利用常压离子化质谱的超高纯气体分析制造技术

本文涉及一种从包括氢的多种气体中测定至少一种选定的气体的浓度的方法。该方法包括将至少一种选定气体用催化氧化剂转化成可测定气体，并用常压离子化质谱分析可测气体，其灵敏度小于１ｐｐｂ。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种利用常压离子化质谱来分析气体组分，特别是超高纯气体中痕量组分的方法及系统。半导体工业需使用一些超高纯度(UHP)的气体。这种要求起因于要减少半导体器件行距尺寸的需求。当半导体器件上线距变得越来越小时，杂质量必须维持在十亿分之几(ppb)，甚至万亿分之几(ppt)的范围内，以确保器件的效能。供应纯度低于1ppb的超高纯气体的需求激励工业部门研制新的分析技术来测定气体杂质。常压离子化质谱(APIMS)是测定气体中痕量杂质达ppb和低于ppb级的已确认的技术。例如，氮或氩载气中的痕量水，甲烷，二氧化碳和氧可以低于ppb的灵敏度测定出来，因为这些气体可很有效地以在极少或没有分析干扰存在下的质量进行离子化。氢用于APIMS有其特殊问题，因为它不能有效地离解成它的母体离子(H2+，质量2)。在氮和含氮的气体中，一氧化碳也有其特殊问题，因为它的母体离子(Co+，质量28)与氮有相同质量。这使得用APIMS直接分析含量为ppb和低于bbp级的氢，甲烷，水，一氧化碳，氧和二氧化碳这六种关键性杂质成为十分因难。除APIMS外的各种分析方法都是利用催化技术来分析氢和/或一氧化碳气体。参见美国专利No.3871827和欧州专利No.407818。既然APIMS技术用于测定气体中痕量杂质的高灵敏度已被确认，相信有关超高纯气体分析，特别是多种气体的一步测定不含有太多的研究要进行。参见美国专利No.3639757和欧州专利No.453190。其它有关APIMS的文献包括Ronge等，“APIMS技术氮中含量低于ppb的杂质的APIMS测定痕量”，会议录--微杂质91会议和博览会，San Jose,CA,10月16-18日，1991,pp.153-167；Kimura等，“氮气的低于PPB级的APIMS分析”，会议录--环境科学研究院第39次年度技术会议，Vol.1,Las Vegas,NV,5月2-7日，1993,pp.14-19；和Ridgeway等“常压离子化质谱用于监测大量氮中的烃类杂质”，电化学学会杂志，141(9),2478-2482,(9月1994)。在超高纯气体分析中，最重要是使设计的分析系统受由于杂质附和脱附带来的影响最小。水的吸附和脱附常是主要问题。设计应能很快检出杂质浓度变化，并能在很短时间内给出平衡的(稳定状态)分析值。这类设计的内容可包括低表面积组份，最低总表面积，恒定流气体和最小流动变化。本专利技术目的是提供一种测定超高纯气体中痕量杂质的方法。本专利技术另一个目的是提供一种使用单一仪器测定超高纯气体中至少六种关键杂质的方法，其灵敏度小于十亿分之一。本专利技术还有一个目的是提供一种系统，它可以用单一仪器测定超高纯度气体中至少六种关键杂质，其灵敏度低于十亿分之一。本专利技术目的是提供一种方法和一种分析系统，用于从包含氢的多种气体中，测定至少一种所选定气体的浓度。该方法包括用催化氧化剂把至少一种选定气体转化成可测定气体，并用常压离子化质谱分析该可测气体，其灵敏度小于1ppb。催化氧化剂提供氧化用的氧，并使选定气体定量转化成可测定气体。选定气体可包括氢和一氧化碳，在催化氧化剂存在下氧化，使氢转变成水，一氧化碳转变成二氧化碳。该多种气体包括氢，一氧化碳，甲烷，氧，水和二氧化碳。本专利技术的另一目的是提供一种催化氧化剂系统，将选定气体转化成可测定气体以用常压离子化色谱测定其浓度。该系统包括催化剂室，加热器装置，至少一个热电偶和棒状加热器。在各种实施方案中，该系统包括两个热电偶。至少一种选定气体连续流入。该选定气体是在不干扰可测气体分析的载气之中。将从下述优选实施方案的详述及附图可使本领域的技术人员了解本专利技术的其它目的、特征和优点，其中附图说明图1是本专利技术的用于超高纯气体分析的催化氧化剂分析系统示意图。