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JP-2026076859-A - 濃度測定装置

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Abstract

【課題】過酸化水素ガスの濃度を正確に測定する。 【解決手段】透過窓が設けられた測定セルと、ガスの温度を測定し、第１の電気信号を作成する第１のセンサと、ガスの圧力を測定し、第２の電気信号を作成する第２のセンサと、透過窓からガスに向けて入射する予め決められた波長を有する光の光量を第４の電気信号に変換する第１の受光素子と、透過窓から出射するガスを透過した光の光量を受け取り、第５の電気信号に変換する第２の受光素子と、第１の電気信号、第２の電気信号、第４の電気信号、および第５の電気信号に基づいて、ガスの濃度を算出する演算部とを備える。 【選択図】図１

Inventors

  • 佐藤 義雄
  • 廣谷 康弘
  • 豊田 和之
  • 田中 俊博

Assignees

  • 荏原実業株式会社

Dates

Publication Date
20260512
Application Date
20241024

Claims (11)

  1. 過酸化水素ガスの濃度を測定するための濃度測定装置であって、 前記過酸化水素ガスが流通する測定セルと、 前記過酸化水素ガスの温度を測定して第１の電気信号を作成する第１のセンサと、 前記過酸化水素ガスの圧力を測定して第２の電気信号を作成する第２のセンサと、 前記測定セルを包含する恒温ブロックであって、 前記恒温ブロックの温度を測定して第３の電気信号を作成する第３のセンサ、および 前記恒温ブロックを加温する加温器 を有する、恒温ブロックと、 前記恒温ブロックを包含する断熱材と、 前記過酸化水素ガスの濃度を測定するための波長を発光する光源と、 前記光源が発した光量を第４の電気信号に変換する第１の受光素子と、 前記測定セルの中を流通する前記過酸化水素ガスを透過した光量を第５の電気信号に変換する第２の受光素子と、 前記光源が発した光を、前記第１の受光素子に向かう光と前記第２の受光素子に向かう光とに分岐させる分配器と、 前記断熱材の外側に設けられた組み込みシステムであって、 前記第３の電気信号に基づいて前記加温器を制御する制御部と、 前記第１の電気信号、前記第２の電気信号、前記第４の電気信号、および前記第５の電気信号に基づいて前記過酸化水素ガスの濃度を算出する演算部と を含む、組み込みシステムと を備えたことを特徴とする濃度測定装置。
  2. 前記測定セルは、透過窓を含むことを特徴とする請求項１に記載の濃度測定装置。
  3. 前記濃度測定装置の内部を換気するための吸気口および排気口を有する筐体をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の濃度測定装置。
  4. 前記制御部は、前記測定セルの中の前記過酸化水素ガスの温度を一定に保つように前記加温器を制御することを特徴とする請求項１に記載の濃度測定装置。
  5. 前記温度は、９０℃以上２００℃以下であることを特徴とする請求項４に記載の濃度測定装置。
  6. 過酸化水素ガスの濃度を測定するための測定セルであって、 前記測定セルに前記過酸化水素ガスを流入させるための測定ガス流路、 前記測定セルに光が入射する第１の透過窓、 光路長を決定するセルスペーサ、および 前記測定セルの中に流入した前記過酸化水素ガスにより吸光されなかった光が出射する第２の透過窓 を収納する第１のセルブロックと、 前記第１の透過窓、前記セルスペーサ、および前記第２の透過窓を前記第１のセルブロックと挟み込む第２のセルブロックと、 前記第１の透過窓と前記第２のセルブロックとの間に配置される第１のＯリングと、 前記第２の透過窓と前記第１のセルブロックとの間に配置される第２のＯリングと を備えたことを特徴とする測定セル。
  7. 前記第１のセルブロックと前記第２のセルブロックと挟み込むように配置される第１の固定板および第２の固定板と、 前記第１の固定板と前記第２の固定板との間の距離を一定にするように、前記第１の固定板と前記第２の固定板との間に配置されるギャップスペーサと、 前記第１の固定板および前記第２の固定板を固定する固定ねじと をさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載の測定セル。
  8. ガスの濃度を測定するための濃度測定装置であって、 前記ガスが流通し、透過窓が設けられた測定セルと、 前記ガスの温度を測定して第１の電気信号を作成する第１のセンサと、 前記ガスの圧力を測定して第２の電気信号を作成する第２のセンサと、 前記透過窓から前記ガスに向けて入射する光量を第４の電気信号に変換する第１の受光素子と、 前記ガスを透過し前記透過窓から出射する光量を第５の電気信号に変換する第２の受光素子と、 前記第１の電気信号、前記第２の電気信号、前記第４の電気信号、および前記第５の電気信号に基づいて、ランバート・ベールの法則に従って前記ガスの濃度を算出する組み込みシステムと を備えたことを特徴とする濃度測定装置。
  9. 前記測定セルおよび前記透過窓を加熱し前記ガスを予め決められた温度に保つ加温器をさらに備えたことを特徴とする請求項８に記載の濃度測定装置。
  10. 前記測定セルおよび前記加温器を含む保温領域と、前記保温領域に隣接する冷却領域との間の熱の出入りをさえぎる断熱材をさらに備えたことを特徴とする請求項９に記載の濃度測定装置。
  11. 筐体をさらに備え、 前記筐体および前記断熱材により前記保温領域および前記冷却領域が生じ、 前記筐体の内側の前記冷却領域を生成する吸気口および排気口をさらに備えたことを特徴とする請求項１０に記載の濃度測定装置。

