JP2011043435A

JP2011043435A - 微量水分発生装置および標準ガス生成装置

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Publication number: JP2011043435A
Application number: JP2009192285A
Authority: JP
Inventors: Tsune Abe; 恒阿部
Original assignee: TELEMAX KK; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: TELEMAX KK; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2029-08-21
Also published as: JP5364957B2

Abstract

【課題】標準ガス中の微量水分を計測する微量水分計測器を正確に校正するため拡散管セルより発生する微量水分を高精度に制御するとともに、微量水分計測器の応答性を調べるため標準ガス中の水分濃度を素早く変更して安定させることができる微量水分発生装置を提供する。
【解決手段】微量水分発生槽41は、温度制御器（図示せず）により温度制御するチャンバ42内に拡散管セル43を収納している。微量水分発生槽41の入口側の管路に、チャンバ42内の圧力を制御する圧力制御器44を接続し、微量水分発生槽41の出口側の管路に、流れを制限させる狭窄素子47を接続する。狭窄素子47は、その狭窄部48より下流側と上流側すなわちチャンバ42内との圧力比（下流圧／上流圧）を０．５３以下に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、微量水分計測器を校正するための標準ガスを発生させるための微量水分発生装置および標準ガス生成装置に関する。

半導体デバイスの高集積化および微細化に伴い、製造過程で使用される材料ガスの高純度化が近年重要な課題となっている。そこで、よく問題にされる不純物の一つに水分があり、現在要求されている制御レベルは、モル分率で１ppm 以下と言われている。

このようなガス中の微量水分を計測し制御するために様々な計測器が開発され販売され、多くの現場で使用されているが、これらの計測器の指示の正確性と応答性に問題があることが最近になり明らかになってきた。

そのため、これらの微量水分計測器を正確に校正でき、また、応答性を調べるため水分濃度を素早く変更できる微量水分発生装置が近年求められている。

従来の微量水分発生装置としては、拡散管法を用いたものが知られており、図２に示される微量水分発生装置11は、温度および圧力が制御された微量水分発生槽12内に拡散管セル13を入れ、この拡散管セル13の水溜め部内に溜めた水から、発生槽内の温度に応じた圧力の水蒸気を発生させ、これを、流量制御されて微量水分発生槽12内に供給された所定ガス流速の乾燥ガスと混合することで、微量水分を発生させるものである。

この拡散管方式は、蒸気圧式を用いず、水分蒸発速度と気体流量の測定によって、湿潤気体中の水分の物質量分率（モル分率）を直接決定できるので、国際単位系（ＳＩ）へのトレーサビリティが極めて明確であり、また、霜点発生法で問題となる、低温における平衡状態の実現や、その確認を必要としない利点がある。

さらに、測定の不確かさを最小限にするため、水分蒸発速度の測定に磁気吊下式電子天秤14を、また気体流量測定に音速ノズル式流量計15を採用している。

磁気吊下式電子天秤14は、微量水分発生槽12内の拡散管セル13を磁力によって外部の電子天秤に吊り下げる構造をしている。これにより、溜まり水の蒸発による拡散管セル13の質量減少速度(水分蒸発速度)を連続的に測定する。また、音速ノズル式流量計15は、音速ノズルを用いて気体流速を一定(音速)にさせ、気体密度とノズル断面積の情報を使って質量流量を正確に測定するものであり、気体流量の測定装置としての信頼性は高いが、あくまでも流量測定装置として用いることに限られている。

このような微量水分発生装置11において、拡散管法で発生させた微量水分を含むガス（以下標準ガスと呼ぶ）中の微量水分を用いた微量水分計測器の校正は、JIS K0225で規定されているが、そこではモル分率が２ppm までとされている。

拡散管法によってモル分率１ppm 以下の微量水分領域まで水分濃度が低下した標準ガスを発生させるには、さらに安定的な水分発生技術が必要となり、そのためには、例えば、図２に示されるように、特に微量水分発生槽12内の圧力および微量水分発生槽12内を流れるガス流速の精密な制御技術が要求される。

