JP2004057997A

JP2004057997A - 気体浄化フィルターユニット及びその製造方法

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Publication number: JP2004057997A
Application number: JP2002222875A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Oyashiki; 大屋敷　靖; Fumio Nozaki; 野崎　文雄; Keigo Yamamoto; 山本　圭吾
Original assignee: Nihon Mykrolis KK
Current assignee: Nihon Mykrolis KK
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】浄化した活性炭等の精製材でも保存中或いは保存用包容器により汚染されるので高精度の精製には不十分である。本発明は不純物汚染のない高性能フィルターユニットを提供する。
【解決手段】物理吸着性気体精製材を内蔵する耐熱性閉鎖型気体浄化フィルターユニットを組立後、前記フィルターユニットの内部を不活性ガスで掃気しながら、または低圧力源に接続した状態で、前記フィルターユニットの全体を加熱して所定の清浄度を達成するまで高温加熱処理を行った後、前記フィルターユニットの気体出入口を密閉することにより、前記フィルターユニット構成部品の精製対象気体との接触部と精製材の清浄度を一括して高める方法及び得られた気体浄化フィルターユニット。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体から不純物である炭化水素、及びその他の揮発性有機物の除去に適用される、物理吸着式気体浄化フィルターユニットに関し、特に精製材及びユニット接ガス部の清浄度を高め、ユニット自身から放出される気体状不純物を極めて低減させた気体浄化フィルターユニットとその製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
乾燥空気、窒素、酸素、希ガス等の気体中から、不純物とみなされる炭化水素、その他の気体状、液体状有機物を除去する方法として、活性炭、ゼオライトに代表される物理吸着式精製材が広く使用されている。
精製材を気体浄化ユニットとして構成する手段としては、繊維状活性炭をポリエステル、ポリオレフィン、エポキシ樹脂に代表される熱可塑性樹脂からなる結合材と混合し、これを熱溶着させることによって不織布を形成し、この不織布を用いて所望の形状を得るということが行われている。
他の方法としては、粉末状の精製材を、同じく熱可塑性樹脂の結合材と混合することにより、所望の形状に成形するという手段も用いられている。
更に他の方法としては、粉末状、粒状、球状の精製材を、ガス流入口及び流出口を設けた容器内に密閉し、これに濾過対象気体（酸素、水素、窒素、希ガス等）を通じて掃気することによって、不純物を除去することが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
半導体産業の分野では、濾過対象気体に対して極めて高い清浄性が求められることが少なくない。
例えば、雰囲気中の気体に極微量存在する可塑剤が、半導体デバイスのゲート酸化膜の耐電圧の劣化をもたらすことが知られている。
又、半導体製造用露光装置では、高鎖炭化水素、及び有機物不純物が、レンズ、ミラー等の光学系に曇りを生じさせる原因の一つとされている。
従って、シリコンウェーハの雰囲気を形成する気体、あるいは露光装置内の光学系雰囲気を清浄に保つために使用される気体中の有機物不純物濃度は、数μｇ／ｍ^３から、それ以下であることが求められることもある。
【０００４】
気体中の有機物不純物を除去することを目的として活性炭、あるいはゼオライトを精製材として用いた気体浄化ユニットが広く利用されているが、半導体産業のような、極めて高い清浄度が要求される気体を濾過対象とする分野では、気体浄化ユニット自身から放出される極微量の有機物不純物が、汚染物質として問題視されることがある。
【０００５】
結合材を使用した、活性炭不織布、あるいは成形炭では、結合材であるポリエステル、ポリオレフィン等の熱可塑性樹脂が、脂肪酸エステル、フタル酸ジオクチル、フタル酸ジブチルに代表される可塑剤、ブチルヒドロキシトルエンに代表される酸化防止剤、あるいはオリゴマー、未反応モノマー等の、有機物不純物を放出する恐れがある。
