KR0163608B1

KR0163608B1 - 극고순도의 기체분석용 측정장치

Info

Publication number: KR0163608B1
Application number: KR1019920014639A
Authority: KR
Inventors: 하워드 레거트 그레고리; 해롤드 손리커 마이클
Original assignee: 티모티 엔. 비숍; 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
Priority date: 1991-08-16
Filing date: 1992-08-14
Publication date: 1999-05-01
Also published as: KR930004760A; CA2076174C; ES2129031T3; DE69228724D1; EP0528386B1; US5214952A; CA2076174A1; DE69228724T2; EP0528386A2; EP0528386A3

Abstract

본 발명의 측정장치는 극고순도의 측정기체 혼합물과 기체시료를 상승된 온도조건에서 기체분석기에 신속하게 전달하기위해 제공된 것이다. 본 발명에 따르면, 고도로 감응성이 있는 분석기에 원하는 바대로 지속적인 흐름속도가 제공될 수 있다.

Description

극고순도의 기체분석용 측정장치

제1도는 본 발명의 측정장치에 관한 일실시예의 개략적 흐름도.

제2도는 본 발명의 실시예에 따라 얻어진 자료를 기초로 한 습도분석에 대한 온도효과를 나타낸 그래프.

제3도는 본 발명의 실시예에 따라 얻어진 자료를 기초로 한 물질 34에서 산소에 대한 눈금보정곡선을 나타낸 그래프.

제4도는 본 발명에 따라 3개의 서로 다른날에 수집된 자료를 기초로하여 얻어진 산소32에 대한 눈금보정곡선을 나타낸 그래프.

제5도는 본 발명의 실시예에 따라 얻어진 자료를 기초로하여 물질 34와 32의 신호의 강도에 대한 비율을 나타낸 그래프.

제6도는 전기화학적 감지장치를 이용하여 측정한 산소 ppb와 이론적 산소 ppb가 일치함을 나타내는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,2A,2B : 질량 흐름 조절기 3,4A,4B,5 : 차단밸브

6 : 정제기 7,8 : 습기 건조기

9 : 밀폐 가열격실 17 : 여과수단

본 발명은 극고순도의 기체분석 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 고도의 감응성 기체분석 장치의 측정(calibrating)에 관한 것이다.

고순도 기체의 사용에 있어서, 표준 기체 혼합물은 전형적으로 백만분의 일 단위(ppm)의 수준으로 실린더내에 제공된다. 그러나, 반도체 산업에 있어서는 극고순도(UHP)수준의 기체를 사용해야 할 필요가 있다. 이러한 필요성은 반도체 장치의 라인 스페이싱(line spacing)의 치수를 감소시키기 위한 필요성으로부터 제기되었다. 반도체 장치상의 라인들의 더욱 더 집적됨에 따라 불순물들은 ppb(parts per billion), 심지어 수 ppt(parts per trillion)범위로 유지되어야 한다. 순도 수준이 1ppb 미만의 기체의 공급 필요성이 제기됨에 따라, 기체의 순도를 측정하기 위한 새로운 분석 기술의 개발이 요청되어 왔다. 최근에는 기체 분석기가 분야의 발달에 따라, 이를 이용하여 주 기류에서 더 낮은 농도 수준의 불순물들을 측정할 수 있게 되었다. 전형적인 샘플기체에서 발견되는 것과 동일한 불순물의 농도범위로 기체 분석기의 눈금을 조정할 필요성으로 인해, 저농도의 표준 기체 혼합물이 요구되었다. 이러한 필요성은 기기의 눈금조정용으로서 확신할만한 표준기체를 확보해야 하는 문제점에 봉착하게 된다. 실린더나 컨테이너에 ppb또는 ppt수준으로 공급된 기체 혼합물은 제조하기가 어렵고 농도의 신뢰도가 미지수이다. 혼합물내의 미소 성분과 용기의 벽 사이에 일어나는 반응 때문에 저농도 기체 혼합물의 신뢰도가 떨어진다. 기체와 접촉하는 모든 표면상에서의 불순물의 흡착/탈락은 저농도 수준으로 측정을 하는데 있어서 어떤 문제점을 야기한다. 이와같은 표면에는 조절기, 밸브, 질량흐름 제어기, 및 측정용 기체나 시료 기체를 분석기에 공급하는 이송도관이 포함된다. 이러한 성분과의 평형에 도달하는 시기를 알기는 어렵지만, 기체의 순도를 확실하게 특정하기 위해서는 이와같은 평형은 필수적이다. 또한, 습윤 표면에서 반응이 일어나서 1개의 불순물 분자가 다른 분자로, 예를 들어 CO 가 CO2로 변환될 수도 있다.