すなわち、この拡散管方式の微量水分発生装置11において、高精度の微量水分を得るための機能をもたせるには、微量水分発生槽12の上流側に、水分を完全に除去された乾燥ガスを流量制御する２つの質量流量制御器16，17を設置し、これらの質量流量制御器16，17間から引出されてオリフィス18を経たバイパス管路19を微量水分発生槽12の下流側に接続し、そして、微量水分発生槽12の上流側の２つの質量流量制御器16，17の流量比を制御することにより、微量水分発生槽12内を流れるガス流速を制御するとともに、微量水分発生槽12の下流側にも圧力制御器20を設置して圧力制御を行う必要がある。

微量水分発生槽12の下流側には、混合器21が接続され、この混合器21により、微量水分発生槽12からの微量水分と、バイパス管路19からの乾燥ガスとを混合して、希釈された標準ガスを生成し、さらに、混合器21の下流側に接続された微量水分計測器22により標準ガス内の微量水分を計測するとともに、この微量水分計測器22と並列に設置された上記圧力制御器20により下流側の圧力を制御している（例えば、非特許文献１参照）。

Elsevier, Sensors and Actuators A 136(2007)723−729「Improvement of flow and pressure controls in diffusion-tube humidity generator: Performance evaluation of trace-moisture generation using cavity ring-down spectroscopy」、Hisashi Abe ，Hiroshi Kitano著、2006.12.20公開

このように、従来の微量水分発生装置11において、標準ガスの微量水分濃度を高精度に制御する場合は、微量水分発生槽12内の圧力および微量水分発生槽12内を流れるガス流速を精密に制御する必要があり、そのため、微量水分発生槽12の上流側の質量流量制御器16，17を制御するとともに、下流側の圧力制御器20を制御するが、このとき、微量水分発生槽12より上流側の質量流量制御器16，17と下流側の圧力制御器20との干渉によってシステムが不安定にならないように、これらの制御パラメータ（例えばＰＩＤパラメータ）を慎重に最適化する必要がある。また、質量流量制御器16を用いた流量変更の際には、少量の流量変更を連続的に行うなど、下流側への影響を軽減する工夫が必要となる。

これらの実際の作業内容は、流量範囲や配管設計にも依存するので、微量水分発生装置11を設置するごとに、毎回、パラメータ設定と流量変更法の検討が必要となり、それには時間と作業者の熟練を要する問題がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、標準ガス中の微量水分を計測する微量水分計測器を正確に校正するため拡散管セルより発生する微量水分を高精度に制御するとともに、微量水分計測器の応答性を調べるため標準ガス中の水分濃度を素早く変更して安定させることができる微量水分発生装置およびこの微量水分発生装置を発展させた標準ガス生成装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載された発明は、水分を除去された乾燥ガスの供給を受ける温度制御された内部空間を有するとともにこの内部空間内に収納されて微量水分を発生させる拡散管セルを有する微量水分発生槽と、上記微量水分発生槽の入口側に接続されて微量水分発生槽の内部空間の圧力を制御する制御手段と、上記微量水分発生槽の出口側に接続されて下流圧／上流圧の比を０．５３以下にする狭窄素子とを具備した微量水分発生装置である。

請求項２に記載された発明は、請求項１記載の微量水分発生装置と、この微量水分発生装置で得られた微量水分を所定流量の乾燥ガスで希釈する操作を繰返して標準ガスを生成する希釈装置とを具備した標準ガス生成装置である。

請求項１記載の発明によれば、狭窄素子における下流圧／上流圧の比が０．５３以下になると、この狭窄素子より下流側の変化は狭窄素子を超えて上流側の微量水分発生槽内には伝わらないとともに、制御手段により微量水分発生槽内の圧力を制御することで、制御手段より上流側の影響が下流側の微量水分発生槽内には伝わらないことから、微量水分発生槽内の圧力と流速の精密制御を同時にかつ容易に行うことができる。これにより、拡散管セルより発生する微量水分を高精度に制御できる安定的な水分発生を図ることができ、標準ガス中の微量水分を計測するための微量水分計測器を正確に校正できる。また、狭窄素子より下流側の変化が上流側の微量水分発生槽内に伝わらない状態のまま、微量水分発生槽内の圧力のみを制御することができるので、従来の微量水分発生槽の上流側の制御と下流側の圧力制御とが相互に干渉し合うことによってシステムが不安定にならないように制御パラメータを慎重に最適化する作業が不要になる。