Description

本発明は、濃度測定装置に関し、より詳細には、過酸化水素ガスの濃度を正確に測定するための過酸化水素ガスの濃度測定装置に関する。 はじめに、過酸化水素利用の背景を説明する。高温、高湿加熱蒸気滅菌の使用できない一般工業分野、医療分野において常温または低温滅菌処理として過酸化水素ガスが使用されている。滅菌処理分野において、過酸化水素ガスによる滅菌処理は取り扱いが容易なこと、水に容易に溶解可能であること、分解すると無毒の酸素と水になることなどの利点がある。しかしながら、過酸化水素ガスは対象物表面で凝縮することにより対象物を腐食させる可能性がある。また、過酸化水素ガスは反応性が高く不安定であるために滅菌処理室内において濃度が不均一になり滅菌効果が不十分になる場合がある。 半導体製造分野において、半導体デバイスの生産過程でデバイスの性能を左右する絶縁酸化膜の成膜等のプロセスで利用される酸化剤の濃度管理は非常に重要である。過酸化水素ガスは、酸化剤として利用する場合、酸化力が高く酸化剤としてメリットがあるものの反応性が高いが故、過酸化水素ガスの発生源からの成膜装置までの供給配管内における過酸化水素ガス濃度の減衰が問題になる。特に、生産量を確保するために１台の過酸化水素発生装置から複数台の成膜装置まで過酸化水素ガスを供給する際には、物理的な配置制約からそれぞれ供給配管長が異なることがあり、過酸化水素ガスが成膜装置に到達するまでに分解されて各成膜装置ユースポイントにおいて過酸化水素ガスの濃度にばらつきが出るなどの問題があった。そのため、各成膜装置の直近のユースポイントで濃度管理をしたいという要望がある。 次に、濃度管理の重要性を説明する。過酸化水素は常温常圧の条件で液体として存在する。過酸化水素は、ガスとして利用するためには、加熱条件で生成および搬送する必要がある。しかしながら、過酸化水素ガスは、上述したように酸化力が高く反応性が高いが故、不安定であり、その温度が上昇し過ぎると分解されてしまうことが問題になる。そのため、過酸化水素ガスを利用するにあたっては温度管理、濃度測定が非常に重要である。 過酸化水素ガス濃度を測定するための従来技術を説明する、温度１００～２００℃、濃度５，０００～２０，０００ｐｐｍの過酸化水素ガス流体における過酸化水素ガス濃度を測定するために、過酸化水素ガスの搬送パイプから分岐するサンプリング経路と、サンプリング経路内の搬送パイプ側の直近に配置された過酸化水素分解触媒層を収納した触媒ケースと、触媒ケースのガス入口側及び出口側に配設されたガス温度測定器と、ガス入口側及び出口側の温度差から過酸化水素ガス濃度を算出する演算装置と、を備えた測定装置が知られている（例えば、特許文献１（第５－７頁）参照）。 また、一定の収容領域内における過酸化水素蒸気またはガスの濃度を決定するために、収容領域を減圧排気する工程と、過酸化水素を収容領域内に導入して試料を形成する工程と、試料の吸光度を２００ナノメートルから４００ナノメートルの間の波長において測定する工程と、吸光度によって試料における過酸化水素蒸気またはガスの濃度を決定する工程と、から成る濃度決定方法が知られている（例えば、特許文献２（第３－４頁）参照）。 特許文献１、２では、過酸化水素の触媒との反応熱から過酸化水素ガス濃度を測定する方式や、２００ナノメートルから４００ナノメートルの間の波長の吸光度から過酸化水素ガス濃度を測定する方式を採用していた。 特開２０１４－０２０８２６号公報特開平１１－２３０８９９号公報 本発明の一態様に係る濃度測定装置を説明する概要図である。本発明の一態様に係る断熱材に覆われた恒温ブロックの正面図である（前面の断熱材は図示していない）。本発明の一態様に係る測定セルの側面図である。従来型測定セルの断面を説明する概要図である。本発明の一態様に係る測定セルの断面を説明する概要図である。