어느 1개의 용기에서 다른 용기로 기체가 이송되어도 이러한 불확정성이 초래된다. 이러한 이동이 이루어지는 경우에는 예를들어, 대기 누출의 가능성이 있다. 측정된 기체 불순물의 양은 실린더내에서 표준 저농도를 형성하려고 하는 경우에는 거의 없다시피 할 정도의 소량이고, 평형 기체의 불순도는 최종 농도를 측정하는데 있어서는 증가되는 국면을 나타낸다.

이러한 문제점을 극복하기 위해, 기체 공급 시스템은 여러 수준의 측정용 기체와 샘플 기체를 중대한 파열(disruption)없이 공급할 수 있어야 한다. 상기 시스템은 특성상, 이송부피가 최저이도 부품의 수가 최저이며 조작이 복잡하지 않도록 단순하여야 한다. 이러한 측정 시스템 및 관련 방법은 전자기체 산업상의 발전을 위해 필요하다.

본 발명의 목적은 극고순도의 기체분석을 위한 개선된 측정 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

전술한 목적 및 그 이외의 다른 목적을 위해, 이하 본 발명을 상세하게 설명하며, 그 신규한 특징은 첨부된 청구범위에서 특정되어 있다.

본 발명의 기체 혼합시스템은 안정한 기체 혼합물을 제조할 수 있고 극히 높은 순도, 즉 낮은 ppb및 ppt범위에서 다점 눈금보정곡선을 형성하도록 사용될 수 있는 일련의 매우 정확한 질량흐름(mass flow)조절기를 사용하는 것이다.

이하, 도면을 참조로 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 목적은 소정의 극히 낮은 농도에서 동적으로(dgnamically)제조된 측정기체 혼합물의 일정한 흐름속도를 제공하는, 예컨대 대기압 이온화 질량 스펙트로미터(APIMS)와 같은 고도의 감응성 기체분석장치용 눈금보정수단이 제공된 시스템에 의해 달성된다.

본 발명의 시스템은 상승된 온도에서 작동하여 본 발명의 측정 목적인 UHP측정용 기체를 신속하게 공급할 수 있는 질량 혼합 시스템을 사용하는 정제기와 결합되어 있다. 또한 시료 흐름의 주 성분과 같은 비교기체가 사용된다. 본 발명의 방법에 있어서는 고농도의 기체 혼합물이 다양한 농도의 측정기체를 발생기키는데 사용될 수 있다. 적당한 흐름속도를 조합함으로써, 본 발명의 방법은 측정중인 기체분석 시스템에 필요한 소정의 측정기체 혼합물을 발생시키는데 사용될 수 있다.

제1도에 나타낸 실시에에 있어서, 질량 흐름 조절기(1,2A,2B)는 팩킹되지 않은 밸브(3,4A,4B,5)와, 상승된 온도로 제어가능한 밀폐된 가열 격실(9)내에 설치되는 모든 전기 폴리싱 용접관 및 관련 부품들과 함께 사용된다. 시스템의 입구에는 실린더(12)로부터 정제된 비교기체 또는 희석기체가 공급되고 실린더(13)로부터 불순물의 농도가 알려진 기체 혼합물이 공급된다. 전형적으로 100psig 이하의 압력에서 작동되는 질량흐름 조절기(1,2A,2B)는 높은 기체 혼합물 실린더(13)로부터의 흐름을 원하는 범위로 효율적으로 희석시키고 분석기(16)에 필요한 흐름을 제공하도록 선택된다. 실린더(13)로부터의 기체 혼합물은 실린더(12)로부터 시스템을 거친 비교기체와 혼합하여 소정 농도의 기체 혼합물을 형성한다. 본 발명은 또한 시료기체를 장치내에 도입시켜 분석기(16)에 대한 모든 장해를 최소화 한다. 어떠한 시료 성분이라도 대기 조건에 노출되면 고도의 감응성이 있는 모든 분석기에 유해하다. 본 발명의 누출방지를 위한 시스템의 일체성, 고온에서의 작동성 및 시스템의 전반적인 단순성은 저농도의 확실한 기체 혼합물을 제조하는 것과 관련된 문제점을 극복할 수 있다.