請求項２記載の発明によれば、微量水分発生装置と、この微量水分発生装置で得られた微量水分を所定流量の乾燥ガスで希釈する操作を繰返して標準ガスを生成する希釈装置とを組合わせることにより、容易に広い範囲における標準ガスの生成が可能となり、特に、流量変更を広い範囲で素早く行える希釈装置を含む標準ガス生成システムに微量水分発生装置を簡単に組込み可能なことから、標準ガス中の水分濃度の素早い変更が可能となり、微量水分計測器の応答性を正確に調べることができる。

本発明に係る微量水分発生装置および標準ガス生成装置の一実施の形態を示す流体回路図である。従来の微量水分発生装置を示す流体回路図である。

以下、本発明を、図１に示された一実施の形態に基いて詳細に説明する。

図１に示されるように、所定水分濃度の微量水分を含むガス（以下標準ガスと呼ぶ）を生成する標準ガス生成装置30は、拡散管方式で微量水分を発生させる微量水分発生装置31と、この微量水分発生装置31で得られた微量水分を、水分を完全に除去された所定流量の乾燥ガスで希釈する操作を繰返して標準ガスを生成する希釈装置としての多段式希釈装置32とにより構成されている。さらに、標準ガス生成装置30に、標準ガス中の微量水分を高精度に計測できる高性能の微量水分計測器33と、標準ガス中の微量水分を被試験体として計測する微量水分計測器を備えたサンプリングシステム34とが接続されている。

微量水分発生装置31は、乾燥ガスの供給を受けて微量水分を発生させる微量水分発生槽41を中心に構成されている。この微量水分発生槽41は、温度制御器（図示せず）により温度制御される内部空間としてのチャンバ42内に、ステンレス等の金属を材料とした、水溜め部43aおよび上端開放形の拡散管43bからなる拡散管セル43が収納されている。

拡散管セル43の水溜め部43a内には水が入れてあり、チャンバ42内の温度に応じた圧力の水蒸気が発生する。水蒸気は、拡散管43bの中を通り、その上端開放口からチャンバ42内へと移動する。微量水分発生装置31は、この水蒸気を流量制御された乾燥ガスと混合することで、微量水分を発生させる。

そこで、微量水分発生槽41の入口側の管路には、チャンバ42内の圧力を制御するための制御手段としての圧力制御器44およびこの圧力制御器44により制御された圧力を検出する圧力検出器45が接続されている。圧力制御器44の上流側には、手動バルブSV1を介して、窒素ガスなどのガス供給源より加圧供給されたガス中から水分を除去して乾燥ガスを生成するバルブ付きゲッタなどと呼ばれる乾燥ガス生成器46が接続され、また、微量水分発生槽41の出口側の管路には、流れを制限させる狭窄素子47が接続され、さらに手動バルブSV2が設けられている。

狭窄素子47は、その狭窄部48より下流側と上流側すなわちチャンバ42内との圧力比が小さくなるように、すなわち狭窄部48における下流圧／上流圧の比を０．５３以下にするように、圧力制御器44によりチャンバ42内の圧力を一定に制御することで、チャンバ42内の圧力と流速を精密に制御し、安定的な水分発生を図ることができる。

すなわち、狭窄素子47は、その狭窄部48における下流圧／上流圧の比が０．５３以下になると、狭窄部48での流速が臨界に達して音速で固定されるので、この状態で圧力制御器44を用いて圧力制御を行うことで、チャンバ42内の圧力と流速の精密制御を同時に行い、安定的な水分発生を実現させることができる。

狭窄素子47の狭窄部48には、オリフィスや音速ノズル(臨界ノズル)を利用する。なお、音速ノズルは、流量を正確に測定することができる音速ノズル式流量計にも用いられているが、この微量水分発生装置31では、微量水分発生槽41と圧力制御器44と狭窄素子47との組合せで用いることにより、微量水分発生槽41の上流側および下流側の流れや圧力の状態の影響を受けずに、安定的に標準ガスを発生させるものであり、音速ノズル式流量計とは、用途および機能が異なる。

