其存储在分析装置60的存储器84内。
在校准了所述分析仪之后，将气体G送进混合器70并喷射进等离子P。
然后，将气体G中的杂质所发射的光强送进分析装置60。
所述分析装置具有通常的计算装置，它用于将检测到的要加以分析的杂质的光强与事先获得并存储在存储器84中的参照值作比较。
例如，通过识别所述样本能获得气体G中所获得的颗粒的精确浓度，所述样本的相应信号具有与从气体G中测出的值相等的波长和强度。
正如本技术的专家所周知的那样(所谓的“计量添加剂”法)，作为一种变化形式，还可以根据将等离子中颗粒光强I与等离子中颗粒浓度C联系起来的函数(图5)的计算结果来确定气体G中的颗粒浓度C。
事实上，众所周知，就无给定类型颗粒的即颗粒浓度为零的气体而言，相应波长的光强为零。因此，可以根据与浓度为C1的样本相混合的纯气体所发出的光强I1的单次测定结果来确定将光强I与浓度C联系起来的曲线A的斜率。
而且，众所周知，就相同的等离子状态而言，具体地说，就同样的等离子温度而言，从气体中获得的将光强I与杂质浓度C联系起来的曲线B的斜率等于在纯净状态下从同样气体中获得的曲线A的斜率。
因此，为了对要加以分析的具有未知颗粒浓度Cp的气体G进行分析，所需的全部工作就是按从样本80中得出的已知浓度将颗粒增加进这种气体并测出相应的光强I2。因此，利用分析装置60的计算装置通过外推曲线B可获得浓度值Cp。
在分析是诸如氩、或氦或者氮之类的惰性气体的要加以分析的气体中的金属杂质的情况下以及在分析三原子气体或包含有三个以上原子的气体中金属杂质的情况下，本申请人用图4所述的分析仪进行的研究可以证实，就要加以分析的是单原子或双原子的气体而言，最好使用直径在0.8至2mm范围内最佳地是直径在1.3至1.7mm范围内的喷射管，而就要加以分析的是三原子或者包含有三个以上原子(诸如硅烷或氨)的气体而言，最好使用直径在1至3mm范围内最佳地是在1.8至2.3mm范围内的喷射管。
应该认识到，上述直径范围是以示意性的方式给出的，考虑到系统的整个几何形状以及用于所述试验的操作频率，若这些参数是可以改变的，则应该对上述范围加以修改。
最后，图6以不太详细的方式示出了本发明等离子喷管的概略轴向剖面图，该图包括位于所述套管内的中间导管。
事实上，图6所示的喷管具有一中间导管40，它与套管42相共轴并位于该套管的外部壁面与内部壁面(42A与42B)之间，中间导管40与套管的外部壁面42A限定了一通道45，它用于提供将喷管的外部壁面(42A)与固体沉积物隔离开的气体。
此外，图6所示的喷管配备有一线圈46以及一光检测器50，所述线圈由一高频电源48供电并设置在所述喷管的端面附近，所述光检测器则与处理器52相连。
为清楚起见，故意放大了连续的间隙42A/40/42B，导管40实际上非常靠近喷管的外部壁面42A(数量为1mm，甚至为0.1mm)。
所以，供给通道45与一用来提供隔离气体的气源(未示出)相连，所述隔离气体可与易于沉积在喷管的外部壁面42A的内表面上的物质相反应，从而形成挥发性的化合物。
因此，举例来说，如果要加以分析的气体包括硅烷(SiH4)，即该气体用在半导体制造领域，则所述隔离气体包括有选择地与氩相混合的氯气，这种氯气可与硅相反应，从而形成SiCL4(SiC)。由于后一种化合物是挥发性的物质，故可以避免有以硅为基体的沉积物。
应该注意，就图6所示的实施例而言，所述喷管包括一具有双壁面(38A、38B)的中心喷射器，它一方面用于喷射要加以分析的气体，另一方面用于喷射“引导”气体。
这里未说明将引导气体注入所述喷射器的结构。
再有，最佳的是，可将氩气流喷射进图6所示喷管的套管与喷射器之间的间隙，以便使等离子P的基端移离所述套管的端面。
权利要求
1一种等离子喷管，它用于激励气体以便对该气体进行分析，所述喷管包括一喷射器(12)，它具有呈总管形式的结构，以便与一气源相连，该气源用于提供要加以分析的气体；以及，一外部柱形套管(14、42)，它具有双层壁面(28/30、42A/42B)、与所述喷射器(12)相共轴并且在该套管的连续内部与外部壁面〔SiC〕之间限定了一柱形环状通道(32)，该通道用于提供等离子气体，所述套管用于与相应的供给源相连，以便在所述套管(14、42)的出口处生成等离子(P)；所述喷管的特征在于前述喷射器的直径是可变的。