고온에서 작동될 수 있는 점, 시스템 설계의 단순성, 그리고 흐름 조절기, 밸브 및 부착물의 위치와 작동 순서를 포함하는 본 발명의 매우 유리한 장점은 본 발명의 시스템, 및 회답시간과 전체적인 측정 성능을 달성하기 위한 점에 있어서 필요불가결한 것이다.

고순도의 비교기체와 고농도의 기체 혼합물은 시료 기체와 거의 똑같게 되도록 선택되어야 한다. 예를들어, 만일 시료가 질소인 경우에는 비교기체도 질소이어야 하고, 고농도의 기체 혼합물은 그 기본 기체(base gas)로서 질소를 함유하여야 한다. 고압의 공급원으로부터 공급되는 상기 가스들은 고순도의 가압 조정기(reguator)의 사용에 의해 압력이 감소되어야 한다.

상기 조정기는 대기중의 오염원이 침투하는 것을 방지하고 누출이 없도록 일체형으로 연결된 금속 격막 형태이어야 한다. 비교기체는 사용할 때전(point-of-use)정제기로 정제된다. 이 정제기는 가열식 금속 게터(gatter)형태일 수 있고, 이는 확실한 화학반응을 통해 불순물을 제거하여 고순도의 비교기체를 생성한다.

미립자는 필터의 하류에 위치한 질량흐름 조절기의 성능에 악영향을 미칠수 있기 때문에, 본 발명의 방법에는 미립자가 존재하지 않는 기체가 필요하고, 이러한 상태를 조성하기 위해 인라인(inline)필터를 이용하여 시스템의 하류 부품들을 보호할 수 있게 된다.

원하는 농도의 혼합물을 얻기 위해 흐름속도를 조절하는 방법은 질량흐름 조절기의 전자적 모듈을 통해서 달성될 수 있다. 원하는 설정값(setpoint)은 다수의 키패드(key pad)를 통해 시스템 내부로 들어갈 수 있다. 상기 설정은 고농도의 기체 혼합물과, 분석기의 총 흐름속도의 요건을 조합함으로써 결정된다. 이러한 인자들은 이후 설명하는 바와같이, 비교기체와 고농도 기체 혼합물의 흐름속도에 , 최종 농도를 결정하기 위한 고농도 기체 혼합물의 값을 곱하는 공식을 사용하여 계산할 수 있다. 종래 방법의 출발점은 비교기체에 응답하는 분석기의 회답 기준선을 결정하기 위한 것이다.

이는 분석기에 기체를 공급하는 다기관(manifold)의 입구부에 위치한 적절한 차단밸브를 조작함으로써 달성될 수 있다. 원하는 분석의 유형에 따라, 우회 가능성(bypass capability)이 있는 기체 건조기가 고농도 기체 혼합물과 기체 시료의 흐름에 위치하게 된다. 이러한 가능성은 기체내 습기의 농도를 측정하거나 고농도의 습기가 시료내의 다른 불순물에 혼입되는 장애요인을 제거하기 위한 분석기의 사용에 있어서 원하는 적용성을 위해 필수적이다.

제1도에 나타낸 바와같이, 본 발명의 기체 혼합시스템은 압력조절기(10)를 거쳐 정제기(6)에 연결되는 실린더(12)내의 고순도 희석기체 또는 비교 기체를 사용하게 된다. 정제기(6)의 출구에서 나오는 기체는 예를들어 10㎛ 여과수단(17)을 거쳐 질량흐름 조절기(1)내로 흘러들어간 후, 격막차단 밸브(3)를 통과하게 된다. 여과수단(17)은 질량흐름 조절기나 격막밸브의 손상을 초래하는 모든 미립자의 제거를 설치된다. 질량흐름 조절기(1)는 분석기(16)의 크기에 부합되고 측로 흐름라인(14)을 통과하여 측로흐름(bypass flow)이 이루어질 수 있는 크기이다. 흐름측정기(18)는 측로 흐름속도를 모니터링하기 위해 측로흐름라인(14)에 위치한다. 바람직하게 사용된 흐름조절기(1)의 최고 흐름속도는 2표준/분(SLM)으로서, 이는 분석기에 대하여 전형적이다. 이는 분석기(16)에 대한 비교기체이고, 확실한 비교판독을 달성할 수 있는 최고질의 시스템 부품을 가지는 것이 필수적이다. 비교기체는 분석기의 신호에 있어서 배경의 간섭현상을 최소화함으로써 분석을 진전시킬 비교점을 제공한다. 질량흐름 조절기(1,2A,2B)를 포함하는 정제기(6)이후의 모든 부품은 전기도금된 스텐레스강이다. 질량흐름조절기(1,2A,2B)와 격막밸브(3,4A,4B,5)의 누출방지 가열 격실은 시스템내로 대기오염물질이 전혀 들어오지 못하게 해야 한다. 차단밸브(3,4A,4B,5)도 또한 교차배출구의 누출이 전혀 없어야 한다. 본 발명의 시스템에 사용되는 부품들의 누출에 대한 설명은 각각의 실시예에 기술되어 있다. 정제기(6)아 질량흐름 조절기(1)사이의 거리는 최소한으로, 예를들어 선형 도관의 약 12보다 작게 유지된다. 차단밸브(3)는 비교기체를 원주 맞대기용접된(orbitally butt welded)분기장치(15)로 공급하며, 상기 분기장치에는 분석기(16)가 연결되어 있다.

