JPH05347443A - 閉ループガス浄化システムの性能評価 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザ用ガス媒体等、微量不純物に敏感なガ
スを浄化しつつ、循環させて使用する閉ループガス浄化
システムの性能評価に関し、ガス利用装置で使用し、不
純物が発生したガスをガス浄化装置で不純物を除去して
浄化し、再びガス利用装置に供給して使用する閉ループ
ガス浄化システムの性能評価方法であって、比較的安価
で簡便な測定装置を用いて適切にガス浄化装置の性能評
価を行うことのできる閉ループガス浄化システムの性能
評価方法を提供することを目的とする。 【構成】 ガス利用装置で使用し、不純物が発生したガ
スをガス浄化装置で不純物を除去し、再びガス利用装置
に供給して使用する閉ループガス浄化システムの性能評
価方法であって、ガス浄化装置の入口不純物濃度の時間
変化をモニタすることにより、ガス浄化装置の出口不純
物濃度を堆定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、閉ループガス浄化シス
テムの性能評価に関し、特にレーザ用ガス媒体等、微量
不純物に敏感なガスを浄化しつつ、循環させて使用する
閉ループガス浄化システムの性能評価に関する。

【０００２】

【従来の技術】以下、微量不純物に敏感なガス利用装置
としてＫｒＦエキシマレーザを例にとって説明するが、
本発明はＫｒＦエキシマレーザに限るものではない。

【０００３】ＫｒＦエキシマレーザは、ガラス等で形成
されたレーザ管にレーザガス媒体として約９９％のＮ
ｅ、約１％のＫｒ、約０．１％のＦ₂ の混合ガスを収容
し、両端にミラーを配置し、レーザ用ガス媒体を放電発
光させ、共振を生じさせることによって動作させる。

【０００４】ところで、フッ素ガスは反応性が強く、特
に放電によって励起されたフッ素ガスは反応性が強いた
め、放電によってフッ素ガスとガス媒体中の不純物や他
の構成材料との反応が生じる。このため、ＫｒＦエキシ
マレーザのレーザ出力は放電回数と共に減少する。

【０００５】図２にこのような従来の技術による、Ｋｒ
Ｆエキシマレーザの特性を示す。図２（Ａ）図中に示す
ように、レーザ管５１は、その一端にミラー５２、他端
に所望の反射率と透過率を有するハーフミラー５３を有
し、ガス源５４から原料ガスを供給する。

【０００６】レーザ管５１内を排気弁５５を介して排気
し、ガス源５４から新鮮な原料ガスを供給し、レーザ発
振を生じさせた時の時間経過に伴う特性の変化を以下に
説明する。図２（Ａ）はレーザ出力を示し、図２
（Ｂ）、（Ｃ）は、レーザ管５１内のガス成分の濃度を
示す。横軸は各図とも時間を分で示す。

【０００７】図２（Ａ）に示すように、未だ発振を生じ
ない間はレーザ出力はほぼ０であり、発振を開始すると
レーザ出力は急激に大きな値に達する。ところが、発振
時間の経過と共にレーザ出力は次第に減少する。

【０００８】図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、レーザ
発振が生じる前の状態においては、レーザ管５１内のガ
ス成分はほぼ一定であり、不純物であるＮ₂ 、Ｏ₂ 、Ｈ
Ｆ、ＳｉＦ₄ 等がわずかに存在する。

【０００９】なお、主成分であるＮｅとＫｒは図示して
いないが、濃度はほぼ一定に保たれる。レーザ発振が開
始すると、図２（Ｃ）に示すＣＦ₄ 、ＨＦ、ＳｉＦ₄ 等
の不純物濃度は徐々に増大する。

【００１０】一方、レーザ用ガス媒体の成分であるＦ₂
は徐々にその濃度が低下する。レーザ出力の低下は、こ
れらの不純物成分の増加とレーザ用ガス媒体であるＦ₂
の減少に起因するものと考えられる。

