JP6947700B2 - ガス濃度測定ユニット - Google Patents

Description

本発明は、ガス濃度測定ユニットに関し、詳しくは、測定対象ガスに含まれる不純物成分の濃度を連続的に検出するためのガス濃度測定ユニットに関する。

一般的に、窒素、アルゴンなどの工業ガスの製造プロセスや、半導体デバイスを製造する半導体デバイス製造装置では、各種ガスに含まれている不純物ガス成分の濃度を管理する必要があることから、様々な手法を適用したガス濃度測定装置が開発されてきている。ガス濃度の測定装置として、特定のガス成分に感応して光学的性質が変化する感応剤を含む検知素子と光学機器とを用い、試料ガスを連続的に供給しながら、前記検知素子の光学的性質変化を検出することにより、試料ガス中に含まれている不純物成分の濃度を測定するユニット及び方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１８−０１７６５０号公報

特許文献１に開示されたガス濃度検出ユニットは、直線状の試料ガス通路内に検知素子が固定され、検知素子の平面方向に対して垂直にガスが流れ、検知素子をガスが透過する際に測定対象不純物と感応剤が接触する構造になっている。しかし、この構造だと、試料ガスの圧力が変動した際に、検知素子の形状が変化することで光透過性が変化し、正確な濃度の測定が困難になるおそれがある。また、検知素子の機械的強度が不足している場合には、急激な圧力変動によって検知素子が損壊するおそれもあった。

そこで本発明では、試料ガスの圧力変動が生じた際にも検知素子の物理的形状変化が生じることがなく、正確な不純物ガス成分の濃度を安定して測定することができるガス濃度測定ユニットを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明のガス濃度測定ユニットは、試料ガスに含まれる不純物ガス成分の濃度を連続的に検出するためのガス濃度検出ユニットにおいて、内部に測定室を有する測定ブロックの前記測定室を挟んで対向配置された第１光路及び第２光路と、前記測定室に試料ガスを導入する試料ガス導入路及び該測定室から試料ガスを導出する試料ガス導出路と、前記測定室と前記第１光路とを仕切る透光性の第１仕切部材と、前記測定室と前記第２光路とを仕切る透光性の第２仕切部材と、該第２仕切部材の測定室側の面に配置されて前記不純物ガス成分に感応して特定波長の光の吸光度が変化する感応剤を固定化した平面状の検知素子と、前記第１光路の外端と前記第２光路の外端とに、前記測定室に向けて測定光を照射する光源部と、前記検知素子の吸光度の変化を検出する受光部とを対向配置したものであり、前記試料ガスが、前記検知素子内の平面方向に対して前記検知素子内を平行に流れることを特徴としている。

さらに、本発明のガス濃度測定ユニットは、前記測定ブロックが、前記第１光路を有する第１ブロックと、前記第２光路を有する第２ブロックと、両ブロック間に配置されて前記測定室、前記試料ガス導入路及び前記試料ガス導出路を有する中央ブロックとの３個のブロック部材で形成され、該中央ブロックには、第１ブロック側に、前記測定室より大径に形成された前記第１仕切部材を無端状パッキンを介して気密に収納する第１仕切部材収納部が、第２ブロック側に前記測定室より大径に形成された前記第２仕切部材を無端状パッキンを介して気密に収納する第２仕切部材収納部が、それぞれ設けられるとともに、前記試料ガス導入路は、前記測定室における第１仕切部材側に開口し、前記試料ガス導出路は、前記測定室の外周側で、かつ、前記第２仕切部材の無端状パッキンの内周側に位置する前記検知素子に向かって開口していることを特徴としている。

また、前記第１仕切部材収納部は、前記測定室側の小径部と前記第１ブロック側の大径部とを段部面にて接続した段付凹部で形成され、前記第１仕切部材は、前記小径部に挿入される小径凸部と、前記大径部に挿入される大径基部とを有する断面凸状に形成され、前記無端状パッキンは、前記大径基部と前記段部面との間に設けられていることを特徴としている。

そして、前記光源部は、波長が２００〜８００ｎｍの光を照射すること、前記不純物ガス成分が水分であり、前記感応剤が、金属イオンと該金属イオンと配位結合する有機配位子とからなる多孔性金属錯体、具体的には、銅ベンゼン−１，３，５−トリカルボキシレートであることを特徴としている。