前記チャンバ42内の圧力を制御するための制御手段としては、圧力制御器44のみに限定されるものではなく、流量制御器を用いることも可能である。これは、狭窄素子47で流れが臨界に達していれば、流量は狭窄部48の断面積（一定）×音速（一定）×気体密度で与えられ、気体密度は、温度一定なら圧力に比例するので、流量制御は、近似的に圧力制御と同じと見なせるからである。

この微量水分発生装置31が従来の拡散管法による微量水分発生装置と異なるのは、微量水分発生槽41が上流や下流の圧力変動または流量変動から切り離されている点である。圧力制御器44を使うことで、この圧力制御器44より上流側の影響が下流側の微量水分発生槽41内には伝わらず、また、狭窄素子47での流れが音速に達していることで、この狭窄素子47より下流側の情報（圧力変化または流量変化）は狭窄部48を超えて上流側の微量水分発生槽41内には伝わらない仕組みとなっている。すなわち、上記流れの情報は音速を超えられない。

したがって、この微量水分発生装置31を他の装置と組み合わせて用いても、他の装置の影響を受けることなく、常に安定した水分発生を実現できる。

例えば、多段式希釈装置32と組み合わせれば、容易に広い範囲における標準ガスの発生が可能となる。また、ある種類の乾燥ガス（例えばＮ_２）について本微量水分発生装置31で発生させた少量の標準ガスと、別の種類の多量の乾燥ガス（例えばＮＨ_３，Ａｒ，０_２，Ｈ_２など）とを混合することで、様々なガス種の標準ガスの生成ができる。

上記多段式希釈装置32は、乾燥ガス生成器46に、手動バルブSV3を介して圧力制御器51およびこの圧力制御器51により制御された圧力を検出する圧力検出器52が接続され、さらに、分岐された２つの乾燥ガス管路53，54にそれぞれ質量流量制御器55，56が設けられ、一方の乾燥ガス管路53には、質量流量制御器55を経て供給される乾燥ガスと前記狭窄素子47などを経て供給される微量水分とを混合して希釈する第１混合器57が設けられ、さらに第１混合器57を経た管路58から、この管路58中の余剰ガスを質量流量制御器59を経て外部へ排出する管路が分岐されている。

他方の乾燥ガス管路54には、質量流量制御器56を経て供給された乾燥ガスと前記第１混合器57を経た第１段希釈ガスとを混合して希釈する第２混合器61が設けられ、さらに第２混合器61を経た管路62中のガスを圧力制御して余剰ガスを外部へ排出する圧力制御器63およびこの圧力制御器63により制御された圧力を検出する圧力検出器64が接続されている。第２混合器61を経た管路62は、２つの管路65，66に分岐され、それぞれに標準ガスを取出すための手動バルブSV4，SV5が設けられている。

前記微量水分計測器33は、手動バルブSV4を開いて取出された標準ガス中の微量水分を計測する信頼性の高い微量水分測定装置であり、例えば、振動基底状態にある水分子が特定周波数の赤外光を吸収して振動励起状態へと遷移する際の赤外光吸収量は、赤外光が通過する空間の水蒸気濃度と光路長との積によって決まることから、光路長と赤外光強度の測定から湿度を求めることができる吸収分光法を用いた湿度測定装置であり、特にモル分率１ppm 以下の微量水分を検出できる程度まで高感度化された吸収分光法であるキャビティリングダウン分光法を用いたキャビティリングダウン分光装置を用いることが望ましい。

前記サンプリングシステム34は、手動バルブSV5を開いて取出された標準ガスを、被試験体の微量水分計測器71〜74に対して、質量流量制御器75〜78および手動バルブSV6〜SV9を経て分配する回路である。

次に、図１に示された実施の形態の作用効果を説明する。

狭窄素子47は、その狭窄部48における下流圧／上流圧の比が０．５３以下になると、狭窄部48での流速が臨界に達し音速で固定されるので、この音速が維持される状態で圧力制御器44などの制御手段により微量水分発生槽41のチャンバ42内の圧力を制御することで、圧力制御器44などの制御手段より上流側の影響が下流側のチャンバ42内には伝わらないとともに、狭窄部48での流れが音速に達していることで、この狭窄部48より下流側の情報（圧力変化または流量変化）は狭窄部48を超えて上流側のチャンバ42内には伝わらない。