【００１１】一定のレーザ出力を得るためには、図２
（Ａ）に示す構成において、ガス源５４から常に新鮮ガ
スを供給し、排気弁５５から排気を行なってレーザ管５
１内を一定の圧力に保つことが必要となろう。しかし、
この方法によれば、高価な希ガスであるＫｒを浪費する
のみでなく、原料ガス供給、排気の制御が複雑となる。

【００１２】そこで、レーザ管内のガスを液体窒素トラ
ップ等のガス浄化装置を介して循環させ、生成したハロ
ゲン化物を除去する方法が提案されている。

【００１３】液体窒素温度のトラップにおいては、Ｓｉ
Ｆ₄ 、ＨＦは凝固し、ＣＦ₄ は吸着する。したがって、
ＣＦ₄ の吸着効率が高いあいだは液体窒素トラップは有
効なガス浄化装置として機能する。吸着面がＣＦ₄ で占
有されると、ＣＦ₄ が吸着されずに出口に表れるように
なる。

【００１４】このように不純物吸着型浄化装置を用いた
場合は、不純物の出口不純物濃度がある値まで立ち上が
ったときが浄化装置再生の時期である。再生せずに浄化
装置を使用すると、少なくともある種の不純物は浄化装
置を通過するようになり、エキシマレーザ等のガス利用
装置の効率を低下させることになる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ガス浄化装置の浄化能
力は、除去したい成分についての入口不純物濃度に対す
る出口不純物濃度の比で表すことができる。エキシマレ
ーザ等のガス利用装置はＣＦ₄ 等のガス中不純物に極め
て敏感であり、不純物濃度が増加するとともにレーザ出
力は低下する。

【００１６】不純物濃度に敏感なガスを用いて、ガスを
浄化しつつ繰り返し使用しようとする場合、図３に示す
ようなシステムが考えられる。

【００１７】図３（Ａ）に示すように、ガス利用装置２
とガス浄化装置４とをループ状に接続し、ガス利用装置
２で使用したガスをガス浄化装置４で浄化し、不純物を
除去して再びガス利用装置２に供給する。

【００１８】ガス浄化装置が浄化能力を維持しているか
否かを評価するために、ガス浄化装置の入口および出口
にモニタ５ａ，５ｂを接続する。ガス利用装置２は運転
することによって一定濃度の不純物を発生させる。ガス
浄化装置４が不純物吸着型である場合、ガス浄化装置４
の入口不純物濃度、出口不純物濃度は図３（Ｂ）に示す
ようになる。

【００１９】すなわち、ガス利用装置２が運転を開始す
ると、一定濃度の不純物が生成され、ガス浄化装置４の
入口不純物濃度はガス利用装置２の発生する不純物濃度
によって定められる。これらの不純物は、ガス浄化装置
４によってほとんど除去され、ガス浄化装置４の出口不
純物濃度は当初所定期間内はほとんど０となる。

【００２０】吸着型ガス浄化装置４の吸着面が不純物に
よって占有されると、ガス浄化装置に除去されず、出口
から不純物が表れるようになる。ガス浄化装置４の出口
に不純物が表れる時間を図３（Ｂ）のＴ１で示す。

【００２１】すると、ガス利用装置２に供給されるガス
は、既に不純物を含んだものとなり、ガス利用装置２の
運転に伴ってさらに不純物が生成されるため、ガス浄化
装置４の入口不純物濃度はほぼ一定の値から次第に増加
するようになる。ガス浄化装置４はその浄化能力が低下
しているため、出口不純物濃度も次第に増加するように
なる。

【００２２】ガス利用装置２に不純物濃度が十分低いガ
スを供給するためには、ガス浄化装置４の出口不純物濃
度を一定の濃度（たとえばＣ₂ ）以下にすることが必要
である。すなわち、ガス浄化装置４の出口不純物濃度を
モニタし、出口不純物濃度が次第に増加して濃度Ｃ₂ に
達したとき（Ｔ２）には、ガス浄化装置４を再生するこ
とが必要である。

