KR20070035412A - 산소 농도 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 측정대상 가스 중에서 산소 센서를 열화시키는 물질을 측정 가스가 산소 센서에 도달하기 전에 제거하여, 산소 센서가 산소 센서를 열화시키는 물질이 포함되지 않는 상태에서 산소 농도 측정을 할 수 있는 산소 농도 측정장치를 제공한다.

본 발명의 산소 농도 측정장치는 흡인구7로부터 측정대상 가스를 흡인하는 흡인 펌프4와, 산소 농도를 측정하는 산소 센서3과, 산소 센서3의 상류에 위치하여 흡인 펌프4에서 반송되는 측정대상 가스로부터 산소 센서를 열화시키는 물질을 제거하여 산소 센서3에 측정대상 가스를 반송하는 제거 유닛2를 구비하고 있다.

Description

산소 농도 측정장치{OXYGEN ANALYZER}

도1은 본 발명의 산소 농도 측정장치의 하나의 실시예를 나타내는 블럭도이다.

도2는 제거 유닛의 축 방향의 단면도이다.

도3은 세라믹 관 내부의 온도 분포를 나타내는 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1. 측정부 2. 제거 유닛

3. 산소 센서 4. 흡인 펌프

5. 전압원 6. 제어 연산부

21. 세라믹 관 22. 히터

23. 울(wool) 모양의 백금 24. 과립(顆粒) 모양의 은(銀)

29. 석영 울(石英 wool)

본 발명은 솔더링 장치(soldering 裝置)나 반도체 제조장치 등에 있어서의 산소 농도의 감시(監視)나 제어에 사용되는 산소 농도 측정장치(酸素 濃度 測定裝置)에 관한 것이다.

솔더링 장치 등에 있어서 산소에 의한 솔더링의 산화(酸化)에 의하여 솔더링의 흡습성(吸濕性)이 저하되어 솔더링의 불량이 발생하는 경우가 있다. 그래서 일반적으로 상기 솔더링의 불량을 방지하는 목적에서, 솔더링의 주변 공기 중의 산소 농도를 솔더링에 영향이 없는 소정의 수치(예를 들면 100ppm) 내로 감시하여 제어하는 목적으로 산소 농도 측정장치가 사용되고 있다.

또한 반도체 제조장치 등에 있어서는, 반도체의 제조 과정에서 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)의 처리가 무산소의 상태에서 이루어지는 경우가 많다(예를 들면 CVD(chemical vapor deposition), 소성(燒成), 어닐(anneal) 등). 그러나 실리콘 웨이퍼의 처리에 가열 공정이 있으면 실리콘 웨이퍼 표면의 실리콘과 산소가 결합하기 쉬워져, 그 결과 산화 실리콘(SiO₂)이 된다. 이 산화 실리콘은 절연성이 있으며, 반도체의 제조에 있어서 불량품을 발생시키는 요인이 된다. 이처럼 실리콘 웨이퍼 처리 공정에 있어서 공기 중의 산소 농도가 반도체의 제조에 미치는 영향이 크기 때문에, 반도체의 제조에 영향이 미치지 않는 산소 농도 수치 내로 감시하여 제어하는 목적 으로 산소 농도 측정장치가 사용되고 있다.

상기의 산소 농도 측정장치는 산소 농도를 측정하는 산소 센서를 구비하고 있다. 산소 센서는 일반적으로 지르코니아(zirconia) 등, 고온에서 산소 이온 전도성(酸素 ion 傳導性)이 있는 소정 형상의 고체 전해질(固體 電解質)의 양면에 백금 전극(白金 電極)을 각각 구비하여, 그 일방 측의 백금 전극에 산소 농도가 일정한 기준 가스(보통은 대기(大氣))를 접촉시키는 동시에 타방 측의 백금 전극에는 산소 농도를 재고 싶은 측정대상 가스를 접촉시킴으로써, 산소 농도의 차이에 의거한 양쪽 전극 간의 기전력(起電力)을 측정하는 네른스트(Nernst)의 이론식을 사용하여 측정 가스 중의 산소 농도를 측정하는 것이다.

