气体分压的在线测量装置及其在线测量方法与流程

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种气体分压的在线测量装置及其在线测量方法。

背景技术：

在工业生产领域中，常常需要分析各种过程气体的成分和浓度。极紫外光刻机(euvl)真空系统需要对各真空微环境进行气体分压的在线严密监测，如其启动和停止过程中(真空微环境为粗真空)，需要监测各气体组分分压；其工作过程中(真空微环境为几pa量级的低真空)，需要严格控制其n2、o2、h2o和cxhy成分的分压。四极质谱计是唯一适用于真空中残余气体分析测量的设备，但其必须在10^-2pa真空度以下运行。同时半导体行业特点要求极紫外光刻机不能经常停机检修，经常性地将四极质谱计拆下进行校准不被允许。中国专利cn201610168958“一种在线式气体分析装置及方法”授权了一种高压环境(＞2个大气压)的在线式气体分析装置及方法。采用该装置进行粗、低真空气体分压的测量存在灵敏度不够，测量结果不够精确的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决以上问题，本发明提供一种气体分压的在线测量装置及其在线测量方法。

根据本发明的一个方面，提供一种气体分压的在线测量装置，包括待测气源腔室、校准气源腔室、对进样气体分流的减压腔室、使进样气体的压力保持恒定的恒压腔室、真空计和质谱分析模块。

其中，待测气源腔室通过第一进气阀门控制出气，校准气源腔室通过第六进气阀门控制出气，第一进气阀门和减压腔室之间设有高压待测气体进样通道和中压待测气体进样通道，第一进气阀门和恒压腔室之间设有低压待测气体进样通道，第六进气阀门与减压腔室之间设有校准气体进样通道，高压待测气体进样通道、中压待测气体进样通道、低压待测气体进样通道和校准气体进样通道均各自设有一级进气阀门，减压腔室和恒压腔室之间设有气体流通通道，气体流通通道内部设有二级进气阀门。

高压待测气体进样通道、中压待测气体进样通道和低压待测气体进样通道的各自内部的一级进气阀门与第一进气阀门之间的区间共同连接第一抽气泵组，第一抽气泵组通过第一隔断阀门控制接通，校准气体进样通道的第六进气阀门和其内部的一级进气阀门之间的区间连接第三抽气泵组，第三抽气泵组通过第二隔断阀控制接通。

其中，真空计用于测量待测气源腔室、校准气源腔室、减压腔室和恒压腔室的真空度，且经过精确校准；质谱分析模块用于对恒压腔室内的进样气体进行在线测量。

其中，恒压腔室包括腔体和对腔体进行抽气的第二抽气泵组，第二抽气泵组与腔体通过第一调节阀门连通，减压腔室包括另一腔体和对另一腔体进行抽气的第四抽气泵组，第四抽气泵组与另一腔体通过第二调节阀门控制连通。

其中，在线测量装置还包括数据采集控制模块，数据采集控制模块用于按需求控制开启所有抽气泵组、第一进气阀门、第六进气阀门、所有一级进气阀门、二级进气阀门、第一隔断阀门、第二隔断阀门、第一调节阀门、第二调节阀门、真空计和质谱分析模块，并对真空度数据和质谱图数据进行采集和显示，以及根据待测气源腔室的真空度数据，自动选择开启对应的阀门，选择匹配的气体进样通道，实现气体的在线监测。

其中，气体流通通道的二级进气阀门和恒压腔室之间以及低压待测气体进样通道的一级进气阀门和恒压腔室之间均设有限流小孔，限流小孔为每孔直径＜2mm的双孔结构。

其中，质谱分析模块包括四极质谱计和第十进气阀门，第十进气阀门的一端与恒压腔室连接，另一端外部与四极质谱计法兰连接，另一端内部通过金属细管与四极质谱计的封闭式离子源连接。

其中，校准气体进样通道与高压待测气体进样通道为关于减压腔室和恒压腔室之间连线相对称的镜像通道。

其中，在线测量装置还包括充氮气道，充氮气道通过第八进气阀门接通待测气体进样通道，充氮气道通过第九进气阀门接通校准气体进样通道。

其中，待测气源腔室的个数为一或多个，每个待测气源腔室均相应地设有进气阀门控制与待测气体进样通道的连通。

其中，高压待测气体进样通道和校准气体进样通道均包括一段相同的毛细管道。

根据本发明的另一方面，提供一种气体分压的在线测量方法，包括以下步骤：

s1：确定标样气体：将关心气体i中的浓度为ci的标样气体减压为1个大气压通入校准气源室。

s2：洁净度检查：分别对校准气体进样通道和高、中、低待测气体进样通道抽真空，采用四极质谱计对校准气体进样通道和三种待测气体进样通道进行洁净度检查，保证无关心气体i的谱峰，且没有被待测气源污染。

s3：获取质谱计灵敏度：采用校准气体进样通道通入标样气体，调节减压腔室和恒压腔室的调节阀门，使恒压腔室的真空度数据接近5.0×10^-4pa，实测值记为p0，采用质谱分析模块记录此时质谱图，则四极质谱计的灵敏度si(a/pa)计算公式为公式1：