분기장치는(15)는 그 전반적인 치수를 최소화할 수 있도록 구성되어 있다. 이는 크기가 소형화되고 평탄화 내부흐름통로를 제공할 수 있도록 설계된 특별한 부착물을 사용함으로써 달성될수 있다. UHP 사용을 위해 설계된 이러한 부착물은 시판되고 있으며, 예를들어 미국 오하이오, 마케도니아 소재의 캐준 콤패니의 CAJUN(등록상표) Micro-Fit(등록상표) 용접부착물이 있다.

여과수단(17),흐름조절기(1,2A, 2B), 격막밸브(3,4A,4B,5)및 분기장치(15)는 온도조절가능한 가열격실(9)의 안쪽에 내장되어 있다. 질량흐름 조절기(1,2A,2B)와 격막밸브(3,4A,4B,5)의 몸체는 온도조절 히터 스트립(strip)에 의해 용이하게 가열될 수 있는 알루미늄 판에 설치되는 것이 바람직하다.

효율적인 열전달이 이루어지면 부품이 원하는 온도범위, 즉 약60-80℃로 유지된다. 바람직한 온도는 약 70℃±0.5℃이다. 습기와 기타 기체의 탈착반응의 개시점으로부터 회답시간의 더욱 바람직한 작동온도범위는 약 80-150℃이다. 그러나, 근래에 시판되는 질량흐름조절기는 80℃이상에서는 기능을 발휘하지 못한다. 온도조절은 시스템의 안정한 작동을 결정짓도록 되는 것이 바람직하다. 부품의 온도변동은 오염물질의 흡착/탈락에 대한 분석기의 응답에 변동을 야기한다. 이 점에 관해서는 제3도에 도시되어 있고, 이는 신속한 응답, 및 온도가 25℃에서 2,000℃로 상승함에 따른 습기신호의 증가를 나타낸다.

고농도의 측정기체 혼합물 실린더(13)는 압력조절기(11)에 연결된 후 습기 건조기(7)및 여과수단(17)에 연결되고, 1개 이상, 바람직하게는 2개 이상의 질량흐름 조절기(2A,2B)및 연결 측로관에 연결된다. 다수의 질량흐름 조절기(2A,2B)는 측정기체 혼합물 농도의 정확성을 개선시키기 위해 사용된다. 원하는 기체 혼합물 농도를 달성하기 위한 가장 광범위한 흐름의 한계를 제공할 수 있도록, 흐름조절기(2A,2B)에 대한 공정범위를 선택한다. 본 발명의 측정시스템의 목적을 위해, 흐름조절기(2A,2B)의 흐름범위는 비교기체 질량흐름 조절기(1)가 0-2000㏄/분일 때, 각각 0-100㏄/분과 0-1㏄/분이다. 각각의 측정기체 혼합물 질량흐름조절기(2A,2B)는 격막밸브, 즉 격막 차단밸브(4A,4B)로 각각 연결되어 있는데, 또한 상기 밸브는 배출라인(vent line)(19)이 연장해 있는 분석기(16)에 순서대로 연결된 분기장치(15)에 연결된다. 질량흐름 조절기(1,2A,2B)가 분기장치(15)에 연결되는 순서는 신속한 응답시간 및 시스템의 작동적 기능성을 확립하기 위한 것이다. 그러므로 그 순서는 실린더(12)로부터의 비교기체가 분석기(16)의 입구로부터 가장 멀리 있고, 비교기체 혼합물 실린더(13)로부터의 기체에 대한 최소의 질량흐름 조절기(2B)가 상기 분석기(16)에 가장 가깝게 위치되어야 한다. 각각의 별개의 부품 사이의 거리는 최소한으로 유지되고, 각 부품간의 거리는 부품의 크기와 함께 용접부착될 수 있는 능력에 의해 조정된다. 특별한 실시에 있어서는,각각의 부품간의 거리는 2 이하로 유지된다. 어떤 경우에라도, 부품들은 서로 매우 근접한 위치에 있어야 하고 그들 사이의 거리는 최소화되어야 한다.

