JP2008541093A - 一次標準ガス混合物を製造するためのシステム - Google Patents

Abstract

提供されるのは、一次標準ガス混合物を製造するための新規のシステム及び装置２００である。このシステムは、温度制御された筐体２２０の中に一定の拡散速度を有するガス透過装置２１０を用意することと、透過装置２１０に成分の供給源２３０を連結することと、製品容器２９０の中で前記成分が所望の量に達するまでガス透過装置２１０から製品容器２９０に上述成分を送ることと、一次標準ガス混合物の中の既知の成分濃度を得るために製品容器２９０に精製されたバランス・ガスを供給することとを含む。

Description

本発明は、低濃度一次標準混合物を調製するためのシステム及び装置に関する。本発明の標準混合物は、質量分析計など分析検出器の較正、並びに燃焼室及びプロセス・ツールからの排出物の分析のために利用される。

（１０億分の１００から１０億分の１０００（ｐｐｂ））の範囲にある低濃度一次標準ガス混合物の需要が、いくつかの業界で増加している。環境規制がだんだんと厳しくなっているので、環境排出物試験に対して格別の関心を引くのは、窒素中の酸化窒素の混合物である。

ＵＨＰ純度レベルでガスを供給するための必要性により、産業界がガス不純物を測定するための分析技術を開発するようになってきた。典型的なガス分析機器で見られるであろうものと同じ不純物の範囲でのガス分析機器の進歩が、較正用ガスとして用いられる低濃度一次標準混合物用の需要を増加させている。

現在のところ、低濃度一次混合物は、Ｇ．Ｏ．Ｎｅｌｓｏｎ著「Ｇａｓ Ｍｉｘｔｕｒｅｓ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ」、ミシガン州アナーバーのＬｅｗｉｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、（１９９２）によって説明されるように２つの方法によって調製される。１つの方法は静的な混合であり、この静的な混合では、大量の所望の混合物が生成され、次いで、低圧又は高圧でボンベの中に入れられる。その後、この混合物は、特定の用途のために利用される。別の方法は動的な混合であり、この動的な混合では対象とする成分が、本質的に大気圧で精製された希釈ガスの流れの中に導入され、所望の濃度が生成される。その後、この混合物は分析機器用の較正用ガスとして消費される。

長年にわたって、いくつかの方法が、対象とする成分の希釈ガスへの動的な付加を制御するために発明された。この点については、米国特許第５２１４９５２号でＬｅｇｇｅｔｔらが、高温で超高度較正用ガス混合物及びサンプル・ガスの、ガス分析器への高速供給を実現するために１組の高精度質量流量制御器を利用する較正装置について開示している。

米国特許第５６６１２２５号でＲｉｄｇｅｗａｙらが、分析検出器較正用のガスを含有する高濃度分析物の動的な希釈のためのシステムについて開示している。Ｌｅｇｇｅｔｔら及びＲｉｄｇｅｗａｙらが記載した較正システムは、対象とする成分の希釈ガスへの動的な付加のための透過管及び流量質量制御器を備える。

この静的な混合関連技術に関連するいくつかの欠点には、標準ガス混合物に達するために付加される各成分に必要ないくつかの連続的な希釈が含まれる。例えば、最終濃度の不確実性は希釈の数とともに増加する。したがって、当技術分野では、１００万分の１未満の濃度で一次標準を生成するために最小３回の希釈を有することが必要である。複数の希釈がまた、周囲大気への露出が増加するにつれてプロセスの汚染への有害な原因となる。さらに、この複数の希釈方法は、熟練オペレータがプロセスを監視し介入する必要があるので、多額の資本的支出を必要とする。

本発明の目的は、関連技術の欠点を克服するために低濃度（すなわち１０ｐｐｂから１０００ｐｐｂ）一次標準混合物の静的な混合物を製造するためのシステム及び装置を提供することである。

本発明の別の目的は、所定の期間ボンベの中に少量の成分を直接分配するために精密計測装置として透過装置を利用することであり、それによって米国標準技術局（ＮＩＳＴ）の標準へ重量を追跡可能にする。