【０００６】
これに対し、結合材を使用しない精製材を、金属製容器内に密閉したユニットにおいては、結合材起因の汚染は避けることができる。しかしながら、物理的な親和力によって、不純物を除去するという精製材の特性上、精製材を保管する間、あるいは容器へ充填する間に、雰囲気中の汚染物質を精製材が取り込み、気体浄化ユニットヘ、精製対象気体を通気した際に、気体浄化ユニット内部に、一旦取り込まれた極微量の汚染物質が、放出される可能性が否定できない。
又、保管中、及び充填中に精製材が汚染されることを防止する為には、対象不純物に対する清浄度が十分に管理された保管環境、及び作業環境が必要となり、作業雰囲気の管理の煩雑さ、及び作業性の低下を招くことが避けがたい。
【０００７】
従って、本発明は、これらの従来技術における問題点を解決してなる気体浄化フィルターユニット及びその製造方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、結合材を含有しない、活性炭あるいはゼオライトに代表される物理吸着型精製材を収容した金属製容器、或いはこれに更に金属製フィルターを組み合わせて気体浄化フィルターユニットを構成し、気体浄化フィルターユニット構成後の清浄化工程を鋭意検討することにより、上記課題を解決するに至った。
【０００９】
すなわち本発明は、物理吸着性気体精製材を内蔵する耐熱性閉鎖型気体浄化フィルターユニットを組立後、前記フィルターユニットの内部を不活性ガス、若しくは、水素、或いは酸素で掃気しながら、又は低圧力源に接続した状態で、前記フィルターユニットの全体を加熱して所定の清浄度を達成するまで高温加熱処理を行った後、前記フィルターユニットの気体出入口を密閉することにより、前記フィルターユニット構成部品の精製対象気体との接触部と精製材の清浄度を一括して高める気体浄化フィルターユニットの製造方法、及びこうして得られたフィルターユニットを提供する。
ここに不活性ガスは、希ガス、窒素、二酸化炭素より選択された少なくとも一種であり、高温熱処理は１００℃以上の温度で行われるものである。
本発明のフィルターユニットは、代表的に円筒状胴部と該胴部の両端に設けた端板と、前記両端板を貫通する気体入口及び気体出口とよりなるもので、これらの各部品はステンレス鋼、真鍮、ニッケル等の金属からなり、前記胴部、前記端板及び前記入口及び出口の各接続部分は、金属溶接、機械シール、あるいは耐熱性シール材を用いたネジ結合で構成されている。
好ましくは、気体入口及び気体出口には更に金属製フィルターが設けられることにより活性炭等の吸着材粒子の漏出を防止する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明をより具体的に説明する。
本発明のフィルターユニットは、活性炭、及びゼオライトに代表される物理吸着式気体精製材を内包する、閉鎖型フィルターユニットであり、ユニット構成後、不活性ガス雰囲気下、あるいは真空下において、高温加熱処理を行うことにより、ユニット構成部品と精製対象気体との接触部（以下、ユニット接ガス部）と、精製材の清浄度を一括して高め、最後にフィルターユニットの出入口を完全に閉鎖して極めて高い清浄性を達成した気体浄化フィルターユニットである。
【００１１】
フィルターユニットを構成する部品は、ステンレス鋼、真鍮、ニッケル等の耐熱性の金属からなり、各部品の接続は、金属溶接、機械シール、あるいはポリテトラフロロエチレン製シールテープに代表される耐熱性の高いシール材を用いたネジ込み方法によって行い、気密性を確保する。
【００１２】
気体浄化フィルターユニットの高温加熱処理は、気体浄化フィルターユニットを構成した後に１００℃以上の温度下において行い、その間、気体浄化フィルターユニット内部には希ガス、あるいは窒素、水素、酸素あるいはその他の不活性ガスを連続通気させるか、若しくは気体浄化フィルターユニット内部を大気圧よりも低い圧力に維持することによって、精製材が吸着する不純物、及びユニット接ガス部に吸着する不純物を枯渇させ、気体浄化フィルターユニットが、精製対象気体中へ、不純物を放出することを回避せしめる。
【００１３】
上記金属製容器内部に、結合材を含有しない、活性炭、あるいはゼオライトに代表される物理吸着式精製材、あるいはそれらの混合物を充填する。
【００１４】