이러한 산소 센서의 경우에 백금 전극이 측정 가스 중에 포함되어 있는 불순물에 접촉하면 그 불순물이 백금 전극에 부착되어서 산소 분자(酸素 分子)의 이동, 즉 전자의 이동이 원활하게 이루어지지 않게 되어 단기적으로는 응답이 지연되는 현상이 발생하고, 최종적으로는 전자의 이동을 할 수 없게 되어 산소 센서로서의 기능을 잃게 된다. 그 때문에 백금 전극의 열화 방지(劣化 防止)대책으로 종래부터 여러 가지 제안이 제시되어 왔다.

예를 들면 특허문헌1에서는, Si 피독 방지용(Si 被毒 防止用) 산소 센서에서 배기가스에 노출되는 쪽에 전극을 피복하여 주기율표 IIa족 원소로 이루어지는 성분을 포함한 보호층을 구비하여, 이 보호층에 Si를 흡착 반응(吸着 反應)시키는 기술이 개시되어 있다. 또한 특허문헌2에는 산소 센서 내부의 전극부 상류 측에 열화 성분 흡수제(劣化 成分 吸收劑; 예를 들면 석영 울(石英 wool))를 충전하여 산소 센서를 보호하는 것이 개시되어 있다.

특허문헌1 : 일본국 공개특허공보 특개평2-222830호 공보

특허문헌2 : 일본국 공개특허공보 특개2002-22698호 공보

그러나 특허문헌1의 산소 센서에서 측정 전극에 대한 보호층은 용사(溶射:Thermal Spray) 특히 플라즈마 용사에 의하여 형성되지만, 가늘고 긴 관 모양 소자의 깊숙한 내주부에 측정 전극이 형성되는 경우 등에서는 용사가 매우 어렵다는 것이 문제가 되고 있다. 또한 특허문헌2의 산소 센서에서 석영 울 등의 열화 성분 흡수제는 그 흡수 속도가 느리기 때문에 다량의 흡수제가 필요하게 되므로, 측정 대상 가스가 산소 센서에 도달할 때까지의 시간이 길어져서 산소 센서의 응답이 지연되는 것이 문제가 되고 있다.

본 발명은 측정대상 가스 중의 산소 센서를 열화시키는 물질을 측정대상 가스가 산소 센서에 도달하기 전에 제거하여, 산소 센서가 산소 센서를 열화시키는 물질이 포함되지 않는 상태에서 산소 농도 측정을 할 수 있는 산소 농도 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본원 발명은 산소 농도 측정장치에 있어서, 산소 센서의 상류 측에 측정 대상 가스에 포함된 백금 전극을 열화시키는 물질을 제거하는 제거 유닛(除去 unit)을 설치하는 것을 특징으로 하고 있고, 상기 제거 유닛은 세라믹 관(ceramics 管)으로 이루어져 그 내부에 촉매를 충전하고 외주면에 히터를 장착하여 제거 유닛을 가열하게 되어 있다.

상기 촉매는 울 모양의 백금 및 과립(顆粒) 모양의 은(銀)이며, 울 모양의 백금을 상기 세라믹 관의 중앙부에, 과립 모양의 은을 그 울 모양의 백금의 양측에 각각 충전함과 아울러 제거 유닛의 가열에 의하여 제거 유닛의 세라믹 관 내부의 중앙 부분을 750℃ 이상으로 하고, 그 부분에서 양측 방향으로 500℃ 이하의 온도 분포가 발생하도록 온도제어가 된다.

또한 제거 유닛에 상기 온도 분포가 발생하여 제거 유닛이 가동 가능한 상태에 도달할 때까지의 제거 유닛의 승온(昇溫) 시간이 상기 산소 센서의 온도가 산소 센서가 측정 가능한 온도에 도달할 때까지의 승온 시간보다 짧아지도록 제어된다.

