JP2003521365A - 一体型加熱ゲッター精製器システム - Google Patents

一体型加熱ゲッター精製器システム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の加熱ゲッターシステムより小さなパッケージ加熱ゲッター精製器システムの優れた性能を利用して種々のガスを精製する方法および装置を提供すること。 【解決手段】 内側ケーシング、外側ケーシング及びヒーター効率を上げ精製ガスを冷却する一体型再生式熱交換機とを備える装置。粒子フィルターはガスの流れから粒子を取り除く。種々のモジュラー型ガススティック基体の設計に対するインターフェースは、一体型加熱ゲッター精製器システムの入口と出口をもつ。入口ガスは一体型熱交換機によって予備加熱され、200〜400℃の操業温度に加熱される。加熱されたゲッターは、種々の不純物をガスから除去し、ガスは一体型熱交換器で冷却され、第2のより冷えたゲッターに曝され、残留不純物が除去され、好ましくは、使用されるために放出される前にフィルターによって残留粒子が除去される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はガス精製に関し、より詳しくは、ゲッターに基づく、ガスから不純物
を除去する方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術・発明が解決しようとする課題】
超高純度(UHP)ガスは、半導体デバイスの製造、研究室での研究、質量分
析装置、その他の産業や用途に好ましく用いられる。UHPガスは少なくとも9
9.9999999容積%の純ガスであると通常は定義される。
【0003】 UHPガスの製造方法はいくつかある。採用される方法は、普通、所望のガス
流速によって決められる。UHPガスの低流速は、最も一般的にはシングルラボ
ラトリテストスティション等のシングルポイント用途(POU)や化学蒸着(C
VD)半導体加工ツールなどのシングルプロセスツールにおいて利用される。P
OUの適用や他の似た低流速適用の好ましい方法として、これらの方法でスケー
ルの小さい製造が可能という理由から、低温反応性精製プロセス、加熱ゲッター
精製器プロセスがある。
【0004】 低温反応性精製プロセスは、普通、反応性金属、金属合金あるいは高分子樹脂
が精製材として利用される。低温反応性精製プロセスは、特定の反応性精製材を
精製すべき不純物を含むガスに暴露する。普通この方法は、特別に調整された精
製材を “活性化”し、次いで不純物を含むガスを加圧下、強制的に前記精製材
中に通すことが求められる。精製材は不純物を含むガス中の不純物と化学的ある
いは物理的に結合し、精製されたガスがケーシングから流出する。
【0005】 図1は、精製材として多孔性還元ニッケル触媒ペレットを利用した、従来の低
温反応性精製方法10を示すフローチャートである。まず、操作14で不純物を
含むガス、例えば微量の酸素の不純物を含むアルゴン、を加圧下、多孔性ニッケ
ルペレット中に通す。微量の酸素不純物はニッケル金属と反応し、酸化ニッケル
を形成する。他の不純物も又該ニッケルと反応できる。次いで、精製されたガス
は操作16で、意図された目的(例えば、半導体製造工程)に使用される。前記
ニッケルがプロセス10で実質的に酸化されてしまうと、酸素及び他の不純物は
もはや有効にガスから除去されない。
【0006】 低温反応性精製材は、不純物と反応しても該精製材が不純物を含むガスから不
純物をもはや除去できず、求められる性能レベルを達成しなくなる点で、“精製
キャパシティ”に達したと言われる。上記したニッケルを例にすれば、ニッケル
が不純物を含むガスからもはや微量の酸素を除去することができず、得られるガ
スは少なくとも99.999999%の純度を得られなくなった時、該ニッケル
は精製キャパシティに達した。あるひとつの不純物に対して低温反応性精製材が
精製キャパシティに達した時、該精製材は取り替える必要があり、もし可能なら
再活性化される。
【0007】 不純物の“総キャパシティ”は、不純物によって、精製材の実質的に全てが消
費され、言い換えれば、反応し、精製材が如何なる不純物とも反応できなくなる
のに必要とされる不純物の量である。
【0008】 一定の不純物の総キャパシティは、普通、精製キャパシティより非常に大きい
。不純物の精製キャパシティを増加するには、普通大きな容積を持つ精製材を利
用する。
【0009】 低温反応性精製材方法は、普通工場で“活性化”され、コントロールやモニタ
リングシステムを必要としない現場で操作されるというように、操作が非常に単
純であるという利点がある。低温反応性精製材方法は、非常に限定された数のタ
イプの不純物しか除去できなく、それから該限定された数のタイプの不純物の小
さなキャパシティしか持たないという不都合がある。低温反応性精製方法の精製
器は、オーバーヒートし、もし不純物濃度があまり大きいものを一度に曝すと火
災さえ起こすことが知られている。
【0010】 加熱ゲッター精製材、以下ゲッターという、は普通、Zr、Ti、Nb、Ta
及びVと、他の材料との合金あるいは混合物である。加熱ゲッタープロセスは、
精製すべき不純物を含むガスを適切な温度に保たれているゲッター材に暴露する
方法である。
【0011】 図2は、従来の加熱ゲッタープロセス30を示す。操作31で、不純物を含む
ガスを精製器の第1端部の入口に流す。次いで操作32で、不純物を含むガスは
操作温度まで予備加熱される。次に操作34で、加熱ゲッターが、不純物ガス中
に含まれる不純物、CO2、H2O、CH4、CO、O2、N2、その他の不純物と
化学的に結合する。操作36において、精製されたガスは熱交換器プロセスで室
温近くにまで冷却される。室温近くで、ゲッターは大きなH2キャパシティをも
つ。任意の操作38は、余剰のH2や他の不純物を、室温近くの大量のゲッター
を利用して、実質的に除去する。操作39で、精製されたガスは、精製器の第2
端部にある出口から流出する。精製ガスは、次いで、操作40で、意図された目
