JP4119003B2

JP4119003B2 - ガス分析装置及び方法

Info

Publication number: JP4119003B2
Application number: JP09797198A
Authority: JP
Inventors: 明西名; 勉菊地; 田中　　誠; 秀俊吉田; 哲也君島
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 1998-04-09
Filing date: 1998-04-09
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2018-04-09
Also published as: EP0995988A1; KR100364102B1; JPH11295270A; KR20010013555A; US6324892B1; WO1999053307A1; TW405039B

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス分析装置に関し、詳しくは、複数のガスを取扱う工場等の現場で、ガスの監視分析を連続的に、安全に、かつ、精確に行うためのガス分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体産業では、使用するガスの高純度化が求められてきており、それと同時に、ラボレベルではなく、現地での高感度監視分析技術が強く求められてきている。また、ガスの保証レベルも、サブｐｐｍレベルから１０〜１桁ｐｐｂと高感度を求められてきており、従来のガスクロマトグラフによる分析から、高感度の質量分析計やガスクロマトグラフ質量分析計を使用した分析に代わりつつある。特に、質量分析計の中でも、イオン化を大気圧で行うことにより、高感度測定が可能な大気圧イオン化質量分析計が近年急速に用いられるようになっている。
【０００３】
しかし、質量分析計やガスクロマトグラフ質量分析計は、高価であるため、現地で連続監視するためにガス種毎に複数台設置していては、莫大な費用がかかる。さらに省スペース化の観点からも複数の分析計の設置は好ましくないことから、１台の分析計で複数のガスを分析しようとするマルチガス分析システムが求められている。
【０００４】
マルチガス分析システムとは、本体の分析装置は１台で、その前にガスの切換装置を設置することにより、ガスを切換えて分析装置に導入し、１種類のガスの分析が終了したら、弁の切換によって次の目的とするガス種に切換え、測定を行うものである。切換えるため、各ガスの連続分析はできなくなるが、切換えを短い間隔で繰返すことにより、実質的な連続分析も可能となる。その結果、１台の分析装置本体で複数のガス種が分析でき、装置コスト及び分析計の設置面積を減らすことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、マルチガス分析システムは、多くの利点を有するものの、その半面、ガス種毎に専用機を設置して分析する場合に比べて、前段のガス切換装置に様々なガスを流すことになるため、ガスの混合による汚染が発生し易くなる。特に、複数の試料ガスを任意の間隔で頻繁に切換えるため、使用する弁の破損や消耗による外部及び弁座の破損により、内部へのリークが起こり易く汚染の原因となる。例えば、内部リークを起こしたガスの種類によっては、その混入により、外部リークと同様に、実際に測定しているガスの不純物の測定値に悪影響を及ぼし、精確な分析ができない。外部リークも、空気の混入によって配管内の汚染を招くとともに、分析上誤差を生じる。
【０００６】
しかしながら、さらに留意すべきことは、これらのリークが、反応性が高いガスを分析する際に発生すると、事故を招くおそれがあり、保安上、絶対に避けなければならないということである。例えば、外部リークに関しては、可燃性ガスである水素は水素検知器等で、酸素に関しては酸素検知器で、可燃性のないその他のガス（窒素，アルゴン，ヘリウム等）に関しては、多量に漏れた際に酸欠計で検知することによって安全が保たれる。
【０００７】
しかし、電子産業で使われる純度監視の要求が高い水素と酸素とを前記マルチガス分析システムで分析する場合、ガス切換時に、弁座のシート部分の破損等による内部リークが起こると、内部で両者が混合して火災や爆発等を招く危険性がある。このようなガスの組合わせを回避するため、水素，酸素に対して別系統の分析システムをそれぞれ持たなければならなかった。その他、半導体材料ガスであるシラン，アルシン等の経路に外部リークが発生した場合にも爆発のおそれがあるため、漏洩を至急検知して対処する必要があるが、市販の漏洩検知機の中には、十分な応答性と感度とを有し、ガス経路の中に挿入して使用することができる適当なものはなかった。