本発明のガス濃度測定ユニットによれば、試料ガス導入路から測定室内に導入される試料ガスに圧力変動があっても、試料ガス導出路から試料ガスを導出できるので、測定室内の圧力変動を回避することができ、検知素子の形状変化が生じることがなく、測定対象となる不純物ガス成分の濃度測定の信頼性を向上させることができるとともに、試料ガスと検知素子との接触機会が十分に確保できることから、応答性の向上も図ることができる。

本発明のガス濃度測定ユニットの一形態例を示す概略断面図である。 比較例１として使用したガス濃度測定ユニットの構造を示す概略断面図である。 比較例１のガス濃度測定ユニットを使用して試料ガスの導入圧力を変動させたときの測定結果を示す図である。 図１に示す構造のガス濃度測定ユニットを使用して試料ガスの導入圧力を変動させたときの測定結果を示す図である。 比較例２として使用したガス濃度測定ユニットの構造を示す概略断面図である。 比較例２のガス濃度測定ユニットを使用して試料ガスに含まれる不純物ガス成分の濃度を変動させたときの測定結果を示す図である。 図１に示す構造のガス濃度測定ユニットを使用して試料ガスに含まれる不純物ガス成分の濃度を変動させたときの測定結果を示す図である。

図１は、本発明のガス濃度測定ユニットの一形態例を示す概略断面図である。本形態例に示すガス濃度測定ユニット１１は、第１ブロックである光源側ブロック１２と、第２ブロックである受光側ブロック１３と、両ブロック１２，１３間に配置された中央ブロック１４との３個の金属製ブロック部材を結合した測定ブロック１５を有している。測定ブロック１５の内部には、筒状の測定室１６が設けられており、該測定室１６を挟んで、光源側ブロック１２には光源部１７を備えた第１光路である光源側光路１８が、受光側ブロック１３には、光源部１７に対向配置される受光部１９を備えた第２光路である受光側光路２０が直線状に対向配置されている。

前記中央ブロック１４には、光源側ブロック１２側に、測定室１６より大径に形成された第１仕切部材収納部である光源側仕切部材収納部２１が設けられており、受光側ブロック１３側に、測定室１６より大径に形成された第２仕切部材収納部である受光側仕切部材収納部２２が設けられている。光源側仕切部材収納部２１は、測定室１６側で測定室１６の内径より大きな内径を有する小径部２１ａと、光源側ブロック１２側で小径部２１ａより大きな内径を有する大径部２１ｂとを段部面２１ｃにて接続した段付凹部で形成されており、段部面２１ｃには、無端状パッキン２３を嵌着するためのリング状溝２１ｄが設けられている。

光源側仕切部材収納部２１には、測定室１６の光源部１７側を気密に閉塞する透光性材料からなる第１仕切部材である光源側仕切部材２４が装着されている。光源側仕切部材２４は、光源側仕切部材収納部２１の小径部２１ａの内径及び長さに対応した測定室１６側の小径凸部２４ａと、光源側仕切部材収納部２１の大径部２１ｂの内径及び長さに対応した光源部１７側の大径基部２４ｂとを有する断面凸状に形成されている。光源側仕切部材２４は、小径凸部２４ａを小径部２１ａに挿入し、大径基部２４ｂを大径部２１ｂに挿入した状態で、中央ブロック１４に光源側ブロック１２を取り付けることによって光源側仕切部材収納部２１内に固定され、無端状パッキン２３によって段部面２１ｃと大径基部２４ｂとの間の気密性が確保される。さらに、光源側仕切部材２４を断面凸状に形成することにより、測定室１６の光源部１７側を、ガス溜まりを生じることなく確実に閉塞できる。

また、受光側仕切部材収納部２２は、測定室１６の内径より大きな内径、例えば、前記光源側仕切部材収納部２１の大径部２１ｂと同じ内径を有しており、底面には、前記リング状溝２１ｄと同形状のリング状溝２２ａが設けられ、前記無端状パッキン２３と同形状の無端状パッキン２５が嵌着されている。この受光側仕切部材収納部２２に装着される第２仕切部材である受光側仕切部材２６は、受光側仕切部材収納部２２の内径及び長さに対応した平面形状を有しており、受光側仕切部材収納部２２に挿入した状態で、中央ブロック１４に受光側ブロック１３を取り付けることによって受光側仕切部材収納部２２内に固定され、無端状パッキン２５によって気密性が確保される。これにより、測定室１６は、外部への試料ガスの漏洩や、測定室１６内への外部のガスの侵入が防止されている。

