專利名稱：一種檢測三氯氫硅純度的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測三氯氫硅純度的簡易方法及裝置，該方法和裝置可用于半導
體廠對來料質量監控。
背景技術：
硅片外延工藝中需要使用三氯氫硅(TCS)、二氯氫硅(DCS)等硅化合物作為硅源， 在高溫反應時分解的硅原子在硅片形成硅層。這些DCS、TCS的金屬雜質不僅影響外延片的 質量，而且還會導致設備的沾污。硅源中的金屬在外延生長中進入硅外延層，有的金屬雜質 在外延層中聚集形成缺陷核心影響外延層質量，有的金屬原子在外延層中形成雜質能級影 響器件性能。帶有金屬雜質的TCS(或DCS)不僅導致外延片的報廢，而且會沾污外延爐腔 和氣體管路，使得花費時間來清潔爐腔和氣體管路。 對TCS、 DCS做成分分析是有效避免金屬沾污的有效方法。由于TCS(或DCS)在 空氣中遇水分解，而且產生大量酸霧，所以直接取樣進行測量非常困難，而且有一定的危險 性。在TCS(DCS)純度的測試需要專門的取樣方法和專用的設備。但是在一般的半導體廠 內，單獨購買專用設備勢必增加成本，一般的外延廠通過加強對供應商的審核和生長本征 外延層來控制TCS(或DCS)的質量。但是生長本征外延一般不會用作來料檢查，只有在外 延片質量出現問題后，排除各種可能的影響因素時實施，同時使用不合格的TCS生長本征 外延時也會導致外延爐的沾污。
發明內容
本發明目的是提供一種檢測三氯氫硅純度的簡易方法及裝置，本方法具有快速、 安全、簡單等優點。 為達到上述發明目的，本發明采用以下技術方案
這種檢測三氯氫硅純度的方法，它包括以下幾個步驟 (1)、將TCS儲液罐中的TCS通過壓力差壓入緩沖罐，再從緩沖罐通過壓力差壓入 反應罐； (2) 、TCS在反應罐中與預先加入的水反應，使TCS與水反應生成硅化物和鹽酸，同 時TCS含有的金屬雜質與氯離子反應生成金屬氯化物； (3)、提取反應罐內的生成物后，用設備電感耦合等離子質譜進行分析，得到氯和
金屬的量，由氯換算成TCS的量，并計算出三氯氫硅的純度。 用于權利要求1檢測三氯氫硅純度的裝置，它包括以下幾個部分 TCS液灌、緩沖罐、反應罐以及密封罐，它們按順序以管道、閥門串接。 所述的緩沖罐，它包括以下幾個部分通入緩沖罐的管道共三條，一條管道串接一
閥門后和TCS液灌的液相接口，一條管道串接一閥門后和反應罐連接，另外的一條管路和
文丘里的抽氣口連接，同時串接三個閥門和兩個三通，其中一個三通通過管路和TCS液灌
氣相接口連接，另 一和三通通過管道和閥門和密封罐連接。
所述的反應罐，它包括以下幾個部分通入反應罐的管道共兩條，一條管道串接一 閥門后和緩沖罐連接，另一條管路串接一閥門后和密封罐連接，反應罐外側為冰浴裝置以 保持反應罐恒溫，反應罐至于磁力攪拌器上。
所述的密封罐，它包括以下幾個部分通入密封罐的管道共兩條，一條管道串接一
閥門后和反應罐連接，另一條管路串接一閥門后通過三通和緩沖罐連接。