또한 측정대상 가스를 흡인하는 흡인 펌프를 구비하고 상기 제거 유닛 및 산소 센서가 가동된 후의 소정의 시간 후에, 측정대상 가스를 흡인하여 상기 제거 유닛 내로 반송하도록 하거나 측정대상 가스의 유로(流路)에 그 유로를 개폐하는 전자식 개폐 밸브를 구비하고, 상기 제거 유닛 및 산소 센서가 가동된 후의 소정의 시간 후에 상기 전자식 개폐 밸브를 개방하여 상기 측정대상 가스를 상기 제거 유닛 내로 반송하도록 할 수도 있 다.

(실시예)

도1은 본 발명의 산소 농도 측정장치의 한 실시예를 나타내는 블럭도로서 이 산소 농도 측정장치에는 측정부1이 설치되어 있다.

이 측정부1은 흡인구7로부터 측정대상 가스의 불순물(dust)을 제거하는 필터8을 통하여 측정대상 가스를 흡인하는 흡인 펌프4와, 산소 농도를 측정하는 개체 전해질 산소 센서(個體 電解質 酸素 sensor)(이하, 산소 센서)3과, 산소 센서3의 상류에 위치하여 흡인 펌프4로부터 반송된 측정대상 가스에서 산소 센서를 열화시키는 물질을 제거하여 산소 센서3에 측정대상 가스를 반송하는 제거 유닛2를 구비하고 있다.

그리고 산소 센서3에서 산소 농도가 측정된 후의 측정대상 가스의 유량을 측정하는 유량계9와, 유량계9를 통과한 측정대상 가스를 측정부1의 외부로 배출하는 가스 배출구12가 설치되어 있다. 또한 제거 유닛2로 반송되는 측정대상 가스의 유량이 소정의 유량이 되도록, 흡인 펌프4와 제거 유닛2의 사이에 설치된 바이패스(bypass) 경로의 유량 조절 밸브10에 의하여 조절된다. 이 조절 때문에 일부 가스가 바이패스 배출구11에서 배출된다.

또한 측정부1에는 제거 유닛2를 가동시키기 위한 전압원5와, 제거 유닛2, 산소 센서3 및 흡인 펌프4의 가동 제어나 산소 센서3으로부터의 산소 농도 신호를 연산(演算) 처리하는 제어 연산부6이 접속되어 있다.

본 발명의 산소 농도 측정장치에 사용되는 산소 센서3은 고체 전해질 의 양면에 백금 전극이 설치된, 이미 널리 알려진 것으로써, 고온(약700℃)에서 기준 가스(대기)와 측정대상 가스에 있어서 산소 이온 전도가 이루어질 때의 산소 농도의 차이에 의거하여 양쪽 전극 사이에 발생하는 기전력을 이용하여 산소 농도를 측정하는 것이지만, 종래와 같이 상기 백금 전극의 열화 방지 대책으로 용사에 의한 보호층을 형성하거나, 열화 성분 흡수제를 충전하거나 할 필요는 없다. 왜냐하면 산소 센서3으로 반송되는 측정대상 가스에는 이미 산소 센서3의 상류에 위치한 제거 유닛2에 의하여 상기 백금 전극을 열화시키는 물질이 제거되어 있기 때문이다.

그런데 산소 센서에 있어서 백금 전극을 열화시키는 물질로는, 솔더링 장치 등에 사용되는 플럭스(flux)에 많이 사용되는 염소나 반도체 제조장치 등의 챔버(chamber) 내에 사용되는 실리콘 실 제(Seal 劑)에 많이 사용되는 유기 실리콘 등이 대표적인 것이다.

염소에 있어서는, 고온에서 백금과 화학반응을 일으켜서 염화 백금산(鹽化 白金酸) 등을 형성하고 백금 전극으로서의 기능을 잃게 된다. 또한 유기 실리콘에 있어서는 고온에서 산소와 결합하여 SiO₂ 막을 전극 표면에 형성하여 산소 투과(酸素 透過)를 방해하게 된다.

다음으로 본 발명의 산소 농도 측정장치에 사용되는 제거 유닛2에 대하여 설명한다. 도2는 이 제거 유닛2의 축 방향의 단면도이다.