【００２３】ところで、図２に示すエキシマレーザの場
合のように、ガス利用装置の性能が不純物濃度に極めて
敏感な場合、ｐｐｍオーダの不純物濃度を検出する事が
必要となる。

【００２４】不純物ガスの検出に、たとえば熱伝導度検
出型（ＴＣＤ）ガスクロマトグラフィのような安価で簡
便な装置を用いると、分析精度は、定量評価が可能な場
合一般的に１０ｐｐｍと言われている。この値は分析対
象ガスによってさらに悪くなり、Ｎｅ中のＣＦ4 の分析
精度は約１００ｐｐｍと言われている。

【００２５】また、Ｈｅ中のＨ₂ の分析精度はさらに悪
く、約１０００ｐｐｍと言われている。たとえば、エキ
シマレーザの場合、図２に示すように、ＣＦ₄ の出口不
純物濃度が１００ｐｐｍに達すると、レーザ出力は既に
大幅に低減してしまっている。

【００２６】すなわち、高純度ガスが要求される場合、
ＴＣＤガスクロマトグラフィのような比較的安価で簡便
な測定装置を用いたのでは、ガス浄化装置の出口不純物
濃度の所望の高精度測定を実現することができない。ガ
ス浄化装置の出口不純物濃度の高精度測定を行うために
は、ヘリウムイオン検出器型ガスクロマトグラフィ、磁
場型質量分析計、赤外線分光光度計、ラマン散乱分光光
度計のような、より高価で操作が複雑な分析装置が必要
となる。

【００２７】本発明の目的は、ガス利用装置で使用し、
不純物が発生したガスをガス浄化装置で不純物を除去し
て浄化し、再びガス利用装置に供給して使用する閉ルー
プガス浄化システムの性能評価方法であって、比較的安
価で簡便な測定装置を用いて適切にガス浄化装置の性能
評価を行うことのできる閉ループガス浄化システムの性
能評価方法を提供することである。

【００２８】また、本発明の他の目的は、比較的安価で
簡便な測定装置を用い、ガス浄化装置の出口不純物濃度
を所望の高精度で評価することのできる閉ループガス浄
化システムの性能評価装置を提供することである。

【００２９】

【課題を解決するための手段】本発明の閉ループガス浄
化システムの性能評価方法は、ガス利用装置で使用し、
不純物が発生したガスをガス浄化装置で不純物を除去し
て浄化し、再びガス利用装置に供給して使用する閉ルー
プガス浄化システムの性能評価方法であって、ガス浄化
装置の入口不純物濃度の時間変化をモニタすることによ
り、ガス浄化装置の出口不純物濃度を堆定する。

【００３０】また、本発明の閉ループガス浄化システム
の性能評価装置は、ガス利用装置に接続され、ガス利用
装置で使用し、不純物が発生したガスを受け、不純物を
除去して浄化し再びガス利用装置に供給するための閉ル
ープガス浄化装置と、ガス浄化装置の入口不純物濃度を
モニタする手段と、モニタした入口不純物濃度の時間変
化を記憶する手段とを有する。

【００３１】

【作用】ＴＣＤガスクロマトグラフィのような比較的安
価で簡便な測定装置は、検出できる最低濃度は高いが、
測定可能濃度領域内での検出濃度の精度は比較的高い。

【００３２】ガス浄化装置の出口不純物濃度はガス浄化
装置の性能が良好な間は極めて低いが、ガス浄化装置の
入口不純物濃度はある程度の値を有する。すなわち、ガ
ス浄化装置の入口不純物濃度を測定することは、比較的
安価で簡便な測定装置によっても可能である。

【００３３】閉ループでガスを利用する場合、ガス浄化
装置から供給されるガスはガス利用装置で使用され、再
びガス浄化装置の入口に戻る。ガス利用装置が一定量の
不純物を付加すると、ガス浄化装置が入口に受けるガス
の不純物濃度は、ガス浄化装置自身が許容した出口不純
物濃度にガス利用装置が付加した不純物濃度を加算した
ものとなる。