本発明の別の目的及び態様は、本明細書及び添付の特許請求の範囲を再検討すれば当分野の技術者には明白であろう。

これら上述の目的は、一次標準混合物製造用の本発明のためのシステム及び装置によって満足させられる。

本発明の第１の態様によると、一次標準ガス混合物を製造するためのシステムが提供される。

このシステムは、温度制御された筐体の中に一定の拡散速度を有するガス透過装置を用意することと、この透過装置に成分の供給源を連結することと、製品容器の中で前記成分が所望の量に達するまでガス透過装置から製品容器に成分を送ることと、一次標準ガス混合物の中の既知の成分濃度を得るために製品容器に精製されたバランス・ガスを供給することとを含む。

本発明の第２の態様によると、標準ガス混合物を製造するためのシステムが提供される。このシステムは、ガス状成分のための超高純度源を用意することと、温度制御された筐体の中に配置された透過装置に導管を通ってガス状成分を連通させることと、透過装置を通ってガス状成分を拡散し、そこから拡散した成分を除去することと、所定の期間、導管を通って製品ボンベに拡散した成分を供給することとを含み、この設定点に達すると、精製されたバランス・ガスが標準ガス混合物の既知の成分濃度を得るために高圧源から製品容器に供給される。

本発明の別の態様によると、一次標準ガス混合物を製造する装置が提供される。この装置は、温度制御された筐体の中に配置された一定の拡散速度を有するガス透過装置と、成分を供給するためにガス透過装置と連通している供給源と、ガス透過装置から液状又はガス状成分を受ける製品容器と、精製されたガスの供給源であって、精製されたバランス・ガスを供給し、標準ガスの中の既知の成分濃度を得るために製品容器に連通している供給源とを備える。

本発明は、以下の図を参照することによってより良く理解されるであろう。

本発明の目的は、最小限のオペレータの介入で静的な一次標準ガス混合物を単独の工程で調製するシステム及び装置を用いて達成される。このシステムは、一定の設定点の周り、ある範囲の中にとどまるように制御されることができる拡散速度を有するガス透過装置を用いる。

このシステムは、分析機器を較正する目的のために、概して超高純度の形の所望のキャリア・ガス又は希釈剤と、概して液状又はガス状成分として供給されるドープされた量の適当な不純物又は分析物との低濃度較正用ガス混合物の形でこの較正用標準を製造するようになされている。本明細書で用いるように、用語「キャリア・ガス」、「希釈剤」、「精製されたガス」、及び「精製されたキャリア・ガス」は、一次標準ガス混合物を生成する際に用いられるバランス・ガスの呼称として互換可能に用いられる。同様に、用語「分析物」及び「不純物」は、較正された標準ガス混合物を生成するために付加される液状又はガス状の成分の呼称として互換可能に用いられる。較正用装置が、電子工業界の要求を満足するために、又は半導体加工装置、自動車、化学及びプロセス業界からの排出物を監視するために用いられる薬品の純度を証明するために用いられる。典型的には、キャリア・ガスの中の液状又はガス状成分の低濃度は約１０ｐｐｂから１０００ｐｐｂ、好ましくは約１０ｐｐｂから４００ｐｐｂの範囲にある。

この一次標準ガス混合物の調製の際に必要な精度及び不変性のレベルを実現するために、この装置は、１つ又は複数の液状又はガス状成分と、キャリア・ガスとを単独の工程で静的に混合させるようになされている。

図１で示す実施例では、透過装置２１０が設けられ、その中に与えられる既知の量の成分を供給する。この透過装置は、透過媒体２１２、例えば装置の運転温度で既知の透過速度を有する高分子のポリテトラフルオロエチレン管を有する。この透過装置を通って導入され、拡散される一例の液状又はガス状成分には、一酸化炭素、二酸化炭素、一酸化窒素、一酸化二窒素、メタンなどが含まれる。典型的には、この透過装置は、Ｋｉｎ−Ｔｅｋ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃからの「Ｔｒａｃｅ Ｓｏｕｒｃｅ（商標）」として入手可能である。このガス状成分はメンブレン（薄膜）に接触し、このガスは所与の条件でメンブレンを通ってゆっくりと透過する。