上記金属容器の、気体流入口側に、金属製多孔質体を設置し、活性炭やゼオライト等の精製材を容器内部に保持する。気体入口側に設ける多孔質体は比較的粗な細孔を、出口側はより細い細孔を有することが好ましい。
【００１５】
金属製容器と、気体流入口、あるいは気体流出口に設置された金属製多孔質体は、金属溶接あるいは機械シールによって行うことを基本とし、ポリテトラフロロエチレン製シールテープ等、少なくとも上記した１００℃以上の温度下において、連続使用に耐え得る耐熱性を有し、素材からの有機物放出量が極めて小さいことが期待される部材を部材の着脱可能な部分等に使用する。
【００１６】
構成された気体浄化フィルターユニットの内部に、清浄な気体を連続通気させながら、あるいは気体浄化フィルターユニット内部を減圧下に保ちながら、１００℃以上の温度で加熱する。好ましい処理温度は１００〜２５０℃、更に好ましくは１５０℃〜２５０℃である。
気体浄化フィルターユニット内を通気させる気体としては、窒素、ヘリウム、アルゴンに代表される不活性気体が好ましい。
【００１７】
【作用】
このように、本発明においては、耐熱性に優れ、素材からの有機物不純物の放出が極めて少ない部材のみを使用することによって、気体浄化フィルターユニット製造工程の最終段階において、高温熱処理による清浄化処理を可能にし、これを行うことによって、精製材表面、及び気体浄化フィルターユニット接ガス部に吸着した有機物不純物を枯渇させ、気体浄化フィルターユニットが、汚染物質となる不純物を放出する危険性を排除し、極めて高い清浄性を達成したものである。
【００１８】
【実施例】
図１は本発明の１実施例によるフィルターユニット１を例示する。フィルターユニット１の内部には結合材を使用しない活性炭又はゼオライト等の精製材粒子２が収納される。フィルターユニット１は、ステンレス鋼等の耐熱性金属製の円筒状胴部３と、この胴部の両端に設けたほぼ円盤状の端板５、７と、これらの端板を貫通する気体入口部材９及び気体出口部材１１を有し、胴部３と端板５、７の接続部１３、１５、及び端板７と出口部材１１の接続部１７はそれぞれ溶接されて完全な気密状態となっている。端板５と気体入口部材９との接続部は精製材粒子の充填又は交換を可能にする開口を形成する必要があるので端板７の開口部８の内周面には雌ねじ１９が形成され、対応して入口部材９の外周面には雄ねじ２０が形成されており、これらの間には耐熱で且つ不純物ガスの放出の少ないポリテトラフロロエチレンのようなシールテープを介在させた状態でねじを締め付けることにより完全な気密シール状態を形成する。
【００１９】
入口部材９の内端には環状の支持部材２１が溶接され又はねじ結合されている。支持部材２１には予めセラミック製好ましくは金属製の多孔質円筒２３がねじ結合又は溶接されており、多孔質円筒２３はキャップ２５でねじ結合や溶接で閉鎖されている。同様に出口部材１１の内端には予め多孔質のセラミック製好ましくは金属製の円筒２７がねじ結合や溶接で結合されており、多孔質円筒２３はキャップ２９で閉鎖されている。キャップはねじその他任意の方法で多孔質円筒２３に固定できる。多孔質円筒２３は比較的粗い細孔を有する多孔体で良いが下流側となる多孔質円筒２７は精製材の微粉末も通さない程度の細かい細孔を有する必要がある。多孔質円筒２３、２７は入口部材９及び出口部材１１と一体に形成されているため組立が容易であり、又、入口側からの精製材の交換に便利である。
【００２０】
更に精製材粒子２を充填し且つ清浄化処理を行った本発明のフィルターユニット１の清浄度を、実際に現場に設置する時まで維持するために、気体入口側及び出口側にそれぞれ栓体３３、３５を設ける。キャップ状の栓体３３、３５を金属から構成しその内周に雌ねじを切り、対応して入口部材９及び出口部材１１の外周に雄ねじを切り、更にシールリングを併用するなどにより閉鎖を行うことも可能であるが、エラストマー等から製作した栓体でもフィルターユニット内部の清浄度を低下させないで維持できることが分かった。
【００２１】
組立にあたり、フィルターユニットから入口部材９を取り外し、活性炭等の精製材粒子を胴部３、端板５、７及び多孔質円筒２７を備えた出口部材１１により覚醒される内部収納空間に充填する。次いで多孔質円筒２３を備えた入口部材９の雄ねじ２０にシールテープを巻き付け、開口部８の雌ねじ１９にねじ込む。