图2是本专利技术系统中所用的催化氧化剂室的侧视图。图3是本专利技术系统中所用的加热器装置的俯视图。图4是本专利技术系统中所用的加热器装置的侧视图。图5是用本专利技术测得的一氧化碳在质量44(二氧化碳)处响应的图示。图6是图5所示一氧化碳响应图示的线性回归。图7是用本专利技术测得的氢在质量18(水)处响应的图示。图8是图7所示氢响应图示的线性回归。本专利技术的目的是以提供一种能从包含氢的多种气体中测定至少一种选定气体浓度的方法和分析系统来实现的。该方法包括使用催化氧化剂把至少一种选定气体转化成可测定气体，并用常压离子化质谱分析可测气体，其灵敏度小于1ppb。本专利技术能分析超高纯氮或氩中至少六种主要杂质。一种单一四重APIMS仪器可用来测定至少六种重要气体浓度，其灵敏度小于或约等于1ppb。本专利技术中，氢作为水和一氧化碳作为二氧化碳的直接分析是可能的。水和二氧化碳的质量分别为18和44。在这些质量处，水和二氧化碳的APIMS分析有高灵敏度。同样，在这些质量处基本上无干扰，因此在质量18和44处的本底计数率(cps)是属于水和二氧化碳，而不是出于其它离子的存在。这就避免了如在质量29(N2H+)处测定氢时受15N14N+干扰的常见问题。其它像水那样的质子供体可提供质量29N2H+离子，进一步干扰按那种方法对氢分子的分析。同样，在质量12处(C+)测定一氧化碳也存在着常见问题，因为其它的含碳化合物解聚成C+，而且都有不同的灵敏度，这就使C+分析数据难于单值判读。此处，利用催化氧化，氢按水在质量18处测量和一氧化碳按二氧化碳在质量44处测量的APIMS灵敏度(cps/ppb)大大高于分别在质量29和质量12处测定的灵敏度。较高的灵敏度和较低的干扰导致较低的计算测定极限值。本专利技术中可使用的催化氧化剂是一利既能提供氧化用的氧又能使氢定量地转化成水、一氧化碳定量地转化成二氧化碳，而不必加氧到样品气流中的物质。用～0.5％(重量)钯涂敷的氧化铜丝可用于既提供所须的氧又产生催化作用，以使氢和一氧化碳在200℃～400℃氧化。由于催化是在甲烷不被氧化的温度下进行的，所以无其它产物产生。尽管催化氧化剂可定期用含一些氧(氧的量不是关键的，最佳含氧是≥1％，通常与氮呈平衡。也可用纯氧)的气流再生，但在气流中并不需要氧。制备催化剂的方法是氧化铜丝用硝酸钯的甲醇溶液浸泡、蒸发，并在300℃焙烧一小时，使硝酸钯转化成氧化钯/金属钯。也可用其它方法制备这种催化剂。本领域内已知，用奥萨特(Orsat)气体分析法可使用无钯氧化铜作氢和一氧化碳分析的催化氧化剂。参见V.J.Altieri，“气体分析和气态物质的测试”，pp.174,181，美国气体协会股份有限公司，New York(1945)。除钯以外，铂或其它铂族金属可用作涂敷材料。其它金属氧化物例如氧化钴也可使用，它能放出氧给一氧化碳和/或氢。在较低温度，例如在低于450℃～500℃下产生氧的金属氧化物是优选的。钯(氧化物)或铂可用于提高转化率。钯(氧化物)或铂可直接使用，或沉积在如二氧化硅，三氧化二铝或二氧化钛类的载体上使用。该催化剂对水和二氧化碳不应该有高吸附性，这会在出现浓度变化时大大延误该分析方法的响应，或出现高而可变的水和二氧化碳含量值，这是催化剂的放气进入样品气中造成的。现借助于图，图1给出了催化氧化剂分析系统的示意图。参看图1，样品或校准气通过不锈钢入口管线1进入，其流量由质量流量控制器系统控制。然后该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测定气体浓度的方法，该方法从包括氢的多种气体中测定至少一种选定的气体的浓度，所述方法包括用催化氧化剂将至少一种选定的气体转化成可测定气体，并用常压离子化质谱分析该可测气体，其灵敏度小于１ｐｐｂ。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：JB高达尔德，MM利特温，MH索尼克尔，AH马利克，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]