典型的な、この発明の装置の中で利用されることができる高純度キャリア・ガスには、窒素、ヘリウム、アルゴン、空気、酸素、二酸化炭素などが含まれる。他方では、この低濃度液状又はガス状成分（すなわち分析物）は、一酸化炭素、二酸化炭素、亜酸化酸素、メタン、フッ化水素、塩化水素、及び塩素、ヘキサフルオロエタン及び六フッ化硫黄などの間から選ばれることができる。

利用される特定の液状又はガス状成分に応じて、この透過装置は、一定の拡散速度を得るために所定の温度に加熱される。したがって、この透過装置からの分配時間が分かり、透過装置から拡散される成分の正確な質量が計算されることができる。この分析物が液相である場合、所定の温度は、成分／分析物の蒸気圧、故に一定の拡散速度を得るために透過媒体間の圧力差を確立するために利用される。

他方では、この分析物が気相である場合、供給ボンベ（図示せず）が透過装置の上流に設けられ、透過装置に供給される成分の圧力は、一定の拡散速度を得るために媒体の透過の間の一定の圧力差を確立する所定のレベルに保持される。透過媒体２１２の端部での分析物濃度は、製品容器へのキャリア・ガスを有する透過した成分／分析物を一掃することによって低い一定のレベルに維持され、好ましくは零の近くにある。

より具体的には、図２を参照すると、本発明の別の実施例による一次標準ガス混合物を製造するシステムが示されている。この低濃度一次標準ガス混合物は、既知の量のキャリア・ガスと分析物とを混合させることによって生成される。システム２００は、既知の量の分析物を供給する少なくとも１個の透過装置２１０を有する。必然的に、この透過装置は、一定の既知の拡散速度をもたらすように製造者／製造供給元によって較正される必要がある。この目的のために、この製造者／製造供給元は成分で装置を充填し、その重さを測り、一定の温度にそれを加熱し、既知の時間の間それを維持し、次いでそれを除去し、重さを測る。この重量差を既知の時間で割ると、その温度での拡散速度がもたらされる。

図２を分析物が亜酸化酸素である場合の混合物の製造を参照してさらに説明する。しかしながら、このシステムが上述のすべての分析物及びキャリア・ガスとともに利用されることができることが当分野の技術者には理解されよう。超高純度酸化窒素の供給源２３０が、透過装置２１０の上流に配置され、それと流体連通している。供給管路の中の調整器２３２は、供給圧力を約３．５１ｋｇ／ｃｍ^２（５０ｐｓｉｇ）に維持し、透過装置２１０に供給される酸化窒素の圧力を調節する。この透過装置は、筐体２２０にかこまれ、厳密に監視された筐体の中で約１００℃の温度で維持される。別々に小さなオリフィスを通って、窒素ガスが、成分を一掃するために十分な流量で、管路に配置されたゲッター２４０を通って透過装置２１０に連続して供給される。このゲッターはキャリア・ガスの中の不純物を除去するか、そうでない場合にはこの不純物は分析物と反応することがある。付加された窒素ガスは、製品ボンベ２９０にもたらされるわずかな背圧の増加だけがあるだけで、透過装置２１０の拡散速度にわずかな効果しか与えない。さらに、透過装置２１０に供給される窒素ガスのこの部分は、製品ボンベに最終的に供給される超高純度窒素バランス・ガスに貢献する。

この分析物は、透過装置２１０を通って拡散するので、弁２３０を開け、弁２５０、２６０を閉めることによって製品ボンベ２９０に搬送される。任意選択的には、透過装置が使用されていないとき、分析物を放出するために弁２３０は閉められ、弁２５０は開けられる。この手続きにより、分析物の損失をわずかな量（すなわち酸化窒素の場合０．５ｇ／日以下）に維持しながら、透過装置の安定性を維持し、混合物が要求に応じて供給されることを可能にする（すなわち適切な拡散速度で）。これら弁はどのような高圧弁からも選択されることができ、これら弁はそこを通って通過するガスを汚染させない。

製品ボンベに供給される分析物の質量は、透過装置の既知の排出率及び供給時間（弁２３０が開けられている時間）から重量測定法で分かる。製品ボンベ２９０の中が所定の重量に達すると、弁２３０は閉められる。弁２６０は開けられ、超高純度バランス・キャリア・ガスが、キャリア・ガス供給源２７０から製品ボンベ２９０へ供給される。付加されたキャリア・ガスの質量はスケール２８０で正確に測定される。透過装置の拡散速度、製品ボンベへ分析物の必要な重量を供給するために必要な時間、及び付加されたバランス・キャリア・ガスの質量に基づいて、最終混合物の濃度が計算されることができる。その際、最終濃度が次式のように決定される。