的(例えば、半導体製造工程)に使用される。
【0012】 もはや不純物を除去できず、求められる性能レベルを達成しなくなった時、ゲ
ッターは精製キャパシティに達した。ゲッター材が或るひとつの不純物に対して
精製キャパシティに達した時、該ゲッターは取り替えられなければならない。
【0013】 不純物の総キャパシティは、不純物によって、ゲッターの実質的に全てが消費
される、言い換えれば、反応するのに必要とされる不純物の量である。或るひと
つの不純物の総キャパシティは、普通、該不純物の精製キャパシティより非常に
大きい。不純物の精製キャパシティを増加するには、普通大きな容積を持つゲッ
ターを利用するか、ゲッターを高温に加熱する。
【0014】 加熱ゲッタープロセスは、或るひとつの不純物について精製材と同じ量で50
倍の量の不純物を取り除き、低温反応性精製材プロセスより優れている。又、低
温反応性精製材プロセスでは普通1つか2つのタイプの不純物しか除去しないが
、加熱ゲッタープロセスは、数種のタイプの不純物を除去する。これは、これら
のシステムの全体の操作と維持費を削減する。
【0015】 加熱ゲッタープロセスの欠点としては以下のものがある。精製材である合金の
コストが増加する。熱源が要求され、該熱源をコントロールする方法も要求され
る。精製後、精製ガスを冷却することが要求される。作業員は普通300℃以上
で操作しているのでそれに触れるとやけどするという、加熱ゲッター精製器のま
わりの作業員に対し危険性がある。加熱ゲッター精製器は、もし操作温度で加熱
ゲッターに不純物濃度があまり大きいものを一度に曝すと、火事を起こすことも
知られている。熱源、コントロールシステム、ガス冷却システムを必要とするの
で、加熱ゲッター精製器は、普通、中型、大型用途のために建設される。
【0016】 たいていのPOUの用途は、精製に加えて、スモールスケールコントロールと
モニタリングを必要とする。これらのコントロール、モニタリング及び精製との
アセンブリは“ガススティック”として知られている。図3は、典型的な従来の
ガススティック50の概略ダイアグラムである。ガススティック50は、ガス圧
を調節する圧力調節装置52、吸い込みガス流量を調節する入口弁54、ガスを
精製する加熱ゲッター精製器56、できたものを分離する精製出口分離バルブ5
8、ガス流速を調節あるいはモニターする質量流量調節装置あるいは質量流量計
60、ガスの逆流量を調節するチャックバルブ62、システム圧力をモニターす
る圧力変換器あるいは圧力ゲージ64、及びガス流から粒子を除去する出口フィ
ルター66を備える。
【0017】 ガススティックは普通2つのシーリング方法あるいはこれらの組み合わせを利
用して組み立てられる。押しつぶし可能なシールをもつ突き合わされた金属と金
属とのシーリング面68が、普通、交換式のコンポーネント用に利用される。溶
接結合部70が、普通は交換可能でないコンポーネント用に普通利用される。両
組み立て方法とも高価で、正しく利用するのが難しい。
【0018】 精製、コントロール及び計器による計測の必要性が大きくなるにつれ、ガスス
ティックはより複雑になる。より複雑なガススティックはより大きく、普通のP
OUにおける限定された空間で使用するのがより難しくなる。近年、ガススティ
ックは、上記した以前からの機能及び部品に加えて、ガス混合、ガス抜き、ガス
源選択を含むように発展している。
【0019】 ガススティックのサイズの大型化及び複雑さはモジュラー型ガススティックの
開発を余儀なくした。モジュラー型ガススティック明細書の一例として「ガス分
配コンポーネントのサーフェースマウントインターフェースの明細書」、SEM
I、ドラフトドキュメント#2787、1998があり、その内容は本明細書に
含まれる。
【0020】 サーフェースマウントインターフェース(SMI)の明細書では、ガススティ
ックタイプコンポーネントにモジュラー型インターフェース手段を定義する。図
4Aはモジュラー型ガススティックの基体80の一例を示し、図4Bはモジュラ
ー型ガススティックコンポーネントのベース100を示す。モジュラー型ガスス
ティックの基体80は、例えば、コンポーネントステイション84からコンポー
ネントステイション94へのガス流用機械加工された通路82を含む。コンポー
ネント部84、94、95、96、97、98及び99はそれぞれ、吸気ポート
86と排気ポート88とを含み、それぞれ、それぞれのモジュラー型ガススティ
ックコンポーネントのベース100の吸気ポート102と排気ポート104とに
対応している。バルブ、質量流量計及び質量変換器のような複数のコンポーネン
トタイプは、モジュラー型ガススティックベース100といっしょに製造されて
もよい。各モジュラー型ガススティックコンポーネントのベース100は共有モ
ジュラー型ガススティック基体80にシールしている。モジュラー型ガススティ
ック基体80はひとつあるいは複数のガス通路82の設計が利用されてもよい。
【0021】 図5は、モジュラー型ガススティック基体80に設置されているいくつかの典
型的なコンポーネント、即ち、第1コンポーネント106、第2コンポーネント
108及び第3コンポーネント110を示す。ガスは、モジュラー型ガススティ
ック基体80の入口90に流れ込み、モジュラー型ガススティック基体80の通
路82を通って第一コンポーネントステーション84へ、次いで基体80上の吸
気ポート86を通って第1部品106の入口102、第1部品106から出口1
04、基体80の排気ポート88を通る。ガスは第1コンポーネント106から
モジュラー型ガススティック基体80の通路82へ流れ、第2コンポーネント1
08へ流れる。流れはコンポーネントステーションからコンポーネント部へと、
モジュラー型ガススティック基体80の出口92に達するまで続く。
【0022】 モジュラー型ガススティックは、伝統的なガススティックに優る2つの重要な
長所を提供する。先ず、モジュラー型ガススティックの組み立て及びメンテナン