2如权利要求1的等离子喷管，其特征在于，所述喷射器的直径是可变的，该直径通过采用下列结构而具有至少两个值，所述结构是喷射器由至少两个共轴的导管即一个是外部导管(20)且至少另一个是内部导管(90)构成，所述至少一个内部导管能在外部导管内垂直滑动(91/92/93)。
3如权利要求2的等离子喷管，其特征在于，该等离子喷管包括作用于微型缸(92)的气动驱动装置(91)，所述微型缸的活塞杆与一连接件(93)相连，而连接件本身则连接于内部导管(90)，从而能使得所说的至少〔lacuna〕内部导管在所述外部导管内滑动。
4如前述权利要求之一的等离子喷管，其特征在于，所述喷射器的直径在1至3mm的范围内，最好在1.8至2.3mm的范围内。
5如权利要求1至3中的一个的等离子喷管，其特征在于，所述喷射器的直径在0.8至2mm的范围内，最好在1.3至1.7mm的范围内。
6如前述权利要求之一的等离子喷管，其特征在于，所述喷射器包括一辅助外侧导管(22)，它与上述总管相共轴并限定了两个共轴的通道即内部和外部共轴通道，这两个通道中的一个用于将要加以分析的气体提供给喷管，另一个用于将用来在等离子中引导要加以分析的气体的气体提供给所述喷管。
7如前述权利要求之一的等离子喷管，其特征在于，所述套管(14)的外部壁面(30)构成了上述喷管(10)的外部壁面。
8如前述权利要求之一的等离子喷管，其特征在于，所述等离子气体和/或所述引导气体包括氩和/或氦。
9如前述权利要求之一的等离子喷管，其特征在于，所述喷管还包括一中间导管(40)，它与上述套管(42)相共轴，并且位于该套管的外部壁面(42A)与内部壁面(42B)之间，所述中间导管(40)与所述套管的外部壁面(42A)限定了一通道(45)，它用于提供气体，该气体用于将所述套管的外部壁面(42A)的内表面与固体沉积物隔离开。
10如权利要求9的等离子喷管，其特征在于，所述用于提供隔离气体的通道(45)构成了这样一种通道，它用于提供包含化合物的气体，所述化合物适于与易于沉积在所述套管外部壁面(42A)上的固体沉积物相反应，以便形成挥发性化合物。
11一种气体分析仪，其特征在于，该气体分析仪包括如权利要求1至10中任何一个的等离子喷管(54)，它与用来提供要加以分析的气体(G)的气源相连，并与用来提供等离子气体的气源相连而且如果需要的话还与用来在等离子(P)中引导要加以分析的气体(G)的气体源相连，所述等离子则在前述等离子气体内生成在所述喷管(54)的出口处；以及，光学检测装置(58)，它们能测定等离子(P)中存在的杂质所发射的光强(I)并与一处理器(60)相连，该处理器包括这样的装置，它用于根据所述光强(I)的测定值和至少一个预定的参照值来计算出杂质的浓度，所述预定参照值存储在与上述处理器(60)相联的存储器(84)中，并且可通过预先校准而获得。
12如权利要求11的分析仪，其特征在于，所述分析仪包括一用于生成标准样本的装置(75)，该装置包括-由一种或多种元素的溶解盐溶液构成的溶液源(80)；-一喷雾装置(78)；-一溶剂分离装置(76)；所述生成装置(75)的一个出口与用来将要加以分析的气体提供给所述喷管的通道相连。
全文摘要
一种等离子喷管,它用于激励气体以便对该气体进行分析,所述喷管包括:一管状喷射器,它具有呈总管形式的结构,以便与一气源相连,该气源用于提供要加以分析的气体;以及,一外部柱形套管,它与所述喷射器相共轴并限定了一柱形环状通道,该通道用于提供等离子气体,所述套管用于与相应的供给源相连,以便生成等离子。所述喷射器的直径是可变的。
文档编号H05H1/30GK1235274SQ9812622
公开日1999年11月17日 申请日期1998年12月29日 优先权日1997年12月29日
发明者马蒂那·卡雷, 艾里克·科夫雷, 克里斯蒂安·特拉斯 申请人:液体空气乔治洛德方法利用和研究有限公司