【０００８】
そこで本発明は、リークの有無を短時間で確実に検出することができ、安定した状態で連続的、安全かつ精確に分析を行うことができるガス分析装置及び方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のガス分析装置は、複数の試料ガスを切換導入する試料ガス導入系統と分析計とを組合わせたガス分析装置であって、前記分析計に、試料ガスを切換導入した際に、切換前に導入していた試料ガス成分の濃度変化を監視する手段を設け、さらに、切換前に導入していた試料ガス成分の濃度変化速度が所定の濃度変化速度と異なるときには、遮断弁を閉じたり、経路内を窒素等の不活性ガスでパージしたりしてガス分析装置の分析運転を安全に停止させる手段を備えていることを特徴としている。
【００１０】
前記分析計は、質量分析計又は大気圧イオン化質量分析計、あるいはこれらとガスクロマトグラフとを組合わせたものであり、測定対象となる前記複数の試料ガスが、窒素，アルゴン，水素，ヘリウム，酸素の内のいずれか２種以上であり、特に、窒素，水素，アルゴン，ヘリウム，酸素の順に切換えて分析すること、さらに、試料ガスとして、シラン，ホスフィン，アルシン，セレン化水素，ジボランのいずれか１つ以上を含むことを特徴としている。
【００１１】
また、本発明のガス分析方法は、複数の試料ガスを分析計に切換導入することにより、各試料ガスの分析を順次行うにあたり、試料ガスを切換導入した際に、切換前に導入していた試料ガス成分の濃度変化を監視し、該濃度変化によって装置各部におけるリークの有無を検出することを特徴とするもので、特に、反応性を有する試料ガスを分析した後は、不活性ガスの分析を行うことを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のガス分析装置の一形態例を示すものであって、分析計として大気圧イオン化質量分析計を用いて半導体産業用の高純度ガス（不純物濃度が一般に１０ｐｐｂレベル以下）を分析するマルチガス分析システムの系統図である。
【００１３】
このガス分析装置は、水素Ｈ_２，窒素Ｎ_２，アルゴンＡｒ，酸素Ｏ_２，ヘリウムＨｅの５種類の高純度ガス中の微量不純物を分析するためのものであって、試料ガスとなる各高純度ガスの導入経路１，２，３，４，５と、各高純度ガスを大気圧イオン化質量分析計６に導入する分析経路７と、試料ガス切換時に分析経路７内のパージを行うための排気経路８と、漏洩（リーク）発生を監視するとともにリーク発生時に各導入経路を遮断する制御手段９とにより形成されている。
【００１４】
前記導入経路１，２，３，４，５には、遮断弁１ａ，２ａ，３ａ，４ａ，５ａと、分析弁１ｂ，２ｂ，３ｂ，４ｂ，５ｂ及びパージ弁１ｃ，２ｃ，３ｃ，４ｃ，５ｃを組合わせた切換弁１ｄ，２ｄ，３ｄ，４ｄ，５ｄとが設けられており、各分析弁と各パージ弁とを所定の順序で切換え開閉することにより、各試料ガスを所定の順序で大気圧イオン化質量分析計６に導入して分析できるように形成されている。
【００１５】
すなわち、分析を行うガスの導入経路に設けられた分析弁を開いてパージ弁を閉じるとともに、他の導入経路の分析弁を閉じてパージ弁を開くことにより、所望のガスのみが分析弁を通って大気圧イオン化質量分析計６に導入される状態となる。また、他のガスについても、パージ弁から常時パージすることにより、配管からの吸脱着による高純度ガスの汚染を極力低減し、常に高純度の状態で分析装置に導入できる。このようなガス種の切換えは、一定の測定周期、例えば約３０分の周期で行われ、連続的に各種高純度ガスの分析が行われる。
【００１６】
このように形成した、いわゆるマルチガス分析システムにおいて、ガス種の切換えを行った際に、切換え前に導入していたガスの測定を行うと、残留ガスの減少に伴ってその濃度が次第に減少していくことが観測される。しかし、分析弁の閉塞が不完全なために、ここからガスの漏洩が生じると、ある一定時間を過ぎても、その濃度が所定濃度以下に下がらないことが観測される。
【００１７】
例えば、水素中の不純物である窒素を測定した後にアルゴン中の水素を測定する場合、切換え前に導入していた水素の分析弁１ｂが完全に閉塞されているときは、図２に示すように、ある一定時間Ｔ１後にある一定の濃度Ｃ１となるが、分析弁１ｂの閉塞が不完全なときは、図３に示すように、濃度が一定になるまでの時間Ｔ２が長くなり、その濃度Ｃ２も通常の場合に比べて高くなる。
【００１８】
