JP2014149215A - 気体透過性評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試料交換時にも質量分析室は高真空に保たれ、かつ、質量分析室から排気を行いながら気体透過度の測定ができる気体透過性評価装置を提供する。
【解決手段】ガスが導入されるガス導入室１と、その後段の前室２と、その後段の質量分析室３を備え、前記ガス導入室１と前室とを隔てる隔壁４に基材５を結合し、該基材５のガス導入室１側上面に試料２０が設置され、前記前室２と前記質量分析室３を隔てる隔壁６に絞りとなるオリフィス７を設け、前記質量分析室３には質量分析計８を接続すると共に、質量分析室３から排気する真空ポンプを設け、前記試料２０の透過面積Ａおよびオリフィス７のコンダクタンスＣ、前記ガス導入室１内の圧力の測定値ｐ_０および前記前室２内の圧力の測定値ｐ_１、前記質量分析計８で測定した前記質量分析室３内の圧力の測定値ｐ_２から、次式Ｊ_１＝Ｃ（ｐ_１−ｐ_２）／Ａ（ｐ_０−ｐ_１）により試料２０の気体透過度Ｊ_１を評価する気体透過性評価装置１０を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、気体透過性を評価する装置に関し、特に、半導体産業等、水蒸気や酸素等のガスにより材料等の劣化が起こり、製品寿命に影響を与える分野等において評価装置として用いられる気体透過性評価装置に関する。

有機ＥＬ（有機エレクトロルミネッセンス）バリア膜の評価には、１０^−６ｇ／ｍ^２ｄａｙ程度以上の精度で水蒸気透過度を測定する必要があり、質量分析計を利用することが考えられる（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、図３に示すように、ガスが導入されるガス導入室１（恒温恒湿槽）と前室２（補助真空槽）との隔壁４に被測定試料２０が成膜された基材５（サンプル台）がセットされ、前室２（補助真空槽）と質量分析室３（主真空槽）を隔てる隔壁６にシャッター３１が設けてあり、試料交換時にシャッター３１を閉じて外気が、質量分析室３、質量分析計８に直接導入されない工夫がなされている。

特開２００２―３５７５３３号公報（特許文献１）

特許文献１に開示された発明では、試料セット時のみシャッターで質量分析室（主真空槽）を隔離するが、評価時にはシャッターが開かれるため、前室に導入された外気により質量分析室・質量分析計は外気に曝され、水蒸気等が内部表面に吸着する。そのため、バックグラウンドが定まらず、膜材料からの透過気体を正確に測定することが困難であった。また次回の分析時における水蒸気等の脱離までの時間がかかるので、内部吸着気体をベーキングで脱着する頻度が多くなり、メンテナンスに要する時間も多くなる。さらに、装置を稼働させるためには排気しながら高真空を維持する必要があるが、排気しながらでは試料透過分の気体透過度を計算できないことから、試料を透過してくる量を知るためには排気を止める必要がある。しかしながら、排気を止めると、測定時に試料を透過してくる気体により高真空を維持できなくなり、質量分析計の高精度測定レンジをすぐにオーバーしてしまい、上記精度を満たす高性能の質量分析計による分析はできない。
本発明は、試料交換時に装置内部に外気が入らないようにして質量分析室内部への水蒸気等のガス吸着を抑制し、分析精度およびメンテナンス性を向上させるとともに、排気しながらの測定を可能とし、高性能質量分析計を用いた高精度な測定を可能とする気体透過性評価装置を提供する。

本発明は、ガスが導入されるガス導入室と、その後段の前室と、その後段の質量分析室を備えた試料の気体透過性評価装置であって、前記ガス導入室と前室とを隔てる隔壁に基材を結合し、該基材のガス導入室側上面に試料が設置され、前記前室と前記質量分析室を隔てる隔壁に絞りとなるオリフィスを設け、前記ガス導入室および前記前室の各室内の圧力ｐ_０およびｐ_１を測定する圧力計を設け、前記質量分析室には質量分析計を接続すると共に、質量分析室から排気する真空ポンプを設け、予め前記試料の透過面積ＡおよびオリフィスのコンダクタンスＣを求めておくと共に、前記真空ポンプで排気しつつ前記前室および前記質量分析室の各室内の圧力が定常状態になったときの、前記ガス導入室内圧力の測定値ｐ_０および前記前室内圧力の測定値ｐ_１、前記質量分析計で測定した前記質量分析室内圧力の測定値ｐ_２から、次式
Ｊ_１＝Ｃ（ｐ_１−ｐ_２）／Ａ（ｐ_０−ｐ_１）
により試料の気体透過度Ｊ_１を評価する気体透過性評価装置を提供する。
また、本発明は、上記気体透過性評価装置において、前記ガス導入室および前記前室にはバルブを介して排気装置を接続することが好ましい。