本発明の一態様に係る測定セルの断面を説明する概要図である。本発明の一態様に係る濃度測定装置の処理のフローチャートである。 以下、図面を参照しながら本発明の態様について半導体製造分野での利用を例に詳細に説明する。図面において、同一の符号は、同一の要素を表す。 本発明の濃度測定装置は、過酸化水素ガスが紫外線を吸収するという特性を利用して、測定セルにおいて過酸化水素ガスが紫外線を吸収する割合からランバート ベールの法則により濃度を測定する。 特に過酸化水素ガスの測定については、過酸化水素ガスが凝縮しないように高温（例えば９０℃から２００℃の間、例えば１２０℃など）に維持する必要があり、測定セルの高温化を行う。また、本発明の濃度測定装置の内部で高温の測定セル部と半導体部品で形成される濃度演算回路とが共存するため、半導体回路に対して熱的に絶縁する必要があり、電子回路の熱の分離および断熱を行う。さらに、測定環境の雰囲気がプロセスによって異なり温度または圧力が変化するため、標準状態における過酸化水素濃度表示を行うには圧力および温度の補正の必要があり、標準状態おける濃度表示を行う。 測定セルの高温での恒温化については、測定セルを熱伝導性の材料（例えば、アルミニウムなど）により覆って恒温ブロックを形成しヒーターで加熱し、制御用の温度センサによりフィードバック制御を行う。 電子回路の熱の分離および断熱について説明する。紫外線光源、入射光検出器、透過光検出器アンプ回路、制御部、および演算部等は半導体部品で構成され、汎用部品の上限温度は８０℃程度である。そのために紫外線の吸収を測定するための光は透過させ、高温になる恒温ブロックからの熱伝導と輻射による熱伝導とを防ぐ必要がある。その対策として、光の透過路を除いて恒温ブロックの外周全面に断熱材を施し恒温ブロックの保温と外部への熱伝達の防止とを行う構造とした。さらに、筐体の上部に排気口を設け、下部に恒温ブロックを囲う断熱材の周囲に沿って空気が通気する吸気口を設けて空気の滞留を防ぎ高温部分からの熱伝導を遮断するための空気の熱絶縁層を設ける。なお、排気口には、換気ファンを設けても良い。 標準状態おける濃度表示について説明する。過酸化水素ガスの測定環境の雰囲気がプロセスによって異なるために過酸化水素ガスの温度または圧力が変化しても常に標準状態における過酸化水素濃度表示を行うように、測定ガス流路中の配管の過酸化水素ガスの圧力および温度の測定を行えるように、補正用の温度センサ、圧力センサを設け、ランバート ベールの法則により圧力および温度補正を行うことで常に、０℃、１気圧の標準状態における過酸化濃度表示を行う。標準状態はあくまでも一例であり、変化した温度または圧力と比較するための状態は、必ずしも標準状態でなくても良く、他の温度または圧力であっても変化した温度または圧力と比較可能な同一条件下の状態であればよい。 図１は、本発明の一態様に係る濃度測定装置を説明する概要図である。説明の目的のために、本発明の一態様に係る濃度測定装置１００は、例えば、過酸化水素ガスを発生する過酸化水素ガス供給装置（図示せず）と、例えば、発生させた過酸化水素ガスを使用する半導体製造装置（図示せず）との間に位置する。濃度測定装置１００は、過酸化水素ガスの吸光度を測定し、測定した吸光度にランバート・ベールの法則を適用して、過酸化水素ガス濃度を連続的に測定する。 濃度測定装置１００は、濃度測定装置１００の内部に取り付けられた測定セル１０１を有する。測定セル１０１は、測定セル１０１の内部を流れる過酸化水素ガスの吸光度を測定するために使用される。濃度測定装置１００は、測定セル１０１に取り付けられ、濃度測定装置１００の外部の過酸化水素ガス供給装置（図示せず）からの過酸化水素ガスを測定セル１０１に流入させるための測定ガス流路１０２ａを有する。