これにより、微量水分発生槽41内の圧力と流速の精密制御を同時に行うことができ、チャンバ42内の温度を温度制御器（図示せず）により精密制御することで、拡散管セル43より発生する微量水分を高精度に制御でき、安定的な水分発生を図ることができ、標準ガス中の微量水分を計測するための被試験体の微量水分計測器71〜74を正確に校正できる。

また、微量水分発生装置31では、狭窄素子47の狭窄部48での流速が音速で固定され、この狭窄部48より下流側の変化が上流側の微量水分発生槽41のチャンバ42内に伝わらない状態のまま、このチャンバ42内の圧力のみを制御することができるので、図２に示された従来の微量水分発生槽12のように上流側の質量流量制御と下流側の圧力制御とが相互に干渉し合うことによってシステムが不安定にならないように制御パラメータを慎重に最適化する作業は不要になる。

また、上記微量水分発生装置31と、この微量水分発生装置31で得られた微量水分を所定流量の乾燥ガスで希釈する操作を繰返して標準ガスを生成する多段式希釈装置32とを組合わせることにより、容易に広い範囲における標準ガスの生成が可能となり、特に、流量変更を広い範囲で素早く行える多段式希釈装置32を含む標準ガス生成システムに微量水分発生装置31を簡単に組込むことが可能なことから、標準ガス中の水分濃度の素早い変更が可能となり、微量水分計測器71〜74の応答性を正確に調べることができる。

例えば、流量を１L/minから２０L/minへと変更させる場合、従来の方法では１０分程度の時間を要したが、本標準ガス生成装置30では、多段式希釈装置32のみにより、この流量変更を数秒以内に行うことができる。これは、微量水分計測器71〜74の性能で特に重要な応答性の試験を行う上で極めて有効となる。

また、本標準ガス生成装置30は、従来から微量水分発生に使われている霜点発生装置とは異なり冷凍機を必要とせず小型化が可能で、かつ水分変更作業が容易なため、さまざまな測定現場に持ち込み、微量水分計測器71〜74をその場で校正し試験することができる。

本発明は、拡散管法による水以外の物質の標準ガス発生や、拡散管法と類似の発生法であるパーミエーションチューブ法による水以外の物質も含めた標準ガス発生にも有効である。

次に、各調整手段の一調整例を示す。

圧力制御器44は、５０ｋＰa〜６８０ｋＰaの範囲でガス圧力を調整し、狭窄素子47は、６８０ｋＰaと４００ｋＰaとで、５L/minの流量が得られるものを選択し、圧力制御器51は、３００ｋＰa以下の範囲でガス圧力を調整し、質量流量制御器55，56，59は、それぞれ最大３０L/minの流量制御が可能であり、圧力制御器63は、１３０ｋＰa〜２００ｋＰaの範囲でガス圧力を調整し、質量流量制御器75〜78は、それぞれ最大５L/minの流量制御が可能である。

本発明は、微量水分計測器71〜74を校正するための標準ガスを発生させる微量水分発生装置31の製造業などにおいて利用可能である。

30 標準ガス生成装置
31 微量水分発生装置
32 希釈装置としての多段式希釈装置
41 微量水分発生槽
42 内部空間としてのチャンバ
43 拡散管セル
44 制御手段としての圧力制御器
47 狭窄素子

Claims

水分を除去された乾燥ガスの供給を受ける温度制御された内部空間を有するとともにこの内部空間内に収納されて微量水分を発生させる拡散管セルを有する微量水分発生槽と、
上記微量水分発生槽の入口側に接続されて微量水分発生槽の内部空間の圧力を制御する制御手段と、
上記微量水分発生槽の出口側に接続されて下流圧／上流圧の比を０．５３以下にする狭窄素子と
を具備したことを特徴とする微量水分発生装置。
請求項１記載の微量水分発生装置と、
この微量水分発生装置で得られた微量水分を所定流量の乾燥ガスで希釈する操作を繰返して標準ガスを生成する希釈装置と
を具備したことを特徴とする標準ガス生成装置。