제거 유닛2는 세라믹 관21의 양단부가 각각 지지 블록30, 31에 삽입 되어서 고정되고, 지지 블록30, 31이 각각 베이스32에 부착되어서 일체로 되어 있다. 그리고 지지 블록30에 세라믹 관21의 내경부(內徑部)와 연직 방향으로 연통하여 가스 입구25가 형성되고, 지지 블록31에도 세라믹 관21의 내경부와 연직 방향으로 연통하여 가스 출구26이 형성되어서 가스가 출입할 수 있도록 되어 있다.

세라믹 관21의 외주면에는 가열을 위한 히터22가 장착되어 전압원5에 접속되어 있다. 이 때 지지 블록30, 31 측에 세라믹 관21의 축방향 외주면에 적당한 거리로 히터가 없는 부분을 형성하는 것이 필요하다. 또 히터22는 세라믹 관21의 외주면에 백금선을 감은 것이며, 이 히터22는 정전압 구동(定電壓 驅動)으로 백금선의 내부 저항과 온도 포화(溫度 飽和)에 의하여 최고 온도점이 800∼900℃에 도달하도록 백금을 감는 횟수가 조절된다. 또한 히터22의 외주면에는 단열 효과를 얻기 위하여 단열재28이 장착된다. 이 단열재28은 부직포 모양의 세라믹 파이버(fiber)를 여러 번 감은 것이다. 또 본 발명의 산소 농도 측정장치에 사용되는 산소 센서의 히터도 이 히터와 대략 동일한 것을 사용한다.

지지 블록30, 31에는 세라믹 관21의 축방향으로 세라믹 관21의 내경부와 연통하여 관통구멍이 형성되어 있고, O링 등의 실 재(seal 材)33을 통하여 뚜껑27이 착탈이 자유롭게 지지 블록30, 31에 부착되어 있다.

그리고 뚜껑27을 떼어내서 세라믹 관21의 내부 중앙부의 비어있는 영역에 촉매로서 울 모양의 백금23이 충전되고, 그 양측의 비어있는 영역에 과립 모양의 은24가 충전된다. 그리고 세라믹 관21의 양단부 내부에 석영 울29가 가득 채워져서 상기 촉매의 세라믹 관 내에서의 이동을 방지하도록 하고 있다. 제거 유닛2의 가동 시에 뚜껑27이 부착되는 것은 말할 나위도 없다.

또 상기 촉매인 울 모양의 백금23과 과립 모양의 은24는 소모품으로서, 교환 시기라고 판단되면 뚜껑27 측으로부터 다시 교환하여 채워 넣는 것이 가능하다

제거 유닛2를 가동시키기 위한 가열은 전압원5에서 히터22로의 전력공급에 의하여 이루어지고, 세라믹 관21의 중앙부가 약 900℃에 도달한 시점에서 도3에 보이는 바와 같은 온도 분포가 발생한다. 이것은 전술한 바와 같이 세라믹 관21의 양측에 히터22가 없는 부분을 설치하고 있기 때문에 발생하는 것이다.

구체적으로는 세라믹 관21에 L1, L2(양쪽 두 곳)의 3개의 범위를 설정하여, L1에 대해서는 약 500∼ 약 900℃의 범위, L2에 대해서는 약 250∼500℃의 범위로 하고 있다. 따라서 세라믹 관21 내부에 충전되는 촉매를 이 3개의 범위가 되도록 배치한다. 결국 L1부에는 울 모양의 백금이, L2부에는 각각 과립 모양의 은24가 충전된다.

이로 인하여 주지된 바와 같이 염소는 400℃ 부근에서 은과 결합하기 쉬운 특성을 가지는 것이고, 유기 실리콘에 관해서도 주지된 바와 같이 600℃ 이상에서 백금에 부착되는 특성을 갖기 때문에 L1, L2의 온도 범위 내에서 2종류의 물질이 효율적으로 확실하게 제거된다.

다음으로 본 발명의 산소 농도 측정장치에서 측정대상 가스로부터 산소 센서를 열화시키는 물질을 제거하는 작용에 대하여 설명한다.