したがって、水素の分析からアルゴンの分析に移行した際に、水素の濃度変化を監視して通常時のこれまでの時間や濃度と比較することにより、水素導入用の分析弁における漏洩の有無を知ることができる。他のガスの組合わせの場合も同様であるが、分析計として大気圧イオン化質量分析計を用いた場合は、共存物質が分析感度に大きく影響することが知られており、ガスの組合わせによっては高感度に検出されないことがある。したがって、切換後のガス中で切換前のガスを高感度に分析できるように、ガスの切換順序を決定する必要がある。例えば、窒素，水素，アルゴン，ヘリウム，酸素の順に切換えることにより、切換えた後の主成分ガス中で切換前の主成分ガスを検出できるようになる。
【００１９】
すなわち、窒素から水素に切換えると、水素中の窒素を大気圧イオン化質量分析計で測定することができ、また、水素からアルゴンに切換え場合は、アルゴン中の水素を測定することができる。但し、ヘリウムから酸素に切換えた場合、酸素中のヘリウムは測定困難であるから、ヘリウムの漏洩は検出できないが、ヘリウム自体は、万が一内部リークしても測定値に影響を与えないし、安全面にしても問題がない。したがって、各ガスを切換える際に所定時間ヘリウムを導入して漏洩の有無をチェックすることもできる。
【００２０】
また、ヘリウムは、大気圧イオン化質量分析計の場合、イオン化ポテンシャルが全てのガスの中で一番高いため、その他の全てのガス種の検出が可能である。このことから、立上げ時や、定期メンテナンス時のリーク検査にヘリウムガスを使用することが可能である。さらに、連続測定の最中であっても、ヘリウムガスの測定毎に外部リークの有無の安全確認と併用して活用可能である。
【００２１】
例えば、図４及び図５は、ヘリウム以外の分析弁を閉じてヘリウムを大気圧イオン化質量分析計６で分析したときの水素，窒素，アルゴン及び酸素の濃度変化の一例を示すものであって、図４は分析弁に漏洩が無い通常の状態を、図５は水素の分析弁に漏洩が発生した状態をそれぞれ示している。このように、ヘリウムを分析する際の各ガスの濃度変化を比較することにより、濃度が高くなったガスの分析弁、この場合は水素の分析弁に漏洩が発生したことを知ることができる。また、このとき、窒素と酸素との空気成分の組成比である４：１の感度比で両者の濃度が上昇した場合は、配管の継手等から外部リークしたと判断することができる。
【００２２】
そして、前述のように水素が漏洩している場合や、酸素あるいは外部からの空気が漏洩している場合は、水素と酸素とが混合して燃焼あるいは爆発を生じる危険を避けるため、制御手段９からの指示により、少なくとも水素の遮断弁１ａを閉じる。これにより、燃焼等の危険を回避して装置を安全に停止させることができる。
【００２３】
また、制御手段９からの指示によって全ての遮断弁を閉じるようにしてもよく、不活性ガス以外の燃焼性，支燃性を有する水素や酸素の遮断弁を閉じるようにしてもよい。さらに、窒素やアルゴン等の不活性ガス、例えば、窒素の分析弁２ｂのみを開くとともに排気経路８の弁８ａを開き、分析経路７の分析弁接続部等を含む系内に窒素ガスを導入することにより、燃焼性ガス等をパージするようにしてもよい。
【００２４】
このように、高純度ガスの分析に高感度かつ高速応答で分析可能な質量分析計等を用いている場合、この分析計自体を高速高感度な漏洩検知器として利用することが可能となり、新たな検知器を設ける必要がなくなる。また、漏洩を検知したときに、遮断弁を閉じたり、系内を不活性ガスでパージしたりするように設定しておくことにより、安全性を十分に高めることができ、現場での無人監視も安全に行うことができる。
【００２５】
上記形態例では、分析計として大気圧イオン化質量分析計を用いたが、通常の電子衝撃によるイオン化を用いた質量分析計であっても同様である。この質量分析計の場合、可燃性ガスである水素や酸素を分析する間に、必ず窒素やアルゴン等の不活性ガスを分析するようにガスの分析順序を設定することにより、安全に測定が可能であり、例えば、アルゴン，水素，窒素，酸素という順序で分析を行うようにすればよい。
【００２６】
漏洩の検知は、前記同様にして行うことができ、例えば、アルゴンから水素に切換えた場合は、水素中のアルゴン濃度の変化を監視することにより、漏洩の有無を検知することができ、さらに、遮断弁によるガスの遮断や系内のパージも同様にして行うことができる。
【００２７】
また、図６は、酸素中の水分以外の不純物の分析をガスクロマトグラフ１０を介して大気圧イオン化質量分析計６で行う場合の形態例を示す系統図である。本形態例では、燃焼等の危険のない窒素等の不活性ガスの導入経路２，３，５には遮断弁を設けず、水素及び酸素の導入経路１，４にのみ遮断弁１ａ，４ａを設け、漏洩発生時には、この両経路の遮断弁１ａ，４ａを、制御手段９の指示によって閉じるように形成している。また、ガスクロマトグラフ１０を通る経路と通常の経路との切換えは、弁１０ａ，１０ｂの開閉により行われる。その他の構成要素は、図１に示すものと同一であるから、それぞれ同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２８】