スは、速くでき、シンプルで、簡単である。第2に、モジュラー型ガススティッ
クはサイズが非常に小型である。モジュラー型ガススティックは、全てのコンポ
ーネントで下記する徹底したサイズ、形の限定により小型になる。例えば、SM
Iはバルブ以外のコンポーネントのサイズを特定し、精製器のようなMFC/M
FMは、基体を幅38.15mm、深さ38.15mm、高さ180mmのケー
シングに留めるべきである。
【0023】 低温反応性精製プロセスの、シンプルな室温操作は、モジュラー型ガススティ
ック用途で利用され、効を奏する。しかしながら、加熱ゲッタープロセスはモジ
ュラー型ガススティックとともに使用されることはなかった。これは、ひとつに
は、普通40℃以下であることが求められるガススティック基体の温度限界のた
めである。多くの加熱ゲッター精製器は、ゲッター材を200℃と400℃との
間に加熱する。これは、モジュラー型ガススティックの実行とは共存できない。
さらに、加熱ゲッター精製は一般的に、モジュラー型ガススティックシステム関
連のものより、より大きくなく、よりコンパクトなスケールでないものとして考
えられる。
【0024】
【課題を解決するための手段】
本発明では、今までの加熱ゲッタープロセスより小さなパッケージで加熱ゲッ
タープロセスを利用した、種々のガスを精製する方法と装置とを提供する。より
小さなパッケージ(“ファクターを形作る”)は、又、一体型蓄熱式熱交換器を
含み、これは同時にヒーター効率を増し、精製ガスを冷却する。冷却されたガス
は第2のより冷えたゲッターに暴露され、残っている不純物が除去され、好まし
くは放出前にフィルターを通して微粒子が除去される。本発明の好ましい実施態
様としては、さらに、種々のモジュラー型ガススティック基体設計用のインター
フェース手段を備える。
【0025】 不純物を含むガスから複数の不純物を除去してガスを精製する方法は、蓄熱式
熱交換器で不純物を含むガスを加熱し、次いでヒーターで操作温度まで加熱する
ことを含む。不純物を含む加熱されたガスは、次いで、加熱されたゲッター材に
暴露され、それから蓄熱式熱交換器で冷却される。得られたガスは冷却され、次
いでより冷えたゲッターに暴露され、残っている不純物が除去される。精製ガス
はUHP パーフォーマンス パーティクル フィルターでろ過される。
【0026】 ガスの精製装置は、外側ケーシングと内側ケーシングとを備える。第1端部は
内側及び外側ケーシングの両方に接続し、第2端は前記外側ケーシングと接続し
ている。環状空間は、前記外側ケーシングと前記内側ケーシングとの間にあり、
内側空間が前記内側ケーシングによって規定される。
【0027】 第1端部は入口と出口とを備える。該入口は環状空間に接し、前記出口は内側
空間に接している。加熱されたゲッターの多くは内側空間に配置される。又、偏
向手段、第2の量のゲッター、及びフィルターも前記内側空間に配置されている
のが好ましい。前記偏向手段は、前記加熱されたゲッターを第2の量のより冷え
たゲッターから分離し、前記フィルターは、前記外側空間から前記内側空間の内
容物を分離する。
【0028】 本発明は、小さく、コンパクトな形状因子で、優れた加熱ゲッター精製性能を
提供する。効率的な設計によって熱交換が内へ流れるガスと外へ流れるガスとの
間で行われ、精製器のエネルギー消費が削減され、精製ガスが冷却される。これ
らの因子は、加熱ゲッター精製器を、モジュラー型ガススティックシステムや他
のコンパクトな感熱的用途とともに使用することを可能にする。
【0029】 本発明のこれら及び他の利点は下記の詳細な説明及び種々の図面によって、こ
れを読んだ当業者に明らかになるであろう。
【0030】
【発明の実施の形態】
図1から図5までは従来技術として説明した。
【0031】 図6は、本発明の一実施態様である一体型加熱ゲッター精製器システム200
を示す。一体型加熱ゲッター精製器システム200は外側ケーシング202を備
える。該外側ケーシング202は、円筒でも、例えば、長方形、正方形、三角形
、如何なる多角形等、如何なる断面形状をしていてもよい。他の形状であっても
利用できる。前記外側ケーシング202は、第一の実施態様では、316L又は
304Lの低炭素ステンレス鋼(SST)で造られるのが好ましい。他のグレー
ドの鋼や他の金属など他の材料も又利用することができる。要求される設計圧力
は、150ポンド/平方インチ(psi)以上である。外側ケーシング202の
壁は、予定される設計圧力に耐えるため、少なくとも0.016インチとされる
べきである。又、外側ケーシング202の壁はできるだけ厚いほうがよい。外側
ケーシング202の壁は、加熱ゲッター精製器組立品の構造強さを提供し、又い
くらか断熱も提供する。この実施態様では、外側ケーシング202は、好ましく
は直径が標準で1.5インチのSSTチューブから造られるのが好ましい。この
ようなチュービングは、普通、0.065インチの厚さをもつ。上で列挙した要
因では、0.065インチ壁が、最も簡単な選択として普通選ばれるが、他の厚
さも利用することができる。
【0032】 表面処理は普通、粗さ平均(Ra)で表され、粗さ平均は、或るサンプリング
長さで取った側面高さ偏差であって、図の中心線から測定される絶対値の算術平
均である。外側ケーシング202の壁の表面処理は、実質的に全て油で加工され
、フィルムは取り除かれるのが好ましい。外側ケーシング202は、普通、清浄
及び化粧目的で電解研磨され、10μinRaとされる。電解研磨は外側ケーシ
ング202には必要とされるものではない。
【0033】 一体型加熱ゲッター精製器システム200の第一実施態様は、内側ケーシング
204も備える。内側ケーシング204は、外側ケーシング202に対応した如
何なる断面形状であってもよい。内側ケーシング204は、外側ケーシングとの
共働下に環状空間206が形成されるように、該外側ケーシングの中に配設され
る。内側ケーシング204は、内側空間208も有する。前記内側ケーシング2
04は、第一の実施態様では、316L又は304Lの低炭素SSTで造られて