【００３４】したがって、ガス浄化装置の浄化能力が高
いときにガス浄化装置が入口で受ける不純物濃度と、ガ
ス浄化装置の能力が低下したときにガス浄化装置が入口
で受ける不純物濃度とは異なるものとなる。

【００３５】ガス浄化装置の出口不純物濃度は濃度自身
が低い値のため比較的安価で簡便な測定装置では測定で
きなくても、ガス浄化装置の入口不純物濃度はかなり高
い値となるため、比較的安価で簡便な測定装置によりか
なり高精度に測定することができる。

【００３６】ガス利用装置が一定量の不純物を生成する
場合、ガス浄化装置の入口不純物濃度をモニタしておけ
ば、ガス浄化装置の浄化能力が低下したときにはガス浄
化装置の入口不純物濃度が増加するこことなり、ガス浄
化装置の性能を評価することが可能である。

【００３７】

【実施例】図１に本発明の実施例を示す。図１（Ａ）
は、ガス浄化装置を備えた閉ループガス利用装置を示す
ブロック図である。ガス利用装置２はガス浄化装置４と
閉ループで接続され、ガス浄化装置の入口には不純物ガ
スをモニタするためのモニタ装置６が接続されている。
また、モニタ装置６の測定した不純物濃度は記憶装置８
に記憶される。記憶装置８にはさらに演算装置等を設け
ることができる。

【００３８】図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すシステム
を運転したときの不純物濃度の振る舞いを示すグラフで
ある。ガス利用装置２が運転されると、一定量の不純物
が発生し、ガス浄化装置４の入口不純物濃度Ｃｉｎは図
示のように当初一定の値を示す。

【００３９】ガス浄化装置４は、当初十分高い浄化能力
を有するため、ガス浄化装置４の出口不純物濃度はほぼ
０である。ガス利用装置２の運転が続くと、ガス浄化装
置４の浄化能力は次第に低下し、時間Ｔ１でガス浄化装
置出口に不純物が現れはじめる。

【００４０】しかしながら、この時点においてガス浄化
装置４の出口不純物濃度をモニタ装置６でモニタしても
測定可能濃度Ｃ₃ 以下のため不純物の測定はできない。
ガス浄化装置４の出口に不純物が表れはじめると、この
不純物は再びガス利用装置に戻され、新たに不純物が付
加されてガス浄化装置４に入力する。

【００４１】このため、入口不純物濃度Ｃｉｎは次第に
増加しはじめる。ガス浄化装置４の出口で不純物ガス濃
度をモニタした場合、不純物濃度がモニタ装置６の検出
可能濃度Ｃ₃ となる。時間Ｔ３に達するまでは出口不純
物濃度の検出はできない。

【００４２】検出したいガス浄化装置の出口不純物濃度
の臨界値が濃度Ｃ₃ よりも低い濃度Ｃ₂ である場合、出
口不純物濃度がＣ₂ となる時間Ｔ２で不純物ガスを検出
し、ガス浄化装置の再生をしなければならない。

【００４３】安価で簡便な測定装置で出口不純物濃度を
モニタした場合は、このような測定はできないため、高
価で操作の複雑な精度の高い測定装置を使わざるを得な
くなる。

【００４４】ところで、ガス浄化装置４の入口不純物濃
度は時間Ｔ1 から次第に増加しはじめる。この増加分自
体は検出可能濃度Ｃ₃ よりも小さい値であっても検出す
ることができる。

【００４５】したがって、ガス浄化装置４の入口におけ
る不純物濃度をモニタ装置６でモニタし、記憶装置８に
記憶し、新たに測定された入口不純物濃度をそれまでの
入口不純物濃度と比較することにより、ガス浄化装置４
の入口不純物濃度の立ち上がりを検出することができ
る。ガス浄化装置４の入口不純物濃度Ｃｉｎが所定濃度
ΔＣ増加したときには、ガス浄化装置４の浄化能力が低
下したと推定し、ガス浄化装置を再生する。