ただし、
ｃ＝重量濃度（ｐｐｂｗ）
ｔ＝弁２３０が開いている時間（分）
ｄ＝成分拡散速度（ｇ／分）
ｗ＝キャリア・ガスの重量（ｇ）

この濃度レベルは、透過装置２１０が製品ボンベ２９０へ分析物を放出することを可能にする時間を変えることによって、１００と同じ高さのファクターによって調整されることができる。結果的には、より広い濃度範囲が望まれ、透過装置２１０の動作温度は変えられることができる。これにより、２つの相異なった温度で較正される透過装置を必要とするであろう。代替的には、この透過装置は、その表面区域を増加又は減少させるように修正されることができ、これによりこの装置の透過特性（すなわち拡散速度）を順々に変えることになる。この装置は、１つの温度で使用されているとき第２の温度で異なる既知の拡散速度をもたらすために加熱／冷却される。この遷移の間、弁２３０は閉められたままであり、弁２５０は開けられる。

全体としては、システム２００は、プログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）又はコンピュータの使用を介して制御されることができる。弁制御、ボンベのスケール読みは、ＰＬＣに入力されることができ、分析物の製品ボンベへの付加は時間が正確に測られることができる。その後、このＰＬＣは濃度計算を実行する。さらに、システム２００はパージ管路を有するように修正されることができ、このパージ管路の中では湿度及び酸素が監視される。この例では、例えばこのＰＬＣはシステム２００をパージし、汚染レベルが許容レベル（すなわち１０ｐｐｂ未満）に達するまで製品ボンベへの分析物の導入を迂回させる。透過装置の下流に配置されたタンク２７０など窒素キャリア・ガスの高圧源は、製品ボンベ２９０へバランス・ガスを供給する。

上述のシステムは、多数の方法で修正されることができる。別の実施例では、例えば較正される標準ガス混合物は多成分又は分析物を含むことができる。実行するためには、このシステム、いくつかの透過装置２１０は、並列に設けられることができる。各装置は製品ボンベに送られる特定の分析物を拡散する。オペレータは、システムを監視し、様々な分析物が製品ボンベ２９０から確実に逆流しないようにさせ、この製品ボンベ２９０にはそれらが連続的に又は同時に供給される。

別の実施例によると、システム２００は、連続的な方法でいくつかの製品ボンベ２９０に分析物を分配するようになされることができる。したがって、同じ較正される標準ガス混合物を含むいくつかの製品ボンベが組立ライン生産方法で製造されることができる。較正されるガス混合物の精度を確実にすることは、必要なバランス・キャリア・ガスを測定するために個々のスケール上に各製品ボンベを配置することによって実現されることができる。用いられることができるスケールには、音波スケール及びロード・セル・バランスが含まれ、これらはプロセスの様々な態様を制御するためにＰＬＣとつないで利用されることができることが理解されるであろう。

本発明の図２で説明したシステムを次の実施例を参照してさらに詳細に説明する。しかしながら、この実施例は本発明を限定するものと解釈されるべきではない。

［実施例１］
要求された一次標準ガス混合物は、窒素（Ｎ_２）混合物の中で酸化窒素（ＮＯ）の重量で１００ｐｐｂに設定された。この酸化窒素成分／分析物は、１００℃で３６７μｇ毎分の拡散速度を有する透過装置２１０に供給された。１００ｐｐｂのＮＯ分析物を製品ボンベ２９０の中に供給するために必要な時間は次のように計算された。

この製品ボンベはＮＴＰで８．４９ｍ^３（３００立方フィート）だけ入れることができる。窒素の密度は、ＮＴＰで１１６０ｇ／ｍ^３（３２．８６ｇ／立方フィート）で知られている。
したがって、８．４９ｍ^３（３００立方フィート）のＮ_２＝ＮＴＰで９８５８ｇ
ｐｐｂ ｗｔ＝ｇＮＯ／９８５８ｇＮ_２＊１Ｅ９
ｇ ＮＯ＝１００ｐｐｂｗ＊９８５８ｇＮ_２／１Ｅ９
ｇ ＮＯ＝０．０００９８５８ｇ又は０．９８６８ｍｇ或いは９８５．８μｇ
この透過装置は、上述拡散速度を有する５７ＨＡ型であった。