さらに、受光側仕切部材２６の測定室１６側の面と測定室１６の周壁端面との間には、測定室１６の内径より大きな外径を有する平面状の検知素子２７が受光側仕切部材２６に沿うようにして配置されている。この検知素子２７は、測定対象となる不純物ガス成分に感応し、不純物ガス成分の濃度に応じて特定波長の光の吸光度が変化する感応剤を、光透過性及びガス透過性を有する基材に固定化したものであって、感応剤には、試料ガスの種類や不純物ガス成分の種類に応じて適宜最適な感応剤が選択されている。

光源部１７には、前記感応剤の種類に応じた波長の測定光を照射できる光源が用いられ、例えば、ＬＥＤ光源を用いることができる。また、受光部１９は、検知素子２７及び受光側仕切部材２６を透過した光の強度を電圧に変換するもので、フォトダイオードや光電子増倍管を用いることができる。さらに、この受光部１９には、変換した電圧に基づいて測定対象である不純物ガス成分の濃度を算出する演算部（図示せず）が接続されている。

そして、中央ブロック１４には、中央ブロック１４の側方から測定室１６の中心方向に向かって直線状に穿孔された試料ガス導入路２８と試料ガス導出路２９とが設けられている。試料ガス導入路２８の内端は、測定室１６の光源側仕切部材２４側に開口しており、試料ガス導入路２８から導入された試料ガスは、測定室１６内に流入した後、受光側仕切部材２６の方向に屈曲して検知素子２７に向かって流れる。

また、試料ガス導出路２９は、中央ブロック１４内で屈曲した状態に形成されており、測定室１６の外周側で、かつ、受光側仕切部材２６の無端状パッキン２５の内周側に位置する検知素子２７に向かって開口するガス導出路３０を有している。したがって、試料ガス導入路２８から測定室１６に流入した試料ガスは、検知素子２７に向かって流れ、検知素子２７の感応剤に十分に接触しながら検知素子２７内を平面方向に流れ、ガス導出路３０を通って試料ガス導出路２９から外部に導出されるので、検知素子２７と測定対象となる不純物ガス成分との接触機会が十分に確保され、優れた応答性を得ることができる。

このように形成したガス濃度測定ユニット１１を使用して、試料ガス経路内を流れる試料ガス中の不純物ガス成分の濃度を連続的に計測する際には、試料ガス経路の上流側を試料ガス導入路２８に接続し、試料ガス導出路２９を試料ガス経路の下流側に接続する。これにより、試料ガス経路を流れる試料ガスの全量がガス濃度測定ユニット１１の測定室１６を常時連続して流れる状態になる。この状態で、検知素子２７は、受光側仕切部材２６の測定室側の平面に配置されているので、測定室１６に導入される試料ガスの圧力が変動しても変形したり、移動したりすることはなく、長期間にわたって平面状態を維持することができ、安定した測定結果を得ることができる。

測定室１６内を試料ガスが流れている状態で光源部１７を作動させ、光源側光路１８、光源側仕切部材２４及び測定室１６を通して検知素子２７に、あらかじめ設定された波長で、あらかじめ設定された強度の測定光を照射するとともに、検知素子２７及び受光側仕切部材２６を透過した測定光の強度を受光部１９で受光し、受光部１９で計測した電圧の変化を演算部で処理することにより、試料ガス中の不純物ガス成分の濃度を連続して測定することができる。

例えば、試料ガス中に含まれる不純物ガス成分として水分濃度を検出する場合には、検知素子２７の感応剤として金属イオン及び該金属イオンに配位結合する有機配位子からなる多孔性金属錯体を用いることができる。具体的には、銅ベンゼン−１，３，５−トリカルボキシレートを用いることができる。また、感応剤を固定化する基材には、ＰＴＦＥ製メッシュやガラス製メッシュで、厚さが０．１〜５ｍｍの範囲の基材を用いることができる。一方、測定光としては、波長が２００〜８００ｎｍの範囲内の測定光を照射可能なＬＥＤランプを使用することができる。