いるのが好ましい。他のグレードの鋼や他の金属など他の材料も利用することが
できる。
【0034】 第一実施態様における内側ケーシング204は、よりすばやく熱が内側空間2
08から内側ケーシング204の壁を通って環状空間206に伝わるように、略
0.010インチの厚さであることが好ましい。内側ケーシング204の壁の厚
さはこれより厚くても薄くてもよい。内側ケーシング204の壁の厚さは下記す
る熱伝達関係によって決定される。 Watt=KAΔT/L (式中、Wattは、ワットで表される、材料を通って伝わる熱、、 Kは、内側ケーシング204の熱伝達定数、 Aは、熱に曝される面積で、この場合は内側ケーシング204の壁の面積、 ΔTは、T1−T2、 T1は、より高い温度、内側ケーシング204の壁の内側面、 T2は、より低い温度、内側ケーシング204の壁の外側面、 Lは、内側ケーシング204の壁の厚さを示す。)
【0035】 KとAは一定で非常に高いΔTが求められ、内側ケーシング204の壁を通っ
て伝わる熱はLが減少するにつれ増加する。下記でさらに説明するように、内側
ケーシング204の壁の厚さは、熱ができるだけ速く効率的に伝わるように、最
適化される。
【0036】 内側ケーシング204の壁の表面処理は、実質的に全て油で加工され、フィル
ムは取り除かれるようにしなければならない。内側ケーシング204は粒子及び
精製性能の目的で電解研磨され、5〜10μinRaとされるのが好ましい。
【0037】 図6に示されている一体型加熱ゲッター精製器システム200は、さらに第1
端部210を備える。該第1端部210は、316Lか304LSSTから造ら
れているのが好ましい。他のグレードの鋼や他の金属など他の材料も又利用する
ことができる。第1端部210は、内側ケーシング204と外側ケーシング20
2に溶接されていてもよい。そのような溶接は、普通、電子アーク溶接機を使い
、フィラー材は使わない、片が互いに融解してくっついているヘトゲナス溶接で
ある。他の溶接方法を適用してもよい。第1端部210は、電解研磨され、10
μinRaあるいはそれ以上の表面処理がなされる。電解研磨以外の方法も利用
されるが、出口212及び内側空間208に曝される第1端部210の表面は、
10μinRaあるいはそれ以上の表面処理がなされるべきである。この表面処
理の必要性は、精製材の下流でのUHP性能を保つために求められる。第1端部
210は、又、入口214が環状空間206に連通するように入口214通路を
備える。
【0038】 第1端部210は、モジュラー型ガススティック基体と連通するモジュラー型
ガススティックインターフェース手段216を形成する。市場にはモジュラー型
ガススティック基体のいくつかの設計がある。第1端部210は、形が特定のガ
ススティック基体と連通するように複数の形に設計されることができる。それぞ
れの形において、出口212及び入口214は、所望の特定モジュラー型ガスス
ティック基体によって求められる如何なる配置、向きをしていてもよい。
【0039】 図6で示される一体型加熱ゲッター精製機システムは、さらに第2端部218
を備える。第一実施態様では、第2端部218は316Lか304LSSTから
造られているのが好ましい。他のグレードの鋼や他の金属など他の材料も又利用
することができる。第2端部218は、外側ケーシング202と溶接されていて
もよいが、内側ケーシング204と接していない。又、第2端部分218は、溶
接あるいは他の方法で内側ケーシング204と接していてもよい。好ましい実施
態様では、ガスの流れのために、第2端部218と内側ケーシング204との間
に、小さな隙間を設ける。第2端部218を内側ケーシング204と接触させる
場合は、環状空間206から内側空間208へのガスの流れ用のアクセス手段を
設けなければならない。溶接は、普通、電子アーク溶接機を使い、フィラー材は
使わない、片が互いに融解してくっついているヘトゲナス溶接である。他の溶接
方法を適用してもよい。第2端部218の表面処理は、実質的に全て油で加工さ
れるべきで、フィルムは取り除かれる。普通、第2端部218は、粒子及び精製
性能のため、10μinRaに電解研磨される。電解研磨は第2端部218には
必要とされず、他のクリーニング法を利用してもよい。
【0040】 第2端部218は、又ヒーター220用の場所を提供する。ヒーター220用
の設備は普通、溝あるいは穴が第2端部218に設けられている“ウェル”であ
る。ウェルは第2端部218を完全に貫通していない。この実施態様のヒーター
220は、円柱状の形をし、耐性のある電気ヒーターで、ミズリー州、セントル
イスにあるワットローインク等から入手可能である。他のタイプのヒーター、例
えば、コイルヒーター、バンドタイプヒーター、ブラケットタイプヒーター22
1あるいは他のタイプのヒーターを第2端部218の外側や内側あたりに利用す
ることもできる。ヒーター220は又、一体型温度センサーや熱電対を備えても
よい。熱電対は下記する外部コントローラーによって利用することができる。ヒ
ーター220は又、内部温度調節スイッチを備えることができる。該内部温度調
節スイッチはヒーター220の内部温度を調節する。
【0041】 内部空間208は精製材222を含む。好ましい実施態様における精製材は、
ゲッター材222である。モレキュールシーブ、ゼオライト、ニッケルその他の
精製材を利用してもよい。これらの精製材は、イタリア、ライナーテのSAES
ゲッターズS.p.A.、オハイオ州のエンゲルハード オブ バーウォード、
カリフォルニア州、サクラメンテのUOP等から入手可能である。
【0042】 ゲッター222は、普通、多孔質金属ペレットや金属粉末の形状である。ペレ
ットの形状は、普通、直径が2〜3mmで長さが3〜5mmの円柱状である。ペ
レットは又、他の形やサイズであってもよい。粉末形状は、普通、粒径0.01
0’’である。
【0043】 ゲッター222は普通、Zr、Ti、Nb、Ta、V、これらの合金、及び他