本発明の気体透過性評価装置によれば、試料交換時に装置内部に外気が入らないよう、試料設置用の基材を装置に結合するため、試料交換時に前室・質量分析室に外気が直接侵入することを防ぐことができる。さらに、高真空下では、排気速度は排気径によるため絞りとなるオリフィスを用い透過ガスの質量分析室への流入が絞られる。質量分析室は常時高真空に保たれるため、内部への水蒸気吸着がほとんど生じず、測定バックグラウンドが安定しかつ吸着水蒸気等の脱離に関する作業および時間が大幅に短縮される。
また、オリフィスはコンダクタンスが明らかであるため、排気しながらの分析が可能となり、高真空を維持したままで高精度の測定ができる。

本発明に係る気体透過性評価装置の測定原理を模式的に示した断面図である。 本発明の気体透過性評価装置に係る好ましい一実施形態を示した断面図である。 従来の気体透過性評価装置を模式的に示した断面図である。

以下に、図１に基づいて、本発明の気体透過性評価装置の測定原理を説明する。
図１に示すように、前室２と質量分析室３とが隔壁６を介して配されている。隔壁６には面積Ｂのオリフィス７が設けられている。質量分析室３とは反対側の前室２の隔壁４には外部と前室２の内部とを隔てるように試料２０が配されている。
オリフィス７は、円形、矩形等、どの様な形状でもまたテーパーを有していても良く、微小径の穴であり、その面積は、排気速度いう観点から、０．００００８ｍｍ^２以上、好ましくは０．００２ｍｍ^２以上、さらに好ましくは０．００８ｍｍ^２以上であり、質量分析室を高真空に保つという観点から、１９．６ｍｍ^２以下、好ましくは７ｍｍ^２以下、さらに好ましくは３．１４ｍｍ^２以下である。したがって、オリフィス７の穴径は、０．０１ｍｍ以上５ｍｍ以下、好ましくは０．０５ｍｍ以上３ｍｍ以下、さらに好ましくは０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の微小径である。

次に、上記気体透過性評価装置１０で、透過面積Ａを有する試料２０の気体透過度Ｊ_１を評価する場合について説明する。

大気圧をｐ_０、前室２内の圧力をｐ_１、質量分析室３内の圧力をｐ_２とし、試料２０の透過気体流量をＱ_１、オリフィス７の透過気体流量をＱ_２、オリフィス７を透過する気体の透過度をＪ_２とすると、Ｑ_１およびＱ_２について以下の関係式が成り立つ。
Ｑ_１＝Ｊ_１・Ａ（ｐ_０−ｐ_１） （１）
Ｑ_２＝Ｊ_２・Ｂ（ｐ_１−ｐ_２） （２）
ここで、オリフィス４のコンダクタンスをＣとすると
Ｑ_２＝Ｃ（ｐ_１−ｐ_２） （３）
と記述できる。

上記気体透過性評価装置１０において、質量分析室３の後段に設置された真空ポンプ（図示せず）により排気し、装置（前室２および質量分析室３）内が定常状態になると、Ｑ_１＝Ｑ_２であるから、上記（１）式および（３）式から、以下の（４）式が成り立つ。定常状態とはｐ_１、ｐ_２が変化しなくなった状態をいう。
Ｊ_１＝Ｃ（ｐ_１−ｐ_２）／Ａ（ｐ_０−ｐ_１） （４）
ここで、Ａ、Ｃおよびｐ_０は既知である。ｐ_１は、前室２に設置した圧力計（図示せず）で測定する。試料２０が、例えば、水蒸気のみを透過するとき、ｐ_２（全圧）は水蒸気の分圧と等しいと考える。すると、質量分析計室３の水蒸気分圧を質量分析計（図示せず）で測定でき、その値がｐ_２となる。したがって、（４）式によりＪ_１は決定できる。

なお、ｐ_２は原理的には装置に設けられた圧力計でも測定できるが、１０^−６ｇ／ｍ^２ｄａｙ程度以上の精度を達成するためには質量分析計を用いる必要がある。また、定常状態になったかどうかは、ｐ_１、ｐ_２の測定値が変化しなくなったかどうかで確認することができる。

また、上記説明では水蒸気の例を取って説明したが、水蒸気以外の気体の透過度を評価する場合も同様である。

本発明の気体透過性評価装置１０の好ましい一実施形態を、図２を参照して以下に説明する。

図２に示すように、気体透過性評価装置１０は、ガスが導入されるガス導入室１と、その後段の前室２と、さらにその後段の質量分析室３を備えている。ガス導入室１と前室２とを隔てる隔壁４に基材５を結合し、該基材５のガス導入室１側上面に試料２０が設置される。前室２と質量分析室３を隔てる隔壁６には微小径絞りとなるオリフィス７が設けられている。ガス導入室１および前室２には、それぞれに、バルブ１１および１２を介して、室内の圧力ｐ_０およびｐ_１を測定する圧力計（図示せず）が設けられている。また質量分析室３には質量分析計８が接続されていると共に、質量分析室３内から排気する真空ポンプ（図示せず）がバルブ１３を介して設けられている。