【００４６】このように、ガス浄化装置４の入口不純物
濃度をモニタし、その時間変化を検出することにより、
ガス浄化装置４の出口における不純物濃度の微小な立ち
上がりを間接的に検出することができる。

【００４７】たとえばガス利用装置２はＫｒＦエキシマ
レーザであり、ガス浄化装置４は液体窒素冷却トラップ
であり、モニタ装置６は熱伝導度検出型ガスクロマトグ
ラフィであり、検出する不純物はＣＦ4 である。このよ
うな閉ループ式ガス利用システムを構成することによ
り、エキシマレーザ等の不純物に敏感なガス利用装置を
安定に運転することが可能となる。

【００４８】なお、図１に示した閉ループガス浄化シス
テムは、エキシマレーザの他、種々の不純物に敏感なガ
ス利用装置に適用することができる。たとえば、深冷凝
縮法や深冷吸着法を用いたガス浄化システムに広く用い
ることができる。

【００４９】ＴＣＤガスクロマトグラフィにおいて、低
濃度ガスの分析精度を向上するには、分析対象ガスとキ
ャリアガスとの熱伝導率の差が大きいほど望ましい。Ｈ
₂ の検出にはキャリアガスとしてＮｅガスを用い、Ｋ
ｒ、Ｆ₂ 、ＣＦ₄ 等の分析にはキャリアガスにＨｅガス
を用いることが望ましい。

【００５０】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００５１】

【発明の効果】ガス利用装置とガス浄化装置とを閉ルー
プに接続し、ガスを浄化しつつ繰り返し使用するシステ
ムにおいて、ガス浄化装置の入口不純物濃度をモニタ
し、その時間変化を判別することによって比較的安価で
簡便な測定装置を用い、ガス浄化装置４の浄化能力を高
精度に判断することができる。

【００５２】このため、不純物ガス濃度に敏感なガス利
用装置を安定に長時間使用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す。図１（Ａ）はシステム
構成を示すブロック図、図１（Ｂ）は運転の原理を説明
するためのグラフである。

【図２】従来の技術を示すグラフである。図２（Ａ）
は、単独に使用した場合のエキシマレーザ装置のレーザ
出力の変化を示すグラフ、図２（Ｂ）、（Ｃ）は運転に
伴ってエキシマレーザ装置内に発生する不純物ガスの濃
度変化を示すグラフである。

【図３】本発明の理解を助けるための参考技術を示す。
図３（Ａ）はシステム構成を示すブロック図、図３
（Ｂ）は図３（Ａ）のシステムの運転を説明するための
グラフである。

【符号の説明】

２ ガス利用装置 ４ ガス浄化装置 ５ モニタ装置 ６ モニタ装置 ８ 記憶装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス利用装置で使用し、不純物が発生し
   たガスをガス浄化装置で不純物を除去して浄化し、再び
   ガス利用装置に供給して使用する閉ループガス浄化シス
   テムの性能評価方法であって、 ガス浄化装置の入口不純物濃度の時間変化をモニタする
   ことにより、ガス浄化装置の出口不純物濃度を堆定する
   閉ループガス浄化システムの性能評価方法。
2. 【請求項２】 前記ガス利用装置がエキシマレーザ装置
   であり、前記不純物がＣＦ4 を含み、前記ガス浄化装置
   が不純物吸着型浄化装置であり、前記ガス浄化装置の入
   口不純物濃度のモニタをガスクロマトグラフィで行う請
   求項１記載の閉ループガス浄化システムの性能評価方
   法。
3. 【請求項３】 ガス利用装置に接続され、ガス利用装置
   で使用し、不純物が発生したガスを受け、不純物を除去
   して浄化し再びガス利用装置に供給するための閉ループ
   ガス浄化装置と、 前記ガス浄化装置の入口不純物濃度をモニタする手段
   と、 モニタした入口不純物濃度の時間変化を記憶する手段と
   を有する閉ループガス浄化システムの性能評価装置。