산소 농도 측정장치의 전원이 켜지면 제어 연산부6이 가동되고, 전압원5에서 제거 유닛2의 히터22로 전력이 공급되어서 제거 유닛2의 가열이 시작된다. 동시에 산소 센서3에도 전력이 공급되어서 산소 센서3의 가열도 시작된다. 이 때 제거 유닛2가 가동이 가능한 온도 900℃에 도달할 때까지의 승온 시간이, 산소 센서3이 산소 농도가 측정 가능한 온도 700℃에 도달할 때까지의 승온 시간보다 짧아지도록 제어 연산부6에 프로그래밍 되어 있다. 이 때문에 측정대상 가스가, 제거해야 할 물질이 완전하게 제거되지 않고 산소 센서3으로 반송되는 일은 없다.

그리고 제거 유닛2와 산소 센서3 모두 소정의 온도에 도달하고, 제거 유닛2에 상기의 온도 분포가 발생한 후의 소정의 시간 후에, 흡인 펌프4가 측정대상 가스를 흡인구7에서 그 가스의 불순물을 제거하는 필터8을 통하여 흡인하고, 제거 유닛2에 가스 입구25로부터 반송한다. 이 제거 유닛2와 산소 센서3이 가동된 후의 소정의 시간 후에 흡인 펌프4가 가동되는 제어는, 제거 유닛2의 온도분포 범위L1, L2부에 구비한 온도 감지기(도면에는 나타내지 않는다)의 감지 온도 및 산소 센서 내의 열전대(熱電對)(도면에는 나타내지 않는다)에 의한 내부 온도가 제어 연산부6으로 피드백 되는 것에 의하여 이루어지고, 흡인 펌프4가 가동될 때까지의 시간은 적절하게 설정한다.

측정대상 가스의 제거 유닛2 및 산소 센서3으로의 유입수단에 대해서는, 측정대상 가스의 유로(流路)를 압송(押送) 유로로 하고 흡인 펌프4 대신에 전자식 개폐 밸브(도면에는 나타내지 않는다)를 구비하고, 그 개폐를 통하여 하는 것도 가능하다. 상기 전자식 개폐 밸브의 제어는 흡인 펌프의 경우와 마찬가지로 하면 좋다.

제거 유닛2에 반송된 측정대상 가스에서는, 제거 유닛2의 온도 분포 범위 내에서 제거해야 할 물질이 제거된다. 즉, 측정대상 가스 내의 염소는 온도 분포 범위 L2부에서, 유기 실리콘이 온도 분포 범위 L1부에서 각각 제거된다.

염소, 유기 실리콘이 제거된 측정대상 가스는 제거 유닛2의 가스 출구26에서 산소 센서3으로 반송되어 산소 농도가 측정되고, 측정된 산소 농도는 전기 신호로 제어 연산부6에 송신되어서 제어 연산부6에서 산소 농도 표시가 이루어지거나 별도의 통신 수단으로 외부에 산소 농도 정보로서 전해진다.

산소 농도가 측정된 후의 측정대상 가스는 유량계9를 통과하여 가스 배출구12에서 측정부1의 외부로 배출된다.

상기의 제거 유닛2에 의하여 제거해야 할 물질의 제거를 효율적으로 하기 위해서는, 실험상 제거 유닛2의 세라믹 관21의 내경 치수를 4mm로 하고, 세라믹 관21 내 및 산소 센서3 내를 통과하는 측정대상 가스의 유량을 100mL/min 이하로 하고, 유속을 150mm/sec 이하로 하는 것이 바람직하다. 또 유량의 조절은 흡인 펌프4와 제거 유닛2 사이의 바이패스(bypass) 경로 의 유량 조정 밸브10을 통하여 한다.

측정대상 가스의 유량을 100mL/min 이상으로 하기 위해서는 세라믹 관21의 내경 치수를 4mm 이상으로 하면 좋지만, 유속은 150mm/sec 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 제거 유닛2에서는 충전하는 촉매를 바꾸는 것으로 다른 물질을 제거할 수도 있다. 예를 들면 석영 울이나 세라믹 파이버를 충전함으로써 유기 용제(有機 溶劑)를 연소시켜 산소 센서에 유기 용제가 침투하는 것을 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 제거 유닛2의 독립화, 즉 산소 농도 측정장치에 포함된 형태가 아니라, 단독으로 가동되는 장치로 조립하면 산소 센서 단위로 사용을 할 수 있고, 제거 유닛으로서의 제품화가 예상된다.