ここで、図２に示すように、検知素子２７の周縁をパッキン３１を介して分割形成した測定ブロック３２，３２で気密に固定し、試料ガスの全量が検知素子２７を通過する構造のガス濃度測定ユニット３３を比較例１として使用し、図１に示す構造のガス濃度測定ユニット１１に対して、試料ガスの圧力を変動させたときの影響を比較する実験を行った。なお、以下の説明において、前記形態例に示したガス濃度測定ユニット１１の構成要素と同一又は類似の構成要素の主要部に同一符号を付して詳細な説明は省略する。

光源部１７の光源には、ＯｐｔｏＳｕｐｐｌｙ製のＬＥＤランプＯＳＢ５ＸＮＥ１Ｃ１Ｅを用い、受光部２９の受光素子には、ＴＡＯＳ製のＴＳＬ−２５７を用いた。また、検知素子２７には、ＡＤＶＡＮＴＥＣ社製のガラスろ紙ＧＡ−１００を基材とし、銅ベンゼン−１，３，５−トリカルボキシレートを感応剤として固定化したものを用いた。この検知素子２７は、試料ガス中に含まれる水分濃度に感応して特定波長の吸光度が変化する。

試料ガスには、ベースガスが窒素であって、水分濃度を５００ｐｐｂとした大陽日酸株式会社製の標準ガスを用いた。試料ガスの圧力は、１０１．５ｋＰａで４０秒と、１０１ｋＰａで２０秒とに、繰り返して変化させた。

比較例１のガス濃度測定ユニット３３を使用して水分濃度を測定した結果を図３に示す。図３に示す結果から明らかなように、水分濃度が一定であるにもかかわらず、圧力の変動によって測定電圧が乱れることが確認できた。これは、試料ガスの全量が検知素子２７を透過する構造であることから、試料ガスの圧力が高いときには、周縁のみが固定されている検知素子２７が大きく撓んでメッシュを形成する繊維間の距離が長くなることで測定光の透過量が多くなるのに対し、試料ガスの圧力が低いと撓み量が小さくなって繊維間の距離が短くなって測定光の透過量が少なくなるためである。

一方、検知素子２７を受光側仕切部材２６の平面部に固定した状態のガス濃度測定ユニット１１の場合は、同じ条件で圧力を変動させても検知素子２７が撓むことがないので、図４に示すように、安定した測定電圧、即ち濃度測定結果を得ることができた。

したがって、本発明のガス濃度測定ユニットを用いれば、ガス経路の試料ガスに圧力変動が想定される場合であっても、検知素子の物理的形状変化が生じることがなく、正確な不純物成分の濃度を長期間安定して測定することが可能になる。

また、図５に示すように、適宜な支持部材（図示せず）によって支持した検知素子２７の周縁に、少量のガスが通過可能な隙間３４を設けた構造のガス濃度測定ユニット３５を比較例２として使用し、図１に示す構造のガス濃度測定ユニット１１に対して、試料ガス中の水分濃度を変動させたときの影響を比較する実験を行った。光源、受光素子、検知素子は、前記実験と同一である。

一方、試料ガスには、水分濃度が５００ｐｐｂの前記標準ガスと、純度９９．９９９９％以上の大陽日酸株式会社製の高純度窒素ガスとを使用し、標準ガスと高純度窒素ガスとを一定時間毎に切り替えて導入した。比較例２のガス濃度測定ユニット３５を使用して水分濃度を測定した結果を図６に示す。また、図１に示す構造のガス濃度測定ユニット１１を使用して同一条件で水分濃度を測定した結果を図７に示す。

図６及び図７に示す結果から明らかなように、比較例２のガス濃度測定ユニット３５の場合は、試料ガスの一部が隙間３４を通り抜け、検知素子２７に接触せずに通過してしまうため、試料ガスと検知素子との接触機会が少なくなるのに対し、図１に示す構造のガス濃度測定ユニット１１では、試料ガスの全量が検知素子に接触するため、試料ガスと検知素子との接触機会が多くなり、水分濃度の変動に対する応答性が向上していることがわかる。