所述的緩沖罐的底部有一作為收集TCS的凹坑。 由于TCS本身很不穩定，且容易在空氣中分解，因此本專利首先通過一個轉換裝 置將TCS和水反應生 2SiHCl3+3H20-(HSi0)20+6HCl，在生成的反應物中，HCL間接代表了 TCS的含量(之 間的比例為3 : 1)，而TCS中的金屬物質會和HCL反應生成氯化物。 本發明的優點是達到快速檢驗，裝置取樣簡單，同時利用半導體廠現有的金屬檢 驗設備如ICP-MS(電感耦合等離子質譜)，避免了因劣質三氯氫硅污染設備而造成經濟損 失。本發明的特點在于結構簡單，不需要專門購入特殊設備，需要的材料在市場上很容易購 買，而且連接簡單。而測試用的ICP-MS(電感耦合等離子質譜)是半導體廠家檢測金屬通 用的設備，通過本裝置的使用，使得該設備的利用率大大增加。
圖1 :本裝置連接結構示意圖 圖1中，PG4為調節閥，VG為文丘里，V1-V14為閥門，還有磁力攪拌器及磁力轉子。
具體實施例方式
為了安全地從TCS液灌中提取TCS液體，本專利設計的專門的裝置，具體的結構如 圖.1。虛線框內的圖標為本專利設計的裝置。本專利設計的的裝置包括緩沖灌、反應罐、密 封罐，文氏管、磁力攪拌器、調壓閥、以及各個裝置相互連接的管道和閥門。各裝置具體的功 能如下 緩沖罐的主要功能是從TCS液灌中抽取少許TCS液體，然后將適量的液體輸入到 反應罐中反應。由結構圖可知緩沖罐上共連接有三條管路，2、4、5。其中管路2和TCS液灌 的液相口連接，同時通過V3和管路1相連。管路1將廠房內氫氣和TCS液罐氣相接口連接， 同時管路1通過一個三通和管路3連接，管路1上由兩個閥門VI、 V2和一個調壓閥。管路 4和文氏管連接，且通過一個三通和管路3連接。通過閥門V4的開閉，管路4可以通過管 路3和管路1連接。管路5和反應罐連接，其上有閥門V8。緩沖罐的底部有一個小凹坑，其 作用是收集TCS液體。管路5的端口要置于凹坑內，在管路4通入氫氣的壓力下，凹坑內的 TCS被輸送到反應罐內。 反應罐的主要功能是讓TCS和純水反應，當TCS緩緩滴入反應罐后和罐內的純水 發生反應。反應罐內置磁力轉子，在反應是產生攪拌功能使得反應充分。反應罐外套以容 器，內置冰水以降低反應溫度，避免反應生成的HCL揮發。反應罐通過管路5和緩沖罐連接， 管路7和密封罐連接。管路5上有一閥門V8。 密封罐內盛有一定量的純水，其作用是"水封"，以防止反應罐內劇烈反應導致罐 的內壓力增加的保護裝置。密封罐上的管路7兩端的管口在反應罐一側置于液面以上，但是在密封罐一側則通到罐子底部。當反應罐內壓力高于密封罐時，反應罐內的氣體則通過 管路7將壓力卸掉。和密封罐連接的另一條管路為管路6，它的另一端通過三通分別管路4 和文氏管連接。管路6的作用是將反應罐流入的氣體排出，因此管路6在密封罐內端口置 于液面之上。管路6上有閥門V9。
TCS的純度測量方法，包括以下步驟 1.部件的清潔和連接主要是將緩沖罐、反應罐清潔后連接到系統中。在反應罐、 密封罐中充入一定量的純水。反應罐內純水的量不能淹沒管路5和7的端口，密封罐內的 純水量不能淹沒管路6的端口。同時需要留一定量的純水做備用(主要用來做背景測試)。
2.將TCS液灌接入系統，為保證系統清潔，需要通過閥門組合的開閉將管路內的 的空氣通過氫氣置換干凈。 3.TCS輸入緩沖罐內為了避免大量TCS進入緩沖罐，需要采取逐步施壓的方法將 TCS壓入緩沖罐。通過閥門組合的開閉，以及調壓閥的作用，造成TCS液灌和緩沖罐的壓力 差，然后通過壓力差將TCS壓入緩沖罐。 4. TCS在反應罐內與純水反應將緩沖罐內的TCS緩慢滴入反應罐內。通過閥門組 合的開閉，以及調壓閥的作用，造成緩沖灌和反應罐的壓力差，然后通過壓力差將TCS壓入 反應罐。