の材料との混合物である。好ましい実施態様のゲッター222は、イタリア、ラ
イナーテのSAESゲッターズS.p.A.で製造される、ペレット形状のST
707TM、ST198TM、ST101TMである。ST707TMは、ヘリウム/希
ガスファミリーや他のガスの精製に用いるのが最も効果的である。ST198TM は窒素やこれに似た他のガスの精製用に最も効果的である。他のガスは、他のタ
イプの精製材を利用して精製されてもよい。好ましい実施態様では、加熱された
ゲッターの温度は普通、200℃と400℃との間である。これより低い温度も
高い温度も利用してよい。ゲッター222の操作温度は、特定のゲッターのタイ
プ、ガスのタイプ、不純物荷重、ガス流速及び他の変数に依存する。
【0044】 ゲッター222は圧縮スクリーン224によって内部空間208に押しこまれ
る。圧縮クスクリーン224は、内部空間208内の第2端部分218近くに設
置される。圧縮スクリーン224は、ゲッター222が内部空間内で実質的に動
いたり沈降したりしないように、ゲッター222上に一定の圧力を加える。もし
ゲッター222が動いたり、沈降したりすれば、ガスの流れは該ゲッターを迂回
する可能性があり、そうするとガスを完全に精製しない。圧縮スクリーン224
は、一体型加熱ゲッター精製システム200を水平あるいは直角方向に利用でき
るようにする。圧縮スクリーン224は316Lか304LSSTから造られて
いるのが好ましい。他のグレードの鋼や他の金属など他の材料も又利用すること
ができる。
【0045】 偏向手段226も内部空間208に配設される。偏向手段226はいくつかの
目的を持つ。先ず、偏向手段226と第2端218との間にある加熱されたゲッ
ター245を、偏向手段226と第1端部210との間にある冷ゲッター246
から分離、隔離する。偏向手段226の第2の目的は、熱をガスの流れから内部
ケーシング204の壁へ伝えるように、ガスの流れを加熱されたゲッター245
から内部ケーシング204の壁へ導くことである。偏向手段226は又、一体型
加熱ゲッター精製システム中の最大ガス流速を抑えるように運転することができ
る。
【0046】 内部空間208内の偏向手段226の長さ方向の特定の位置は、偏向手段22
6の構造、精製材のタイプ、ガスのタイプと不純物の荷重、操作温度、他の要因
をはじめとする特定の適用変数によって異なる。偏向手段226の両端にある加
熱されたゲッター245と冷ゲッター246の量は、偏向手段226の長さ方向
の位置によって決まる。
【0047】 偏向手段226のひとつの目的は、加熱されたゲッターゾーンから冷えている
ゲッターゾーンへの熱伝達を抑えることである。この目的のひとつの例として、
下記の関係が挙げられる。
【0048】 Watt=KAΔT/L (式中、Wattは、偏向手段226の中を伝わるワットで表される熱、 Kは、材の熱伝達定数、 Aは、熱に曝される面積、この場合は、加熱されたゲッター245に曝される偏
向手段226の端面の面積、 ΔTは、T1−T2、 T1は、加熱されたゲッター245の温度、 T2は、冷ゲッターの温度、 Lは、偏向手段の厚さを示す。)
【0049】 Kは、下記で詳細に説明する偏向手段226の材料のタイプと形によって決ま
る定数である。ΔTは、プロセスによって決まる定数である。例えば、もし加熱
されたゲッター245が連続して400℃で、冷ゲッター246が連続して20
℃であれば、ΔTは、定数380℃である。KとΔTは定数なので、できるだけ
実用的にAは減らしLは増やさなければならない。
【0050】 Aは偏向手段226の形によって決まる。Aが減るに従って、伝わる熱は減る
【0051】 Lは内部空間208の物理的なスペースと必要とされる精製材222の量によ
って制限される。Lが厚くなるに従って、偏向手段226の中を通って伝わる熱
は減る。
【0052】 偏向手段226の他の目的は、効率的な一体型コンパクト熱交換器の一部とし
てである。熱交換は、偏向手段226が、ガスの流れから内部ケーシング204
の壁へ熱が伝わるように、熱いガスの流れを加熱されたゲッター245から内部
ケーシング204の壁へ導く時起こる。偏向手段226の外形寸法は、内部ケー
シング204の内側寸法より僅かに小さい。偏向手段226のまわりのガスの流
れは、内側ケーシング204の壁のすぐ近くで起こる。加熱されたゲッター24
5から流れる加熱されたガスは、熱エネルギーを、より冷えた内部ケーシング2
04の壁に伝える。加熱されたゲッター245から流れる加熱されたガスから内
部ケーシング204の壁へ伝わるエネルギーは、さらに環状空間206を通って
流れるより冷たい入口ガスへ伝わる。
【0053】 図7Aから7Dは偏向手段226の種々の態様を示す。図7Aは中実の形態の偏
向手段226Aを示す。中実形態の偏向手段226Aは簡単な構造で、従って多
分高価ではない。偏向手段226Aは中実なので、偏向手段226Aの材の有効
面積は偏向手段226Aの端面の面積である。偏向手段226Aは中実なので、
偏向手段226Aの材の熱伝達定数(K)が熱伝達を決定する。
【0054】 図7Bは、端がキャップされている中空の偏向手段226Bを示す。偏向手段
226Bの材料の熱伝達定数(K)に加えて、偏向手段226B内の空間の熱伝
達定数(K)が実質的に熱伝達性能を決定する。偏向手段226Bの材の有効面
積は、リング形状面積227Bのみに減らす。中空形態偏向手段226Bは、コ
ストを削減し耐久性を増すステンレス鋼のようなより高い熱伝達定数をもつ材料
から造ることができる。
【0055】 図7Cは、バケット形態の偏向手段226Cである。バケット形態の偏向手段
226Cはゲッター材で充填されていてもよい付加空間を提供する。付加ゲッタ
ー材は、不純物に対して付加的なキャパシティーを提供する。バケット形態は、
又、偏向手段226Cの有効面積を、リング部位の熱伝達(K)が偏向手段22
6Cの材料によって決まり、充填部位の熱伝達(K)がバケット形態を充填して
いる精製材222によって決まる充填リング形態227Cに減らす。