したがって、本発明のガス濃度測定ユニットを用いれば、ガス経路を流れる試料ガス中の不純物ガス成分に濃度変動が想定される場合であっても、正確な不純物成分の濃度を長期間安定して測定することが可能になる。

なお、前記形態例では、第１ブロックを、光源部及び光源側光路を有する光源側ブロックとし、第２ブロックを受光部及び受光側光路を有する受光側ブロックとしたが、光源部を第１ブロック側に設け、受光部を第２ブロック側に設けることもできる。

１１…ガス濃度測定ユニット、１２…光源側ブロック、１３…受光側ブロック、１４…中央ブロック、１５…測定ブロック、１６…測定室、１７…光源部、１８…光源側光路、１９…受光部、２０…受光側光路、２１…光源側仕切部材収納部、２１ａ…小径部、２１ｂ…大径部、２１ｃ…段部面、２１ｄ…リング状溝、２２…受光側仕切部材収納部、２２ａ…リング状溝、２３…無端状パッキン、２４…光源側仕切部材、２４ａ…小径凸部、２４ｂ…大径基部、２５…無端状パッキン、２６…受光側仕切部材、２７…検知素子、２８…試料ガス導入路、２９…試料ガス導出路、３０…ガス導出路、３１…パッキン、３２…測定ブロック、３３…ガス濃度測定ユニット、３４…隙間、３５…濃度測定ユニット

Claims (6)

1. 試料ガスに含まれる不純物ガス成分の濃度を連続的に検出するためのガス濃度検出ユニットにおいて、内部に測定室を有する測定ブロックの前記測定室を挟んで対向配置された第１光路及び第２光路と、前記測定室に試料ガスを導入する試料ガス導入路及び該測定室から試料ガスを導出する試料ガス導出路と、前記測定室と前記第１光路とを仕切る透光性の第１仕切部材と、前記測定室と前記第２光路とを仕切る透光性の第２仕切部材と、該第２仕切部材の測定室側の面に配置されて前記不純物ガス成分に感応して特定波長の光の吸光度が変化する感応剤を固定化した平面状の検知素子と、前記第１光路の外端と前記第２光路の外端とに、前記測定室に向けて測定光を照射する光源部と、前記検知素子の吸光度の変化を検出する受光部とを対向配置したものであり、前記試料ガスが、前記検知素子内の平面方向に対して前記検知素子内を平行に流れることを特徴とするガス濃度測定ユニット。
2. 前記測定ブロックは、前記第１光路を有する第１ブロックと、前記第２光路を有する第２ブロックと、両ブロック間に配置されて前記測定室、前記試料ガス導入路及び前記試料ガス導出路を有する中央ブロックとの３個のブロック部材で形成され、該中央ブロックには、第１ブロック側に、前記測定室より大径に形成された前記第１仕切部材を無端状パッキンを介して気密に収納する第１仕切部材収納部が、第２ブロック側に前記測定室より大径に形成された前記第２仕切部材を無端状パッキンを介して気密に収納する第２仕切部材収納部が、それぞれ設けられるとともに、前記試料ガス導入路は、前記測定室における第１仕切部材側に開口し、前記試料ガス導出路は、前記測定室の外周側で、かつ、前記第２仕切部材の無端状パッキンの内周側に位置する前記検知素子に向かって開口していることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定ユニット。
3. 前記第１仕切部材収納部は、前記測定室側の小径部と前記第１ブロック側の大径部とを段部面にて接続した段付凹部で形成され、前記第１仕切部材は、前記小径部に挿入される小径凸部と、前記大径部に挿入される大径基部とを有する断面凸状に形成され、前記無端状パッキンは、前記大径基部と前記段部面との間に設けられていることを特徴とする請求項２記載のガス濃度測定ユニット。
4. 前記光源部は、波長が２００〜８００ｎｍの光を照射することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のガス濃度測定ユニット。
5. 前記不純物ガス成分が水分であり、前記感応剤が、金属イオンと該金属イオンと配位結合する有機配位子とからなる多孔性金属錯体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のガス濃度測定ユニット。
6. 前記多孔性金属錯体は、銅ベンゼン−１，３，５−トリカルボキシレートであることを特徴とする請求項５記載のガス濃度測定ユニット。

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