Thiết bị phân tích khí dư RGA (Residual Gas Analyzer) là gì?

Residual Gas Analyzer (RGA) là máy đo khối phổ kế tứ cực (quadrupole mass spectrometer) dạng nhỏ và chắc chắn, được thiết kế để phân tích môi trường, kiểm soát quá trình và giám sát ô nhiễm trong hệ thống chân không.

RGA có thể theo dõi chất lượng của chân không bằng cách phát hiện (và đo lường) dấu vết của tạp chất trong môi trường khí áp suất thấp. RGA cũng có thể được sử dụng như các máy dò rò rỉ tại chỗ (in situ), thường sử dụng helium là khí chỉ dấu.

Vai trò của RGA đã thay đổi trong những năm trở lại đây, nhờ được phát triển hoàn toàn từ một công cụ nghiên cứu thành một công cụ sản xuất. Với vai trò công cụ sản xuất, RGA có thể cải thiện năng suất sản phẩm và giảm chi phí, do đó làm tăng lợi nhuận.

RGA hoạt động như thế nào?

Một thiết bị phân tích khí dư sẽ đo áp suất riêng của các khí trong một hỗn hợp. Hệ thống RGA bao gồm một cảm biến để hoạt động trong môi trường chân không cao, thiết bị điện tử vận ​​hành cảm biến và phần mềm kết hợp máy tính để hiển thị dữ liệu và điều khiển thiết bị.

Cảm biến RGA bao gồm ba phần:

• Nguồn ion (Ion source): Nguồn ion chứa một sợi đốt phát ra các electron. Các electron này va chạm với các phân tử khí trong hệ thống chân không, tạo ra điện tích và các ion.
• Bộ lọc Quadrupole Mass (Quadrupole Mass Filter): Các ion được tạo ra trong nguồn ion di chuyển vào Quadrupole Mass để được phân chia theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích.
• Thiết bị phát hiện ion (Ion detector): Các ion đã qua bộ lọc Quadrupole Mass sẽ di chuyển vào thiết bị phát hiện ion và trở nên trung tính, tạo ra một dòng điện tỷ lệ và xác định thành phần khí. Mô-đun điện tử RGA, tích hợp thiết kế “cảm biến thông minh”, hiển thị ngõ ra của cảm biến. Phần mềm hệ thống này được sử dụng để giám sát, kiểm soát quá trình thống kê và bảo trì như hiệu chuẩn khối phổ.

Tại sao nên sử dụng RGA ?

Thiết bị phân tích phân tích khí dư có thể được sử dụng cho nhiều nhiệm vụ khác nhau.

• Phát hiện rò rỉ: RGA có thể liên tục theo dõi khí heli (hoặc bất kỳ khí chỉ dấu nào khác) để thực hiện chức năng kiểm tra rò rỉ trong buồng. Phần mềm sẽ hiển thị một cảnh báo (âm thanh cũng như hình ảnh) để cảnh báo người dùng khi mức heli tăng lên trên một điểm đặt xác định.

• Theo dõi và giám sát chung: RGA có thể được sử dụng để ghi nhận môi trường nền trong buồng. Chỉ cần biết mức chuẩn, RGA sau đó có thể theo dõi sự sai lệch trong các mức này.

• Giám sát quy trình: RGA có thể liên tục theo dõi một quy trình và báo cáo ngay lập tức mọi bất thường hoặc sai lệch. Phần mềm tích hợp có thể phản hồi và xử lý thông tin nhanh chóng.

• Kiểm soát ô nhiễm: RGA có thể được sử dụng để xác định các chất không mong muốn trong hệ thống. Phần mềm RGA chứa một thư viện các quang phổ để giúp xác định các tạp chất từ nhiều nguồn khác nhau.

• Điều khiển quá trình: Ví dụ, các rơle được lập trình để đóng ở áp suất định trước, có thể được sử dụng để điều khiển van, hoặc các đầu ra tương tự có thể được đưa vào PLC.

Những lưu ý

Trước khi đề xuất hoặc chỉ định RGA, cần phải xem xét một số yếu tố:

Dải áp suất: Cảm biến RGA tiêu chuẩn hoạt động ở áp suất thấp hơn 10-4 Torr. Tuy nhiên, INFICON Transpector XPR3 hoạt động lên đến 2×10-2 Torr. Do đó, nếu áp suất vận hành của hệ thống cao hơn giá trị này, phương án giảm áp suất cũng sẽ được yêu cầu để giữ cho cảm biến RGA ở mức chân không phù hợp. Một kỹ thuật giới hạn độ dẫn điện sẽ được sử dụng để chuyển mẫu đến cảm biến.