【0056】 図7Dは、支持スクリーン236をもつ部分的に充填されたバケット形態の偏
向手段226Dである。部分的充填バケット形態の偏向手段226Dは、中空の
偏向手段226Bの長所とバケット形態の偏向手段226Cの付加的なキャパシ
ティーとを併せ持つ。部分バケット形態も、偏向手段226Dの有効面積を、リ
ング部位の熱伝達(K)が偏向手段226Dの材料によって決まり、充填部分の
熱伝達(K)がバケット形態を充填している精製材222で一部決まり、バケッ
ト形態内にある中空空間によって一部決まる充填リング形態227Dに減らす。
【0057】 好ましい態様においては、偏向手段226は、316Lか304LSSTから
造られ、図7Bで示されるように端部キャップを有するものとされる。偏向手段
226は、種々の高温用途の同じようなタイプの製品を造るジェネラルエレクト
リックや他の製造会社によって造られたものでもよい。あるいは、セラミック、
ガラス、シリコン化合物、他の低熱伝達タイプの材料が利用されてもよい。
【0058】 偏向手段226は、他の多くの形態に造られてもよいし、特定の用途の要求に
あわせるように造られてもよい。
【0059】 図7Eは外延238をもつ偏向手段226Eを示す。偏向手段226Eは、上
記した偏向手段226の前に述べたものの中の如何なる形態をとっていてもよい
。説明を明瞭にするために、図7Aで示されているものと同様の中実形態の偏向
手段を示す。偏向手段226は、熱伝達用のガスの流れを内部ケーシング204
の壁に正確に導くために、内部空間204の中に正確に設置される。偏向手段2
26E上に描かれている外延238は、内部ケーシング204内の偏向手段22
6Eの配置を決定する。外延238は内部ケーシング204の壁に形成されてい
てもよい。外延238は、小さなブロック、丸みを帯びた“バンプ”や他の形態
など多くの形態をとってもよい。外延は、偏向手段226Eを内側ケーシング2
04の中心にくるように、偏向手段226Eの外周のまわりに、均等に、間隔を
置いて配置するのが好ましい。
【0060】 外延238は偏向手段226Eのまわりの “完全なへり”の形であってもよ
い。もし外延238が完全なへりの設計であれば、偏向手段226Eの中を通る
付加通路240がガスの流れのために必要とされ、他の偏向手段226よりも、
より冷たいゲッター246のより優れた利用を提供しうる、より冷たいゲッター
246の中心に向かうガスの流れを導くという長所を提供する。
【0061】 図6の粒子フィルター244について述べる。フィルター244は内側空間2
08中に配設され、ゲッター材222を加熱ゲッター精製システム200の出口
212から切り離す。フィルター244は、精製器から流れるガスから粒子を除
去する。フィルター244はテフロン(登録商標)、焼結金属、他の市販のフィ
ルター媒体などの様々な材料から造られる。この例のフィルター244は焼結さ
れたステンレス鋼である。焼結ステンレス鋼は、普通、製造者によって、ろ過5
年の定格性能が保証されている。フィルター媒体の他のタイプは、普通、そんな
に長くは保証されない。コネチカット州、ファーミングトンのポールフィルター
ズ、同じくファーミングトンのモットフィルターズ、その他が適切なフィルター
を提供する。
【0062】 多くのフィルター244の性能の設計が利用される。好ましい実施態様として
、フィルター244は10ミクロン及びそれより大きい粒子を実質的に全て除去
するように見積もられる。より正確なろ過で、0.003ミクロンを超えるの粒
子の実質的に全てを除去するように利用されてもよい。
【0063】 図8Aは、“トップハット”スタイルフィルター244Aの詳細を示す。図8
Bは、“ディスク“スタイルフィルター244Bを示す。図示しない他のフィル
タースタイルを利用してもよい。フィルター244A、244Bは、適当な位置
で、中実端や“ハットブリム”のまわりを溶接されているのが好ましい。フィル
ター244は、図8に示すように、第1端部210上に取り付けられてもよいし
、第1端部210から離れた内側ケーシング中に取りつけられてもよい。
【0064】 一体型加熱ゲッター精製器システム200は、温度調節システムでモニターし
て、加熱されたゲッター245の温度をコントロールするのが好ましい。加熱さ
れたゲッター245は、最大の性能を発揮するため、所望の温度、あるいはその
近くの温度にすべきである。温度を調節する方法はいくつかある。
【0065】 温度を調節する第1の実施形態として、モジュラー型ガススティックでも利用
される外部コントローラーを利用して行う。モジュラー型ガススティックは、バ
ルブ、質量流量コントローラー、他の動的機器のようなガススティックを調節、
操作するコントローラーを必要とする。熱電対は加熱されたゲッター245の温
度をモニターし、コントローラーにフィードバックソースを提供する。熱電対は
ヒーター220に一体化されたりあるいは、加熱ゲッター精製器システムの中あ
るいは表面上のどこかに取りつけられてもよい。
【0066】 ヒーター220の温度を調節する別の方法として、自己温度制限ヒーター22
0を利用して行う。ヒーター220のようなヒーターは一体型温度スイッチをも
つ。一体型温度スイッチあるいは等価電気回路は、ヒーター220が設定された
温度に達した時、ヒーター220への電流が止まる。
【0067】 ヒーター220の温度を調節する他の方法として、該ヒーターの電圧及び電流
ソースを正確に調整する外部コントローラーを利用して行う。ヒーター220の
温度が上昇するに従って、抵抗ヒーターの抵抗は増す。ヒーター220の抵抗が
設定した抵抗に達した時、電流がコントローラーによって遮断される。
【0068】 ヒーター220の温度を調節する他の方法として、正確に規定された電圧及び
電流ソースを必要とする平衡法がある。ヒーター220には、連続的に電気が供
給される。精製器を通るガスの流れが、ヒーター220と加熱されたゲッター2
45を連続的に冷却する。ヒーター220の電力は、ガスの流れの連続加熱及び