當適量的TCS加入反應罐后，在磁力攪拌器的作用下TCS和水充分反應，同時在冰 浴的環境下溶液中的HC1很少揮發，而且由于滴入的TCS量較小因此HC1的濃度很低。有 效控制TCS滴入量是測量能否準確的關鍵。 5.取樣分析等待反應充分后后由反應罐內提取反應溶液做成分分析，測量C1和 金屬的濃度。 6. TCS中金屬濃度的計算方法 如果測量的Cl的密度為A，那么參加反應的TCS量為A/3。測量獲得某種金屬的 濃度為Mi，則TCS中這種金屬的濃度為3M乂A。 本裝置及其方法實用不僅適用于TCS，也適用與二氯氫硅(DCS)得純度分析。在裝 置中的緩沖罐、反應罐和密封罐可以使用高純的石英玻璃制造，也可使用高純聚四氟材料 制造。反應罐內的純水可以替換成半導體純的NaOH，以避免HC1的揮發，但是整套裝置的材
料需要更換成聚四氟材料制造。
實施例 1.部件的清潔和連接主要是將緩沖罐、反應罐清潔后連接到系統中。在反應罐、 密封罐中充入一定量的純水，反應罐內純水的量不能淹沒管路5和7的端口 ，密封罐內的純 水量不能淹沒管路6的端口。同時需要留一定量的純水做備用(主要用來做背景測試)。 同時將待測TCS液灌接入系統。 2.管路清潔由于在空氣中完成了管路的連接，因此空氣中的雜質和水氣等會影
響測量的效果，需要將管路內的的空氣通過氫氣置換干凈。具體方法是 a)將閥門V1、V10、V12、V13、V14處于閉合狀態，且開啟閥門V2、V3、V4、V5、V6、V7、
V8、V9、V11。 b)對系統抽真空打開V14約20s，這是在文氏管的抽力下，這時系統除TCS液灌 外均處于真空狀態 c)對系統充氫氣將調壓閥調到40psi，然后關閉V14，開啟Vl后保持20s，這時系統除TCS液灌外都充滿氫氣。 d)反復對系統執行抽真空和充氫氣的狀態20次 3.將TCS壓入緩沖罐內為了避免大量TCS進入緩沖罐，需要采取逐步施壓的方 法將TCS壓入緩沖罐。具體方法為 a)將閥門V1、V9、V10、V12、V13、V14處于閉合狀態，且開啟閥門V2、V3、V4、V5、V6、 V7、V8、V11、 V12、V13。 b)對系統抽真空打開V14約20s后關閉，這是在文氏管的抽力下，這時系統除去 緩沖罐外均處于真空狀態。 c)將調壓閥的壓力調到10Psi后打開Vl，這時系統除去緩沖罐外均處于填充了 10Psi的氫氣。 d)將閥門V3、V4、V6、V7、V8、V9、V10、V14處于閉合狀態，而閥門VI、V2、V13、V12、 V5處于開啟狀態。 e)調節調壓閥，由于TCS液灌和緩沖罐的壓力差TCS逐漸經由管路5壓入緩沖罐。 當緩沖罐內的TCS淹沒凹坑約lcm后停止加壓。 f)關閉Vl，開啟V4、V6、V14后，TCS液灌被抽成真空狀態。然后依次關閉V13、V2、
V6、 V14后，開啟VI和V7，這時在氫氣的壓力下管路5內的TCS被壓回TCS液灌。 g)關閉V12和V4后，依次開啟V2、V3、V6、V14，這是在管路氫氣的吹掃下，管道5
內的殘余TCS被清潔干凈后將個閥門關閉。同時TCS液灌可以被卸載。 4. TCS和純水反應由于緩沖罐內已經保存里的適量的TCS，通過提取少量的TCS
輸入反應罐發生反應。具體的實施方法為 a)將閥門V1、V2、V3、V5、V4、V7、V8、V14、V9處于閉合狀態，而閥門V11、V6、V7處 于開啟狀態。 b)且開啟閥門V14約20s，使得緩沖罐和密封罐被抽真空后關閉閥門V6、V11。