次いで栓体３３、３５をしない状態で入口部材９を不活性ガス源（図示せず）に接続し、出口部材１１を大気に開放するか又は排気ポンプに接続する。次いで１００℃以上の所定温度に加熱し、不活性ガスを通じ、例えば質量分析器等の分析器により監視しながら所定の浄化が達成されるまで処理を続ける。
【００２２】
次の本発明の製造方法によるフィルターユニットの製造例と、清浄化されたフィルターユニットを用いたガス吸着の例を以下に説明する。
（実施例１）
ＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼からなり、０．００３μｍ以上の粒子に対し、気体流量３０Ｌ／ｍｉｎにおいて、９９．９９９％以上の粒子除去率を有する高性能粒子除去フィルタ（キャップを設けたもの）を、ＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼からなる内径４２．６ｍｍ、内部長さ７５．６ｍｍ（内部容積１０３ｃｍ^３）の円筒形の容器内の気体流出口側に、溶接によって接合した。ここに、粒子除去率とは、粒子濃度Ｐ１である気体が、フィルタを通過した後に、粒子濃度Ｐ２となった際に、（Ｐ１−Ｐ２）／Ｐ１の１００倍を％表示することと定義した。
【００２３】
この容器内に、６０ｇの球状活性炭を充填した。活性炭充填後、容器の気体流入口側に、ＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼からなる多孔質体（キャップを設けたもの）を有する入口部材をネジ接続した。この時、シール材としてポリテトラフロロエチレンからなるシールテープを、ネジ接合部に巻き付けることを行った。高純度ヘリウムガス（純度９９．９９９９％以上）を、気体浄化フィルターユニット内部に、流量５０ｃｃ／ｍｉｎにて連続通気させながら、周囲温度を２００℃に加熱し気体浄化フィルターユニットの清浄化処理を行った。
【００２４】
上記初期の室温から２００℃に加熱する過程で質量５０〜２００を有する不純物が、気体浄化フィルターユニットからヘリウムガス中に放出されることが確認された。１００℃以上へ加熱すると、質量５０〜２００でも特に高分子量側の不純物放出量が増大することが確認された。不純物の放出量は次第に減少し１２時間処理すると流出するヘリウムガスには不純物は全く観察されなくなった。
【００２５】
上記の条件で処理した清浄化処理品を、室温及び１００℃加熱下で高純度ヘリウムガスを流通したところ、質量５０〜２００を有する不純物が、気体浄化フィルターユニットから高純度ヘリウムガス中に放出されることはなかった。なお、不純物測定試験には、四重極質量検出器を有する、微量ガス分析装置を用い、例えばトルエン及びｎ−ヘキサンに対する検出下限は、それぞれ１ｐｐｂであることを確認した。
【００２６】
（実施例２）
この例は本発明の清浄化フィルターユニットの使用例を示す。
得られた実施例１の条件で清浄化した気体浄化フィルターユニットに、トルエン１９．３ｐｐｍ及びｎ−ヘキサン２０．７ｐｐｍを不純物として含むヘリウムガスを、流量２００ｃｃ／ｍｉｎにて、５時間供給した。気体浄化フィルターユニットを通気した後のヘリウムガス中から、この間、トルエン及びｎ−ヘキサンが検出されることはなく、濃度は、それぞれ１ｐｐｂ以下に低減されていることが確認された。
【００２７】
（実施例３）
実施例１において高純度ヘリウムガスの代わりに窒素ガス（純度９９．９９９９％以上）を、気体浄化フィルターユニット内部に、流量５０ｃｃ／ｍｉｎにて連続通気させながら、周囲温度を１５０℃に加熱し気体浄化フィルターユニットの清浄化処理を１２時間行った。
得られた清浄化処理済み気体浄化フィルターユニットを室温、１００℃、２００℃に加熱しヘリウムを流通させたが、炭素数４以上を有する炭化水素及び有機物は全く検出されなかった。
【００２８】
清浄化に要する温度は処理時間とも関係するが１００℃以上の温度が必要であり、更に好ましくは１５０℃以上であり、一般に１００〜２５０℃であることが分かった。これ以上高いとコストの面で不利となる。
清浄化に要する時間は、主に温度に依存し、排気速度には殆ど依存しない。清浄化に要する時間は、不純物が精製材から脱離する速度が支配的であり、脱離速度は温度に依存するからである。一旦脱離した不純物を排気するために、ある程度の流量が必要にはなるが、例えばヘリウム５０ｃｃ／ｍｉｎと１００ｃｃ／ｍｉｎで掃気した場合に、達成された清浄度の差は認められない。
フィルターユニットの単位容積当たりの完全清浄化に要する処理時間は精製材の種類（精製材の種類によって、表面積は大きく変わる）と温度が定まればフィルターユニットの内容積の関数となる。