其中ii为通入校准气体后质谱图中显示的气体i的离子流，单位为a。

s4：抽真空去除残余气体：对校准气体进样通道和恒压腔室抽真空，保证无校准气体残余。

s5：气体分压的在线测量：采用真空计记录待测气源室的总压为p，根据待测气源室总压选择匹配的高、中或低压待测气体进样通道，调节两个调节阀门，使恒压腔室中压力仍为p0，采用四极质谱计记录此时的质谱图，则待测气源室中气体i的分压pi计算公式为公式2：

其中ii’为通入待测气体后质谱图中显示的气体i的离子流。待测气源室中的气体i以外的气体分压仍然可用公式2进行计算，计算结果为相对于气体i的当量分压。

其中，步骤s3和步骤s5包括，若使用的是校准气体进样通道和高、中压待测气体进样通道，需将减压腔室的压力调节至小于10pa。

其中，该在线测量方法还包括位于步骤s5之后的步骤：关闭已测完的待测气源腔室的进样阀，重复步骤s4；打开另一待测气源室的进样阀，重复步骤s5，进行另外气源室关心气体的分压测量。

本发明具备以下有益效果：

1)本发明的气体分压的在线测量装置和在线测量方法，主要是针对粗、低真空的气体分析。

2)本发明的在线测量装置和在线测量方法，根据待测气体压力而选择最优的进样通道，分压测量的更准确。

3)本发明的在线测量装置的限流双孔的设计，避免了分子流态下对气体分子的选择性，有效保证了采样气体的真实性。

4)本发明装置的校准气体进样通道与高压待测气体进样通道完全对称设置，一方面可保证校准气体在与待测气体压力相等的条件下进行校准，更加有效地保证了分压测量的准确性；另一方面校准气体和待测气体的进样通道专用，避免了两种气体的交叉污染。

5)本发明装置的气流进气阀门内焊接有金属细管，将恒压腔室中的气体直接引到四极质谱计的封闭式离子源中，避免腔室本底的干扰，更加有效地保证了分压测量的准确性。

6)本发明装置可将四极质谱进行在线校准，而不用将四极质谱拆卸到别的装置上校准，更能保证其定期校准。

7)本发明装置的待测气源室可为多个，通过切换进气阀门，可实现其余待测气源室的气体分压在线测量，而不用将装置进行拆改。

8)采用上述的气体分压的在线测量与校准方法，可持续在线测量关心气体的分压精确值，并可同时获得其它气体相对于该气体的分压当量值。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是根据本发明实施方式的一种气体分压的在线测量装置的示意图；

图2是根据本发明实施方式的另一种气体分压的在线测量装置的示意图；

图3是根据本发明实施方式的一种气体分压的在线测量方法的流程图；

图4是根据本发明实施方式的一种气体分压的在线测量装置和在线测量方法测量空气气体组分及分压的结果图。

具体实施方式

下面将根据实施例更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然说明书中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本发明提出了一种气体分压的在线测量与校准装置，该装置包括真空腔室、进样通道、充氮通道、抽气泵组、质谱分析模块、阀门组件和数据采集控制模块。其中真空腔室包括4个，分别为待测气源室101、校准气源室102、减压腔室和恒压腔室。进样通道包括4条，分别为高压待测气体进样通道、中压待测气体进样通道和低压待测气体进样通道和校准气体进样通道，充氮通道包括2条，分别为第一充氮通道和第二充氮通道。恒压腔室包括腔体104和对腔体104进行抽气的第二抽气泵组402，减压腔室包括另一腔体103和对另一腔体103进行抽气的第四抽气泵组404。抽气泵组还包括对三条待测气体进样通道抽气的第一抽气泵组401，以及对标准气体进样通道抽气的第三抽气泵组403。