ここで言う「結合」とは試料交換の際でも基材５と隔壁４が一体化しており、基材５を透過して前室２内に進入するガスに比べて、基材５と隔壁４の境界を通して進入するガスが少ないことを言う。そのためには接着剤を用いて基材５と隔壁４を固着させれば良い。ガスケットを用いて基材５を隔壁４に取付けても良い。なお、装置補修等のため基材５を隔壁４から取り外せる構造になっていても構わない。例えば、試料取付け用とは異なるボルトを用いて基材５を隔壁４と結合させておくことができる。こうすることで試料交換の度に基材５が外れることはなく、しかも、補修等のため基材５を容易に交換することができるようになる。

基材５は、強度的に前室２に真空ポンプを使用できかつ水分子を透過できる材料で構成され、好ましくは高分子化合物で構成され、より好ましくはポリアミド、ポリテレフタレート、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリエチレンで構成される。
さらに、上記基材の厚さが１ｍｍから２０ｍｍ、好ましくは２ｍｍから１５ｍｍ、より好ましくは５ｍｍから１０ｍｍである気体透過性評価装置とすることができる。この厚みがあることで支持体の強度が保たれ、装置の取扱いが容易になる。１ｍｍより薄いと供給側と透過側の圧力差で破損したりたわんだりすることから好ましくない。２０ｍｍより厚いと支持体周囲の断面からのガス透過が無視できなくなり、その解決のため装置が複雑化する。

本発明に適した基材５の水蒸気に対する透過度(水蒸気透過度)は１×１０^−８ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａから１×１０^−１４ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａ、好ましくは５×１０^−９ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａから１×１０^−１３ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａ、より好ましくは１×１０^−９ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａから１×１０^−１２ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａである。１×１０^−１０ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａは４０℃、９０％ＲＨ(水蒸気圧６．６ｋＰａ)から真空(０ｋＰａ)へのＷＶＴＲ(水蒸気バリア性で広く用いられている指標)に換算して１ｇ／ｍ^２ｄａｙに相当する。また、多孔質支持体は一般に１×１０^−７ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａより大きな透過度を持つ。水蒸気透過度が１×１０^−１０ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａより大きな支持体を用いた場合は試料交換時の透過側チャンバーへの大気成分の流入が大きくなり、本発明の長所を活かすことができない。一方、水蒸気透過度が１×１０^−１４ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａより小さい基材を用いた場合は水蒸気透過度が１×１０^−１２ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａ（０．０１ｇ／ｍ^２ｄａｙ）より大きい試料の評価が著しく困難になる。

前室２と質量分析室３を隔てる隔壁６には、従来のシャッターを用いずに、オリフィス７で区切られており、質量分析室３は常時高真空に保たれるため、質量分析室３の内部への水蒸気吸着がほとんど生じず、測定バックグラウンドが安定しかつ吸着水蒸気等の脱離に関する作業および時間が大幅に短縮される。また、質量分析室３には質量分析計８が接続されると共に、質量分析室３の後段に真空ポンプ（図示せず）を設け質量分析室３から排気するようにし、コンダクタンスＣが明らかなオリフィス７を利用することで排気しながらの測定が可能となり、高性能の質量分析計８を利用できる。

以上の気体透過性評価装置１０によれば、ガス導入室１（ｐ_０：通常大気圧）、前室２（ｐ_１）、質量分析室３（ｐ_２）の圧力を測定し、予め求めておいたＡ、Ｃをもちいて、式（４）から試料の気体透過度Ｊ_１を求めることができる。

本発明の気体透過性評価装置１０では高真空での測定が可能であるから、半導体、例えば、有機ＥＬ等の製品評価および劣化評価などに有用である。

１ ガス導入室
２ 前室
３ 質量分析室
４，６ 隔壁
５ 基材
７ オリフィス
８ 質量分析計
１０ 気体透過性評価装置
１１，１２，１３ バルブ
２０ 試料

Claims (2)

1. ガスが導入されるガス導入室と、その後段の前室と、その後段の質量分析室を備えた試料の気体透過性評価装置であって、
   前記ガス導入室と前室とを隔てる隔壁に基材を結合し、該基材のガス導入室側上面に試料が設置され、
   前記前室と前記質量分析室を隔てる隔壁に絞りとなるオリフィスを設け、
   前記ガス導入室および前記前室の各室内の圧力ｐ_０およびｐ_１を測定する圧力計を設け、
   前記質量分析室には質量分析計を接続すると共に、質量分析室から排気する真空ポンプを設け、
   予め前記試料の透過面積ＡおよびオリフィスのコンダクタンスＣを求めておくと共に、前記真空ポンプで排気しつつ前記前室および前記質量分析室の各室内の圧力が定常状態になったときの、前記ガス導入室内の圧力の測定値ｐ_０および前記前室内の圧力の測定値ｐ_１、前記質量分析計で測定した前記質量分析室内の圧力の測定値ｐ_２から、次式
   Ｊ_１＝Ｃ（ｐ_１−ｐ_２）／Ａ（ｐ_０−ｐ_１）
   により試料の気体透過度Ｊ_１を評価する気体透過性評価装置。
2. 前記ガス導入室および前記前室にはバルブを介して排気装置を接続した請求項１に記載の気体透過性評価装置。
   

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