冷却が温度平衡の状態を実現するように見積もる。例えば、もし計算とテストで
、温度平衡の状態は100ワットの熱で実現するとわかれば、100ワットのヒ
ーターが利用され、ヒーターへの電流と電圧を正確に調整して、ヒーターが比較
的一定な100ワットを産出するようにする。
【0069】 図9は、本発明の一体型加熱ゲッター精製法を示すフローチャート300であ
る。操作302でガスは、一体型加熱ゲッター精製器システム200の入口21
4へ流れ、ヒーター220に向かって環状空間206の中に流れ込む。
【0070】 次いでガスの流れは、操作304で予備加熱される。ガスは、ヒーター220
に向けて、内側ケーシング204の壁の加熱されたエリアを通り抜けて流れる。
【0071】 次いで、操作306で、ガスは、ヒーター220を通りぬけて流れ、適正操作
温度に加熱される。ヒーター220は、ガスの流れと加熱されたゲッター245
とを適正操作温度に加熱する。この例においては、加熱精製材温度は普通、20
0℃と400℃との間である。これより低い温度、高い温度を利用してもよい。
ゲッター245の加熱操作温度は、該特定の加熱されるゲッター245のタイプ
、ガスのタイプ、不純物の荷重、ガスの流速及び他の変数によって決まる。
【0072】 次いで、操作308で、CO2、H2O、CH4、CO、O2及びN2のような不
純物が、加熱されたガスの流れから実質的に除去される。不純物は、加熱された
ゲッター245で吸着される。
【0073】 加熱されたゲッター245から、ガスの流れが、操作温度から所望の出口温度
に冷却される。ガスの流れは、操作310で、偏向手段226のまわりを流れる
ことによって冷却される。偏向手段226は、ガスの流れを、加熱されたガスが
その熱の一部を内側ケーシング204に対し放出する内側ケーシング204の壁
に向かって導く。加熱された内側ケーシングの壁は、前記操作304で説明した
ように、環状空間206内を流れるガスを予備加熱する。
【0074】 次の操作312で、冷却されたガスは、偏向手段226とフィルター244と
の間の内側空間に配設されている、加熱されていない第2空間、より冷たいゲッ
ター246へ流れる。該より冷たいゲッター246は、残存しているH2をガス
の流れから実質的に除去する。
【0075】 次の操作314で、精製されたガスがフィルター244へ流れる。フィルター
244は、実質的にガスの流れから粒子を除去する。フィルター244は0.0
03ミクロンの粒子を除去するように見積もられる。精製されたガスは、次いで
、操作316で意図された目的にために使われる。
【0076】 一体型加熱ゲッター精製器システムは、モジュラー型ガススティックシステム
のようなモジュラー型インターフェースタイプ用途とともに使用されることが意
図される。他の用途として、下記例示に限定されるものではないが、単独で、最
終用途の設備に直接取りつけられたり、半導体プロセスツール、ガス混合マニフ
ォールド、ガス分配マニフォールド等が挙げられる。他の適用は、モジュラー型
インターフェース、コンパクトフォームファクター、高精製性能を要求する。
【0077】 モジュラー型ガススティック及び前記の他の適用は、集積回路デバイスの製造
において、半導体の加工の一部分である。一体型加熱ゲッター精製器システムを
利用する他の産業として、医療産業、化学分析、化学加工及び製造、食品加工及
びテスト、医薬品製造、石油化学製品製造及び販売、その他がある。
【0078】 本明細書では本発明の実施態様がほんの少ししか書かれていないが、本発明は
、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、他の多くの形も含むと考えるべ
きである。従って、ここでの例示及び実施態様は説明であって限定ではない。本
発明はここで述べた詳細の如何なるにも限定されず、本発明の付加される権利の
範囲内で修正されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の低温反応性精製材プロセスを示すプロセスフローチャートで
ある。
【図2】 従来の加熱ゲッター精製プロセスを示すプロセスフローチャートで
ある。
【図3】 典型的な従来のガススティックの概略図である。
【図4A】 従来のモジュラー型ガススティック基体を示す。
【図4B】 従来のモジュラー型ガススティックインターフェース手段を示す
【図5】 従来の多数のコンポーネントが取りつけられたモジュラー型ガスス
ティックインターフェースシステムを示す。
【図6】 本発明の加熱ゲッター精製器システムの断面図である。
【図7】 図6の偏向手段226の代わりになる種々の偏向手段の設計を示す
【図8】 図6で示した実施態様用の2つのフィルターのタイプを示す。
【図9】 本発明に従った加熱ゲッター精製器プロセスのプロセスフローチャ
ートを示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4D006 GA44 KB12 MA21 MB15 MC02 PA01 PB20 4D020 AA10 BA03 BB01 CA01 CC21 CD02 DA01 DB06 4G066 AA02B CA27 CA35 CA37 CA38 CA43 CA51 DA05

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1端部と第2端部とをもつ外側ケーシングと、 内側空間を有する内側ケーシングであって、前記外側ケーシングとの間に環状
    空間が形成されるように該外側ケーシング内に配設される内側ケーシングと、 前記内側ケーシングの前記内側空間内に配設される精製材と、 前記外側ケーシングの第1端部近傍に設けられた入口及び出口とを備え、 前記入口は前記環状空間に連通され、前記出口は前記内側空間に連通されており
    、 不純物を含むガスが、前記入口を経て前記ガス精製器に入り、前記環状空間を
    通って前記内側空間に流れ、前記内側空間内に配設されている前記ガス精製材を