また、濃度測定装置１００は、測定セル１０１に取り付けられ、測定ガス流路１０２ａから流入させた過酸化水素ガスを濃度測定装置１００の外部の半導体製造装置（図示せず）へ流出させるための測定ガス流路１０２ｂを有する。濃度測定装置１００は、測定セル１０１、測定ガス流路１０２ａ、または１０２ｂのいずれかに取り付けられ、測定セル１０１、測定ガス流路１０２ａ、および１０２ｂを流れる過酸化水素ガスの温度を測定する温度センサ１０３（第１のセンサともいう）を有する。濃度測定装置１００は、測定セル１０１、測定ガス流路１０２ａ、または１０２ｂのいずれかに取り付けられ、測定セル１０１、測定ガス流路１０２ａ、および１０２ｂを流れる過酸化水素ガスの圧力を測定する圧力センサ１０４（第２のセンサともいう）を有する。 なお、温度センサ１０３は、図１において、測定ガス流路１０２ａに取り付けられているが、温度センサ１０３の代替としての温度センサ１０３１が、次に説明する恒温ブロック１０５に取り付けられてもよい。また、圧力センサ１０４は、図１において、測定ガス流路１０２ａに取り付けられているが、圧力センサ１０４の代替としての圧力センサ１０４１または圧力センサ１０４２が、過酸化水素ガス供給装置（図示せず）から濃度測定装置１００までの配管または濃度測定装置１００から半導体製造装置（図示せず）までの配管に取り付けられてもよい。温度センサ１０３および圧力センサ１０４の位置は、図１に示される位置に限定されない。 濃度測定装置１００は、濃度測定装置１００の内部において、測定セル１０１を包含し、測定セル１０１の温度を一定に保つ恒温ブロック１０５を有する。濃度測定装置１００は、濃度測定装置１００の内部において恒温ブロック１０５の外側に取り付けられ、恒温ブロック１０５の温度を測定する温度センサ１０６（第３のセンサともいう）を有する。濃度測定装置１００は、濃度測定装置１００の内部において恒温ブロック１０５の外側に取り付けられ、測定セル１０１の内部を通る過酸化水素ガスの温度を一定に保つように加熱するヒーター１０７（加温器ともいう）を有する。温度センサ１０６およびヒーター１０７の位置は、恒温ブロックを加熱しその温度を測定するために恒温ブロックに直接取り付けるものであり、恒温ブロックを加熱しその温度を測定するために恒温ブロックに直接取り付けられていれば良く、図１に示した温度センサ１０６およびヒーター１０７位置とは異なることもある。 濃度測定装置１００は、濃度測定装置１００の内部においてヒーター１０７を含んで恒温ブロック１０５全体を覆うように取り付けられ、恒温ブロック１０５からの放熱を遮り測定セル１０１内部を保温する断熱材１０８を有する。断熱材１０８は、ヒーター１０７の熱が周辺の電子回路に伝達するのを防ぐ。 濃度測定装置１００は、濃度測定装置１００の内部に取り付けられ、過酸化水素ガスの吸光度を測定するために必要な波長の光を発する光源ランプ１０９（光源ともいう）を有する。濃度測定装置１００は、測定セル１０１に取り付けられ、光源ランプが発した光を透過し、測定セル１０１に入射させる透過窓１１０ａを有する。また、濃度測定装置１００は、測定セル１０１に取り付けられ、過酸化水素ガスを透過した光を測定セル１０１から出射させる透過窓１１０ｂを有する。なお、測定セル１０１自体が、例えばガラスなど、過酸化水素の吸収帯の波長の光を透過する材料により構成されていれば、必ずしも透過窓１１０ａ、１１０ｂは必要ではない。濃度測定装置１００は、濃度測定装置１００の内部に取り付けられ、光源ランプ１０９が発した光の一部を反射し一部を透過する光分配器１１３（分配器ともいう）を有する。濃度測定装置１００は、濃度測定装置１００の内部に取り付けられ、光分配器１１３が反射した光を電気信号（第４の電気信号ともいう）に変換する受光素子１１１（第１の受光素子ともいう）と、濃度測定装置１００の内部に取り付けられ、光分配器１１３を透過し、測定ガス流路１０２ａから流入している過酸化水素ガスを透過し