したがって、１００ｐｐｂの分析物を製品ボンベに供給するためには、９８５．８μｇ／３６７μｇ／分＝２．６８７分又は１６１．２２秒となる。

１００ｐｐｂの分析物を製品ボンベ２９０の中に供給するために必要な時間を計算すると、較正されるガス混合物の濃度が決定される。

この結果、最終混合物の濃度は次のように計算された。

ただし、
ｃ＝重量濃度（ｐｐｂｗ）
ｔ＝弁２３０が開いている時間（分）
ｄ＝成分拡散速度（ｇ／分）
ｗ＝キャリア・ガスの重量（ｇ）

その後、Ｎ_２バランス・キャリア・ガスが供給され、較正用標準ガス混合物が静的な混合によって希釈剤なしで生成された。

明らかに、一次標準ガス混合物が静的な混合を介して複数の希釈なしで供給された。

本発明をその特定の実施例を参照して詳細に説明したが、添付の請求項の範囲から逸脱することなく様々な変更形態及び修正形態がなされることができ、均等物が用いられることができることが当分野の技術者には明白であろう。

透過装置の斜視図である。 標準ガス混合物を較正するためのシステムの概略図である。

Claims (10)

1. 一次標準ガス混合物を製造するためのシステムであって、
   温度制御された筐体の中におおよそ一定の拡散速度を有するガス透過装置を用意することと、
   前記透過装置に成分の供給源を連結することと、
   製品容器の中で前記成分が所望の量に達するまで前記ガス透過装置から前記製品容器に前記成分を送ることと、
   前記標準ガス混合物の中の既知の成分濃度を得るために前記製品容器に精製されたバランス・ガスを供給することとを含むシステム。
2. 前記制御筐体の中の温度が一定に維持される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記成分が酸化窒素であり、前記精製されたバランス・ガスが窒素である、請求項１に記載のシステム。
4. 前記成分が、一酸化炭素、二酸化炭素、亜酸化酸素、メタン、フッ化水素、塩化水素、及び塩素、ヘキサフルオロエタン及び六フッ化硫黄、並びにこれらの混合物で構成される群から選択される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記精製されたバランス・ガスが、ヘリウム、窒素、空気、酸素、二酸化炭素及びアルゴンで構成される群から選択される、請求項１に記載のシステム。
6. 精製されたガスを含有する前記一次標準混合物の前記既知の成分濃度が、約１０億分の１０から約１０億分の１０００の中の範囲の中にある、請求項１に記載のシステム。
7. 一次標準ガス混合物を製造するためのシステムであって、
   ガス状成分のための超高純度源を用意することと、
   温度制御された筐体の中に配置された透過装置に導管を通って前記ガス状成分を連通させることと、
   前記透過装置を通って前記ガス状成分を拡散し、そこから拡散した成分を除去することと、
   所定の期間、導管を通って製品ボンベに前記拡散した成分を供給することとを含み、
   前記所定の期間に達すると、精製されたバランス・ガスが前記標準ガス混合物の既知の成分濃度を得るために高圧源から前記製品容器に供給される、システム。
8. 一次標準ガス混合物を製造するための装置であって、
   温度制御された筐体の中に配置された一定の拡散速度を有するガス透過装置と、
   ガス状成分を供給するために前記ガス透過装置と連通している供給源と、
   前記ガス透過装置から前記ガス状成分を受ける製品容器と、
   精製されたガスの供給源であって、前記精製されたバランス・ガスを供給し、前記一次標準ガス混合物の既知の成分濃度を得るために前記製品容器に連通している供給源とを備える装置。
9. 前記成分の供給及び前記精製されたバランス・ガスを監視し、制御するためのプログラム・ロジック・コントローラ又はコンピュータをさらに備える、請求項８に記載の装置。
10. 前記プログラム・ロジック・コントローラ又はコンピュータが拡散した前記成分から前記精製されたガスへの切換えを行うために用いられる、請求項８に記載の装置。

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