【００２９】
（実施例４）
本発明のフィルターユニットにおいてベーキング温度と浄化の関係を調べるために故意にｎ−ヘキサンで汚染させた活性炭が、効率的に脱離していく温度を調べた。５ｃｃ及び１０ｃｃの汚染活性炭を充填した容器に、ヘリウムガスを流しながら段階的に充填容器を加熱し、脱離してくるｎ−ヘキサンの濃度を測定した。その結果、加熱温度の上昇と共に、ｎ−ヘキサンの脱離量が指数関数的に（３０〜１７０℃で実験）上昇してくることがわかった。これから温度と共に炭化水素の脱離速度が指数関数的に大きくなることが予想される。
図２はその結果を示す図である。Ｍ／Ｚ＝８６はｎ−ヘキサンの分子イオンピークを示す。強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）はマススペクトルの強度であり、ｎ−ヘキサンの濃度に比例する。
以上の結果から１００℃以上、特に２００℃以上で処理が優れて結果を生じることが分かる。
【００３０】
（実施例５）
実施例４と同様な実験において、窒素ガスを使用し、３０℃で９４時間パージしたが、その後も５ｃｃの汚染活性炭からは室温においてｎ−ヘキサンの脱離があったが（比較例）、２００℃で１７時間パージした５ｃｃの汚染活性炭からは（実施例）、室温に冷却した時のｎ−ヘキサンの脱離がないことが確認された。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、極めて高い清浄性が求められる気体の浄化に際して、使用開始当初から、信頼できる高い清浄性を有し、気体状不純物の汚染源となる恐れがなく、気体中の炭化水素、あるいはその他の揮発性有機物不純物に対して高い除去能力を提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明のフィルターユニットの構造を示す断面図である。
【図２】図２はｎ−ヘキサンの脱離量と温度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１　フィルターユニット
２　精製材粒子
３　円筒状胴部
５、７　端板
８　開口部
９　気体入口部材
１１　気体出口部材
１３、１５、１７　接続部
１９　雌ねじ
２０　雄ねじ
２１　支持部材
２３、２７　多孔質円筒
２５　キャップ

Claims

物理吸着性気体精製材を内蔵する耐熱性閉鎖型フィルターユニットであって、ユニット構成後、不活性ガス雰囲気下あるいは真空下において、前記フィルターユニット全体の高温加熱処理を行った後に栓部材で密閉し、ユニット構成部品と精製対象気体との接触部と精製材の清浄度を一括して高めた気体浄化フィルターユニット。
フィルターユニットは、円筒状胴部と該胴部の両端に設けた端板と、前記両端板をそれぞれ貫通する気体入口及び気体出口とよりなる請求項１のフィルターユニット。
フィルターユニットは金属からなり、前記胴部、前記端板及び前記入口及び出口の各接続部分は、金属溶接、機械シール、あるいは耐熱性シール材を用いたネジ結合で構成されている請求項２のフィルターユニット。
気体入口及び気体出口には更に金属製の多孔質体が設けられている請求項１〜３のいずれかのフィルターユニット。
物理吸着性気体精製材を内蔵する耐熱性閉鎖型気体浄化フィルターユニットを組立後、前記フィルターユニットの内部を水素、酸素、空気、不活性ガスの少なくとも一種で掃気しながら、又は低圧力源に接続した状態で、前記フィルターユニットの全体を加熱して所定の清浄度を達成するまで高温加熱処理を行った後、前記フィルターユニットの気体出入口を密閉することにより、前記フィルターユニット構成部品の精製対象気体との接触部と精製材の清浄度を一括して高める気体浄化フィルターユニットの製造方法。
前記不活性ガスは、希ガス、窒素、二酸化炭素より選択された少なくとも一種であり、前記高温熱処理は１００℃以上の温度で行われるものである請求項５の製造方法。
前記フィルターユニットは、円筒状胴部と該胴部の両端に設けた端板と、前記両端板を貫通する気体入口及び気体出口とよりなる請求項５又は６の製造方法。
前記フィルターユニットは、金属からなり、前記胴部、前記端板及び前記入口及び出口の各接続部分は、金属溶接、機械シール、あるいは耐熱性シール材を用いたネジ結合で構成されている請求項７の製造方法。
気体入口及び気体出口には更に金属製多孔質体が設けられている請求項５〜８のいずれかの製造方法。