其中，待测气源室101可分别通过高压待测气体进样通道或中压待测气体进样通道将待测气体引入减压腔室减压，再由气体流通通道进入恒压腔室，或者通过低压待测气体进样通道将待测气体直接引入恒压腔室104，校准气源室102可通过校准气体进样通道将校准气体引入减压腔室减压，再引入恒压腔室104。待测气源室101通过第一进气阀门301统一控制与三条待测气体进样通道接通。高压待测气体进样通道包括第一毛细管201和第二进气阀门302，中压待测气体进样通道设有第四进气阀门304，低压待测气体进样通道设有第五进气阀门305，校准气体进样通道包括第二毛细管202和第七进气阀门307，其中第二进气阀门302、第四进气阀门304、第五进气阀门305和第七进气阀门307统称为一级进气阀门。气体流通通道内设有二级进气阀门303，在线测量装置还设有限流小孔结构700，低压待测气体进样通道的第五进气阀门305和气体流通通道的二级进气阀门303均通过限流小孔结构与恒压腔室接通。校准气体进样通道与高压待测气体进样通道对称设置，使得校准气体的进样通道与待测气体的进样通道分别专用，避免交叉污染。通过设置三条适用于不同压力的待测气体进样通道，可根据待测气体的总压而选择进样通道，减少本底干扰和气体分子的选择性，有效保证测量结果的准确性和真实性。待测气体总压为10³pa～10⁵pa时选择高压待测气体进样通道，待测气体总压为10pa～10³pa时选择中压待测气体进样通道，待测气体总压为＜10pa时，选择低压待测气体进样通道。

其中，限流小孔结构700包括两个串联的圆形限流孔，用于连通第五进气阀门305或二级进气阀门和恒压腔室，每个限流孔的直径均＜2mm，通过每个限流孔的气体流体状态为分子流；限流双孔的设计是为了在分子流下避免出现气体分子的选择性，保证测量结果的真实性。

其中，进样通道由316不锈钢管组成，可电加热烘烤到至少100℃。

其中，第一抽气泵组401依次通过第一隔断阀门501和第一隔断阀门301与待测气源室101连接，可用于高压待测气体进样通道的第二进气阀门302之前的管路、中压待测气体进样通道的第四进气阀门304之前的管路以及低压待测气体进样通道的第五进气阀门305之前的管路的抽真空，其极限真空可达5×10^-7pa。第二抽气泵组402通过第一调节阀门601与恒压腔室的腔体104连接，用于腔体104的抽真空，腔体104的极限真空可达5×10^-8pa；通过调节第一调节阀门601的流导可控制第二抽气泵组402的抽速，使腔体104始终维持恒定的压力。第三抽气泵组403通过第二隔断阀门502和第六隔断阀门306与校准气源室102连接，可用于校准气体进样通道的第七进气阀门307之前的管路抽真空，其极限真空可达5×10^-7pa。高压待测气体、中压待测气体和校准气体进样通道相交于减压腔室103，减压腔室的腔体103上连接有第四抽气泵组404，用于进样气体的分流，使进样气体的很大一部分通过第四抽气泵组404抽走，其余少量气体依次通过第三进气阀门303和限流小孔700进入恒压腔室104，减压腔室的腔体103的极限真空为10^-1pa。四个抽气泵组的主抽泵对各种气体的抽速无明显的选择性。

其中，第一充氮通道通过第八进气阀门308充入氮气，用于高压待测气体进样通道的第二进气阀门302之前的管路、中压待测气体进样通道的第四进气阀门304之前的管路以及低压待测气体进样通道的第五进气阀门305之前的管路的充氮保护或充氮清洗；第二充氮通道通过第九进气阀门309充入氮气，用于校准气体进样通道的第七进气阀门307之前的管路的充氮保护或充氮清洗。

其中，质谱分析模块主要包括恒压腔室上的气流进气阀门310、四极质谱计800。四极质谱计800通过获得质谱图可用于各类气体成分分析、气体分压和浓度测量，其采用封闭式离子源，质量数范围1～200amu；气流进气阀门310可进行气路通断，其内焊接有金属细管，可将气流直接引入四极质谱计800的封闭式离子源中。真空计在图1中未画出，主要用于待测气源室101、校准气源室102、减压腔室103和恒压腔室104的真空度测量，真空计已经过精确校准，并获得了其对各类气体的修正系数。

其中，数据采集控制模块包括抽气泵组的启停控制、部分阀门的开关控制、真空计开关控制和四极质谱计800的开关控制，同时也包括真空度数据采集显示、质谱图数据采集显示和简单计算功能；并且该模块可根据待测气源室的真空度，自动开启相应的进样通道，从而实现真空腔室气体分压的在线测量。