    通り、次いで前記出口を経て前記ガス精製器から出て行き、前記ガス精製材は前
    記不純物を含むガス中に存在する少なくともいくつかの不純物をトラップするこ
    とが可能であるガス精製器。
  2. 【請求項2】 さらに、前記ガス精製器を加熱するヒーターを備え、前記ヒー
    ターは、前記第2端部と該第2端部近くの外側ケーシングの一部とを含む精製器
    の第2端部領域の少なくとも一部と接触している請求項1記載のガス精製器。
  3. 【請求項3】 さらに、前記精製材の少なくともいくらかと接触しているヒー
    ターを備える請求項2記載のガス精製器。
  4. 【請求項4】 さらに、前記外側ケーシングの前記第1端部と前記ヒーターと
    の間にある前記内側空間内に配置されている偏向手段を備える請求項2記載のガ
    ス精製器。
  5. 【請求項5】 前記偏向手段がセラミック材を含む請求項4記載のガス精製器
  6. 【請求項6】 前記精製材が、Zr、Ti、Nb、Ta、V及びこれらの合金
    からなる群から選ばれる金属で構成されるゲッター材である請求項1記載のガス
    精製器。
  7. 【請求項7】 さらに、前記精製材の少なくともいくらかと接触しているヒー
    ターを備える請求項6記載のガス精製器。
  8. 【請求項8】 さらに、前記外側ケーシングの前記第1端部と前記ヒーターと
    の間にある前記内側空間内に配設される偏向手段を備える請求項7記載のガス精
    製器。
  9. 【請求項9】 前記偏向手段がセラミック材を含む請求項8記載のガス精製器
  10. 【請求項10】 さらに、前記出口近縁にあり、前記内側空間に配設されるフ
    ィルターを備える請求項6記載のガス精製器。
  11. 【請求項11】 前記フィルターが、焼結ステンレス鋼を含む請求項10記載
    のガス精製器。
  12. 【請求項12】 前記フィルターが、前記出口のガスの流れから0.003ミ
    クロンの粒子を実質的に除去しうる請求項10記載のガス精製器。
  13. 【請求項13】 さらに、前記第1端部にモジュラー型ガススティックインタ
    ーフェース手段を備える請求項6記載のガス精製器。
  14. 【請求項14】 さらに、前記出口近傍にあり、前記内側空間に配設されてい
    るフィルターを備える請求項1記載のガス精製器。
  15. 【請求項15】 前記フィルターが、焼結ステンレス鋼を含む請求項14記載
    のガス精製器。
  16. 【請求項16】 前記フィルターが、前記出口のガス流れから0.003ミク
    ロンの粒子を実質的に除去しうる請求項14記載のガス精製器。
  17. 【請求項17】 さらに、前記第1端部にモジュラー型ガススティックインタ
    ーフェース手段を備える請求項1記載のガス精製器。
  18. 【請求項18】 さらに、モジュラー型ガススティックがモジュラー型ガスス
    ティック基体に連通している請求項17記載のガス精製器。
  19. 【請求項19】 ガスを精製ユニットの第1端部に設けられた入口へ流し込み
    、 該ガスを加熱し、 該ガスを精製材に接触させ、及び 該ガスを前記精製ユニットの前記第1端部に設けられた出口から流すことを含む
    ガスの精製方法。
  20. 【請求項20】 さらに、前記ガスが精製材に接触する前に該ガスを予備加熱
    することを含む請求項19記載の方法。
  21. 【請求項21】 前記精製材が、Zr、Ti、Nb、Ta、V及びこれらの合
    金からなる群から選ばれる金属で構成されるゲッター材である請求項19記載の
    方法。
  22. 【請求項22】 さらに、前記ガスが精製材と接触する前に該ガスを予備加熱
    することを含む請求項21記載の方法。
  23. 【請求項23】 さらに、前記ガスが前記出口から流れる前に該ガスを冷却す
    ることを含む請求項22記載の方法。
  24. 【請求項24】 さらに、前記ガスが前記出口から流れる前に冷却された該ガ
    スをろ過することを含む請求項23記載の方法。
  25. 【請求項25】 第1端部と第2端部とをもつ細長い外側ケーシングと、 内側空間を有する細長い内側ケーシングであって、前記外側ケーシングとの間
    に環状空間が形成されるように該外側ケーシング内に配設される内側ケーシング
    と、 第2端部と該第2端部近傍の外側ケーシングの或る部分とを含む熱交換器の第
    2端領域の少なくとも一部と接触する、熱交換器を加熱するヒーターと、 前記外側ケーシングの前記第1端部と前記第2端部との間の前記内側空間内に
    配設されている偏向手段と、 前記外側ケーシングの第1端部近傍に設けられた入口及び出口とを備え、 前記入口は前記環状空間に連通され、前記出口は前記内側空間に連通されており
    、 ガスが、前記入口を経て前記熱交換器に入り、前記環状空間を通って前記第2
    端領域を通過し前記内側空間、該内側空間内に配置されている前記偏向手段のま
    わりに流れ込み、次いで前記出口を経て前記熱交換器から出て行き、前記第2端
    領域は前記ガスを加熱することが可能で、前記偏向手段は前記内側ケーシングの
    壁に向けて前記加熱ガスを導くことが可能で、前記内側ケーシングの壁は前記ガ
    ス中に存在する少なくともいくらかの熱を前記環状空間中の前記ガス流れに伝え
    ることが可能である熱交換器。
  26. 【請求項26】 ガスを熱交換ユニットの第1端部に配設された入口に流し、
    該ガスを第1加熱表面の第1サイドに接触させ、 該ガスを第2加熱表面の第1サイドに接触させ、 該ガスを第1加熱表面の第2サイドと接触するように流れの進路を変更し、及び
    前記ガスを前記熱交換機の前記第1端部に設けられた出口から流すことによって
    、前記加熱されたガスが熱量を前記第1加熱表面の前記第2サイドに伝達するガ
    スの予備加熱方法。
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