본 발명의 산소 농도 측정장치에 의하면 측정대상 가스에 포함되어 있는, 산소 센서를 열화시키는 물질이 산소 센서의 상류 측에 설치된 제거 유닛에 의하여 제거되기 때문에 산소 센서를 열화시키는 물질이 산소 센서에 흡인되는 일이 없어, 산소 센서 자체에 열화 방지 대책을 실시할 필요가 없다. 그 결과 산소 센서의 측정 감도(測定 感度), 응답성 등이 현저하게 향상되는 동시에 산소 센서의 수명도 길어지게 되었다.

또한 제거 유닛의 가열에 의하여 제거 유닛에 온도분포를 생기게 함으로써, 산소 센서를 열화시키는 대표적인 물질인 염소 및 유기 실리콘 등은 각각의 제거 유닛 내의 촉매와의 반응 온도 정도로 반응하므로, 반응 온도가 서로 다른 물질에서도 확실하게 제거할 수 있다.

또한 제거 유닛 및 산소 센서가 가동된 후의 소정의 시간 후에, 측정대상 가스를 제거 유닛 내로 반송하도록 하고 있기 때문에 제거 유닛 내로 반송되는 측정대상 가스로부터 확실하게 산소 센서를 열화시키는 물질이 제거된다.

Claims (6)

1. 산소 이온(酸素 ion) 전도(傳導)에 의하여 발생하는 기전력(起電力)을 추출하는 백금 전극(白金電極)을 구비하여 측정대상 가스의 산소 농도를 측정하는 고체 전해질 산소 센서(이하, 산소 센서라고 한다)를 구비하는 산소 농도 측정장치에 있어서,

   상기 산소 센서의 상류 측에, 상기 측정대상 가스에 포함되어 상기 백금 전극을 열화시키는 물질을 제거하는 제거 유닛을 설치한 것을 특징으로 하는 산소 농도 측정장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제거 유닛은 세라믹 관으로 이루어져 있고, 그 내부에 촉매(觸媒)를 충전(充塡)하고, 외주면에 히터를 장착하여 제거 유닛을 가열하는 것을 특징으로 하는 산소 농도 측정장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 촉매가 울(wool) 모양의 백금 및 과립(顆粒) 모양의 은(銀)이고,

   울 모양의 백금을 상기 세라믹 관의 중앙부에, 과립 모양의 은을 그 울 모양의 백금의 양측에 각각 충전하고,

   상기 제거 유닛의 가열에 의하여 제거 유닛의 세라믹 관 내부의 중앙부분을 750℃ 이상으로 하고 그 부분으로부터 양측방향으로 500℃ 이하의 온도분포가 발생하도록 온도제어 하는 것을 특징으로 하는 산소 농도 측정장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 제거 유닛에 상기 온도분포가 발생하여 제거 유닛이 가동 가능한 상태에 도달할 때까지의 제거 유닛에 대한 승온 시간이, 상기 산소 센서의 온도가 산소 센서가 측정 가능한 온도에 도달할 때까지의 승온 시간보다 짧아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 산소 농도 측정장치.
5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,

   측정대상 가스를 흡인하는 흡인 펌프를 구비하고,

   상기 제거 유닛 및 산소 센서가 가동된 후의 소정의 시간 후에 측정대상 가스를 흡인하여 상기 제거 유닛 내로 반송하도록 하는 것을 특징으로 하는 산소 농도 측정장치.
6. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,

   측정대상 가스가 압송(押送)되는 유로에 그 유로의 개폐를 하는 전자식 개폐 밸브를 구비하고,

   상기 제거 유닛 및 산소 센서가 가동된 후의 소정의 시간 후에 상기 전자식 개폐 밸브를 개방하여 측정대상 가스를 상기 제거 유닛 내로 반송하도록 하는 것을 특징으로 하는 산소 농도 측정장치.

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