図７は、半導体材料ガス、例えば、シラン及びアルシンの２種類のガスを分析する装置として、ガスクロマトグラフ１０を直列に組合わせた大気圧イオン化質量分析計６で測定する場合の形態例を示している。特に、シラン，ホスフィン，アルシン，セレン化水素，ジボラン等の半導体材料ガスは、配管等に残留している空気成分等と反応して爆発したり、火災を発生する原因となるため、測定ガスを切換えるときには、配管を十分にパージすることが必要であり、パージを十分に行った後に測定ガスを切換えることになる。
【００２９】
したがって、この場合は、経路１１からのシランの分析と、経路１２からのアルシンの分析と間に、測定上問題とならないヘリウム，アルゴン，窒素等の不活性ガスを経路１３から導入し、系内のパージを行うとともに、該不活性ガス中のシランあるいはアルシンの濃度変化を監視し、シランあるいはアルシンが検知されないことを確認した後、測定ガスを切換える。所定時間経過後もシランあるいはアルシンが検知され、数回測定を繰り返してもピークが低減しない場合は、経路１１，１２に設けた分析弁１１ａ，１２ａの漏洩と判断し、両経路１１，１２に設けた遮断弁１１ｂ，１２ｂを制御手段９の指示によって閉じるようにする。
【００３０】
なお、分析するガスの種類や組合わせは任意であるが、反応性を有する水素や酸素、半導体材料ガスの分析を行う際には、その前後に不活性ガスの分析を行うように切換え順序を設定すべきである。また、分析計自体も漏洩による濃度変化を検知できるものならば各種構成のものを使用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、弁等からのリークの有無を短時間で確実に検出することができ、各種試料ガスの分析を安定した状態で連続的、安全かつ精確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス分析装置の一形態例を示す系統図である。
【図２】漏洩が無いときの濃度変化の一例を示す図である。
【図３】漏洩が発生したときの濃度変化の一例を示す図である。
【図４】漏洩が無いときの各成分の濃度変化の一例を示す図である。
【図５】水素の漏洩が発生したときの各成分の濃度変化の一例を示す図である。
【図６】ガスクロマトグラフと大気圧イオン化質量分析計とを組合わせた分析装置の一例を示す系統図である。
【図７】半導体材料ガスの分析を行う分析装置の一例を示す系統図である。
【符号の説明】
１，２，３，４，５…導入経路、６…大気圧イオン化質量分析計、７…分析経路、８…排気経路、９…制御手段、１０…ガスクロマトグラフ

Claims

複数の試料ガスを切換導入する試料ガス導入系統と分析計とを組合わせたガス分析装置であって、前記分析計に、試料ガスを切換導入した際に、切換前に導入していた試料ガス成分の濃度変化を監視する手段を設けたことを特徴とするガス分析装置。
前記切換前に導入していた試料ガス成分の濃度変化速度が所定の濃度変化速度と異なるときに、該ガス分析装置の分析運転を安全に停止させる手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のガス分析装置。
前記分析運転を安全に停止させる手段は、遮断弁を閉じる操作あるいは経路内を窒素等の不活性ガスでパージする操作の少なくともいずれか一方の操作を行う手段であることを特徴とする請求項２記載のガス分析装置。
前記分析計が、質量分析計、あるいは、ガスクロマトグラフと質量分析計とを組合わせたものであることを特徴とする請求項１記載のガス分析装置。
前記分析計が、大気圧イオン化質量分析計、あるいは、ガスクロマトグラフと大気圧イオン化質量分析計とを組合わせたものであることを特徴とする請求項１記載のガス分析装置。
前記複数の試料ガスが、窒素，アルゴン，水素，ヘリウム，酸素の内のいずれか２種以上であることを特徴とする請求項１記載のガス分析装置。
前記複数の試料ガスが、窒素，水素，アルゴン，ヘリウム，酸素であり、かつ、この順に切換えられて前記分析計に導入されることを特徴とする請求項１記載のガス分析装置。
前記複数の試料ガスが、シラン，ホスフィン，アルシン，セレン化水素，ジボランのいずれか１つ以上を含むことを特徴とする請求項２記載のガス分析装置。
複数の試料ガスを分析計に切換導入することにより、各試料ガスの分析を順次行うにあたり、試料ガスを切換導入した際に、切換前に導入していた試料ガス成分の濃度変化を監視し、該濃度変化によって装置各部におけるリークの有無を検出することを特徴とするガス分析方法。
反応性を有する試料ガスを分析した後は、不活性ガスの分析を行うことを特徴とする請求項９記載のガス分析方法。