其中，待测气源室101的压力为一个大气压或小于一个大气压；待测气源室可为多个(如图2中的101、105和106)，通过切换进气阀门，可实现其余待测气源室的气体分压在线测量，而不用将装置进行拆改。

其中，校准气源室102采用标准大气压的浓度已知的校准气源。

本发明的另一个方面提出了一种气体分压的在线测量与校准的方法。如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤s1：确定标样气体：将关心气体i的浓度为ci的标样气体减压为1个大气压通入校准气源室。

步骤s2：洁净度检查：对校准气源进样通道和待测气源进样通道抽真空，采用四极质谱计800对进样通道进行洁净度检查，保证无关心气体i的谱峰，且没有被待测气源污染。

步骤s3：获取质谱计灵敏度：采用校准气体进样通道通入标样气体，调节第一调节阀门601和第二调节阀门602，使恒压腔室104上的真空计显示读数约为5.0×10^-4pa，实测值记为p0，采用四极质谱计800记录此时质谱图，则四极质谱计800的灵敏度si(a/pa)计算如下：

si＝ii/(ci·p0)(1)

其中ii为通入校准气体后质谱图中显示的气体i的离子流，单位a。

步骤s4：抽真空去除残余气体：对校准气体进样通道和恒压腔室104抽真空，保证无校准气体残余。

步骤s5：气体分压的在线测量：采用真空计记录待测气源室101的总压为p，根据待测气源室101的总压选择相应的进样通道，调节第一调节阀门601和第二调节阀门602，使恒压腔室104中压力仍为p0，采用四极质谱计800记录此时的质谱图，则待测气源室101中气体i的分压pi计算如下：

pi＝(p·ii’)/(p0·si)(2)

其中ii’为通入待测气体后质谱图中显示的气体i的离子流。待测气源室101中的气体i以外的气体分压仍然可用公式2进行计算，计算结果为相对于气体i的当量分压。

需要注意的是，步骤s3和步骤s5中，第二调节阀门602的调节根据实际进样通道而定，并使减压腔室103的压力＜10pa，以保证气体以分子流态进入限流小孔。待测气源室101和恒压腔室104使用经过校准的真空计记录时，其电子学单元需要设置为相应待测气体i的修正系数。

若另一待测气源室105需要进行分压在线测量，则关闭第一进样阀301，重复步骤s4，打开第十一进样阀311，重复步骤s5。

如采用以上发明装置，当待测气源室101中装有1个标准大气压的空气作为待测气体，可测量空气中气体组分及分压。四极质谱计800选用faraday探测器，其发射电流为2000μa，电子能量为102ev，扫描速率为500ms/amu，选择质量数范围1～50amu。

步骤s1：确定标样气体。由于空气中氮气含量最多，可采用浓度为99.99％的氮气作为标样气体，将其减压为1个大气压。

步骤s2：洁净度检查。对高压待测气体进样通道和校准气体进样通道抽真空，分别使其达到极限本底真空，并分别采用四极质谱计800进行洁净度检查，保证无明显氮气或空气峰值。

步骤s3：获取质谱计灵敏度：采用校准气体进样通道通入浓度为99.99％的标准氮气，调节第一调节阀门601和第二调节阀门602，使恒压腔室104上的真空计显示读数p0＝5.0×10^-4pa，采用四极质谱计800记录此时质谱图，则四极质谱计800的灵敏度按公式1计算得sn2＝1.37×10^-6a/pa，将此灵敏度sn2输入数据采集控制模块中。

步骤s4：抽真空去除残余气体：对校准气体进样通道和恒压腔室104抽真空，保证无校准气体残余。

步骤s5：气体分压的在线测量：采用真空计记录待测气源室101中空气的总压为p＝1.0×10⁵pa，同样将此总压数据输入数据采集控制模块中。选择高压待测气体进样通道，微调第一调节阀门601，使恒压腔室104中压力仍为p0＝5.0×10^-4pa，则四极质谱计800记录此时的质谱图，如图4所示。

从图4可以看出，空气中主要气体成分依次有n2(28amu)、o2(32amu)、h2o(18amu)和ar(40amu)。其中氮气分压精确测量值按公式2计算得pn2＝7.90×10⁴pa。仍然采用公式2进行计算，代入步骤5中质谱图显示的关心气体(n2以外)的离子流ii’和步骤3中计算得到的质谱计对氮气的灵敏度sn2＝1.37×10^-6a/pa，则可获得：氧气相对于氮气的当量分压值po2＝1.90×10⁴pa，水气相对于氮气的当量分压值ph2o＝1.4×10⁴pa，氩气相对于氮气的当量分压值par＝1.7×10⁴pa。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。