Dải khối lượng: dải khối lượng sẽ phụ thuộc vào các loại khí cụ thể trong hệ thống. Cảm biến được chỉ định bởi AMU (đơn vị khối lượng nguyên tử) và có thể phát hiện các khí có khối lượng từ 1-100. Tương tự, cảm biến 200 AMU (hoặc 300 AMU) sẽ phát hiện khối lượng từ 1-200 (hoặc 1-300). Đơn vị khối lượng nguyên tử của chất nhất định có thể được xác định bằng Biểu đồ nguyên tố hóa học. Các nguyên tử khí: được tạo thành từ một nguyên tố riêng lẻ (như N ở khối lượng 14); hoặc phân tử, được tạo thành từ sự kết hợp của các nguyên tử (như H2O).

Giới hạn phát hiện: Có hai loại đầu dò cho máy RGA là Faraday Cup (FC) và Electron Multiplier (EM).

Faraday Cup là một tấm kim loại đơn giản hoặc điện cực hình cốc có thể phát hiện áp suất riêng tối thiểu là 3×10-13 Torr. FC có nhiệt độ hoạt động tối đa là 250ºC (200ºC đối với cảm biến nhỏ gọn).

Mặt khác, Electron Multiplier hoạt động như một bộ khuếch đại để cải thiện độ nhạy và có thể phát hiện áp suất xuống đến  10-14 – 10-15 Torr (ở điện áp đặt tối đa). EM có nhiệt độ hoạt động tối đa là 150ºC.
Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể của người dùng sẽ xác định được nên sử dụng loại FC hay EM. Đối với phần lớn ứng dụng, sử dụng FC là đạt yêu cầu. Tuy nhiên, đối với áp suất thấp hơn và yêu cầu phát hiện nghiêm ngặt hơn, ta nên sử dụng EM.

Giải pháp từ Inficon

Dòng máy phân tích khí dư của hãng INFICON đáp ứng nhu cầu của phần lớn ứng dụng trong các ngành công nghiệp.

Nguồn ion mở: Cảm biến AMU 100, 200 và 300 với Faraday Cup hoặc Electron Multipliers, tùy thuộc vào áp suất hoạt động và giới hạn phát hiện yêu cầu.

XPR (Dải áp suất mở rộng): Cảm biến 100 AMU chủ yếu sử dụng để giám sát quá trình trong ngành bán dẫn có áp suất hoạt động lên đến 20 mTorr và yêu cầu phát hiện ô nhiễm xuống tới 10 PPM. XPR hoạt động mà không cần bơm bên ngoài (bơm vi sai).

Nguồn ion kín (CPM): Cảm biến AMU 100, 200 và 300 sử dụng đầu dò kết hợp FC/EM hiệu suất cao cho các ứng dụng đặc biệt và giám sát ô nhiễm PPM/sub-PPM. Nguồn ion khép kín hoạt động ở áp suất tương đối cao, làm giảm hiệu ứng masking và cho phép lấy mẫu từ khí quyển đến chân không cao.

Phần mềm
TWare 32 ™ là gói phần mềm dành cho Win 95, Win 98, Win NT, Win 2000 và Windows XP cho phép kết nối INFICON RGA với máy tính bên ngoài. Bằng máy tính, người dùng có thể nghiên cứu, kiểm tra quang phổ, thực hiện hiệu chuẩn và bắt đầu kiểm tra rò rỉ. Một máy tính có thể giám sát một thiết bị thông qua giao diện RS232 hoặc nhiều thiết bị thông qua hệ thống mạng RS485.

Driver DDE 32-Bit là một ứng dụng Trao đổi Dữ liệu Động với các chương trình Windows khác để trao đổi thông tin. Ví dụ: DDE có thể nhập dữ liệu RGA vào bảng tính Excel.

Phần mềm FabGuard ™ được sử dụng trong các ứng dụng giám sát quy trình bán dẫn. FabGuard là một hệ thống phần mềm tích hợp, giao tiếp với các cảm biến khác nhau, bao gồm RGA và công cụ để phân tích và tương quan dữ liệu.

Việc sử dụng RGA thích hợp mang lại lợi ích tối đa. Với các ứng dụng từ giám sát quá trình đến phát hiện rò rỉ, các sản phẩm phù hợp với mọi phạm vi áp suất, phạm vi khối lượng và giới hạn phát hiện.

Tham khảo sản phẩm tại đây