c)調節調壓閥將氫氣壓力調到10psi后，依次打開閥門V1、V4、V8、V10。調節調壓 閥、逐漸增加氫氣壓力使得適量的TCS滴入反應罐內(約5-10滴)，同時開啟磁力攪拌器。 整個過程要注意密封罐內氣泡的數量，如果發現有大量氣泡就需要打開V9卸壓，但是實際 操作中要避免有氣體進入密封罐。 d)關閉VI和V4，開啟V6、V11后將管路5內多余的TCS回抽到緩沖罐內。同時關 閉V8，取下反應罐去做取樣分析。 e)緩沖罐內剩余的TCS可以通過更換一個新反應罐，然后用上述的方法TCS全部 輸入到反應罐內全部反應，將反應物排出即可。
權利要求
一種檢測三氯氫硅純度的方法，其特征在于它包括以下幾個步驟(1)、將TCS儲液罐中的TCS通過壓力差壓入緩沖罐，再從緩沖罐通過壓力差壓入反應罐；(2)、TCS在反應罐中與預先加入的水反應，使TCS與水反應生成硅化物和鹽酸，同時TCS含有的金屬雜質與氯離子反應生成金屬氯化物；(3)、提取反應罐內的生成物后，用設備電感耦合等離子質譜進行分析，得到氯和金屬的量，由氯換算成TCS的量，并計算出三氯氫硅的純度。
2. —種用于權利要求l檢測三氯氫硅純度的裝置，其特征在于它包括以下幾個部分 TCS液灌、緩沖罐、反應罐以及密封罐，它們按順序以管道、閥門串接。
3. 根據權利要求2所述的檢測三氯氫硅純度的裝置，其特征在于所述的緩沖罐包括以下幾個部分通入緩沖罐的管道共三條，一條管道串接一閥門后和TCS液灌的液相接口，一條管道串接一閥門后和反應罐連接，另外的一條管路和文丘里的抽氣口連接，同時串接三個閥門和兩個三通，其中一個三通通過管路和TCS液灌氣相接口連接，另一和三通通過 管道和閥門和密封罐連接。
4. 根據權利要求2或3所述的檢測三氯氫硅純度的裝置，其特征在于所述的反應罐它包括以下幾個部分通入反應罐的管道共兩條，一條管道串接一閥門后和緩沖罐連接，另一條管路串接一閥門后和密封罐連接，反應罐外側為冰浴裝置以保持反應罐恒溫，反應罐 至于磁力攪拌器上。
5. 根據權利要求2或3或4所述的檢測三氯氫硅純度的裝置，其特征在于所述的密封罐包括以下幾個部分通入密封罐的管道共兩條，一條管道串接一閥門后和反應罐連接，另 一條管路串接一 閥門后通過三通和緩沖罐連接。
6. 根據權利要求3所述的檢測三氯氫硅純度的裝置，其特征在于所述的緩沖罐的底部有一作為收集TCS的凹坑。
全文摘要
本發明提供一種檢測三氯氫硅純度的方法及裝置，方法包括(1)將TCS儲液罐中的TCS通過壓力差壓入緩沖罐，再從緩沖罐通過壓力差壓入反應罐；(2)TCS在反應罐中與預先加入的水反應，使TCS與水反應生成硅化物和鹽酸，同時TCS含有的金屬雜質與氯離子反應生成金屬氯化物；(3)提取反應罐內的生成物后，用設備電感耦合等離子質譜進行分析，得到氯和金屬的量，由氯換算成TCS的量，并計算出三氯氫硅的純度。本發明的優點是達到快速檢驗，裝置取樣簡單，同時利用半導體廠現有的金屬檢驗設備如ICP-MS(電感耦合等離子質譜)，避免了因劣質三氯氫硅污染設備而造成經濟損失，且設備的利用率大大增加。
文檔編號G01N27/64GK101706473SQ20091024223
公開日2010年5月12日 申請日期2009年12月4日 優先權日2009年12月4日
發明者何自強, 馮泉林, 常青, 庫黎明, 索思卓, 葛鐘, 閆志瑞 申請人:北京有色金屬研究總院;有研半導體材料股份有限公司