제1도에 도시된 바와같이, 기체 시료가 도입되는 격막 차단밸브(5)도 분기장치(15)에 부착되어 있다. 시료기체는 분석기(16)로 직접 도입될 수도 있고, 분기장치(15)를 통과하기 전에 건조트랩(trap) 또는 습기 건조기(8)를 거쳐서 흐를 수도 있다. 건조기(8)는 일반적으로 기체시료에 다량의 습기가 함유되어 있는 경우에 사용된다. 이러한 습기는 기체시료내의 다른 불순물을 특정짓기 위한, 예컨대 APIMS와 같은 고감응성 분석기(16)의 사용을 제한한다. 밸브(3,4A,4B,5)하류의 분기장치(15)의 전체 크기를 최소화하여 기체 혼합 시스템의 원하는 응답성을 제공하는 것이 중요함을 주목할 필요가 있다. 그러므로, 상기 분기장치(15)의 총 내부용적은 약100㏄이하가 바람직하다. 이렇게 내부용적이 작으므로 본 발명의 시스템은 1초 이내에 완전히 정화될 수 있다. 대기 이하의 흐름상태에 있지 않은 분기장치의 부품인 데드 렉(dead leg)등은 시스템의 응답성에 지장을 초래하고 본 발명의 실용적이고 상업상의 실시에 있어서는 최소한으로 유지되어야 한다.

시스템의 작동은 다양한 흐름조절기(1,2A,2B)내의 흐름 수준을 변화시킴으로써 원하는 최종농도를 달성할 수 있다. 비교 기체의 흐름은 비교기체 격막 차단밸브(3)를 개방시킨 다음, 분기장치(15)의 다른 출구에 있는 격막밸브(4A,4B,5)를 사용함으로써 발생될 수 있다. 측정기체 혼합물을 발생시키기 위해, 비교기체를 고농도 기체 혼합물 실린더와 조합하여 사용한다.

최종농도는 고농도 기체 혼합물의 흐름속도에 대한 비교기체 흐름속도의 비율로 결정된다. 질량흐름 조절기의 선택된 범위와 고농도 기체 혼합물 실린더 값을 조합하면 시스템을 사용하여 산출할 수 있는 농도의 범위가 결정된다. 500ppb의 고농도 기체 혼합물을 사용하여 최종농도(ppb)가 20ppb및 0.25ppb(250ppt)인 측정기체를 제조한 시료의 계산법은 다음과 같다:

상기 식에서, C1 = 고농도 기체 혼합물 (ppb),

Q1 = 비교기체 흐름속도 (㏄/min),

Q2 = 고농도 기체 혼합물 흐름속도 (㏄/min).

[실시예 1]

불순물 20ppb의 최종농도

최종농도(ppb)= (50ppb×50㏄/min)/ (1,200㏄/min +50㏄/min)

최종농도 (ppb)= 20 ppb.

[ 실시예 2]

불순물 250ppt의 최종농도

최종농도(ppb)=(500ppt×1㏄/min)/(1,999㏄/min+1㏄/min)

최종농도 = 250ppt.

제3,4 및 5도는 본 발명의 가능성을 증명한 것이다. 제공된 자료는 저농도를 측정할 수 있는 고감응성 APIMS분석기에 수집되었다. 제3도는 낮은 ppt 범위의 농도 변화를 조절할 수 있는 능력을 증명한다. 그래프상의 각 점은 약 20ppt의 변화를 나타낸다. 제4도는 시스템의 재현가능성을 증명한 것이다. 그래프에는 각각 다른 3개의 날짜에 수집한 점이 포함되어 있다. 당업자라면 측정 시스템에 재현가능성이 필요하다는 점을 인식 할 수 있을 것이다. 제3도와 제4도에 나타낸 농도 0에서의 한정돤 신호강도는 배경 간섭, 및 비교기체내의 불순물의 부차적인 기여에 따른 결과이다. 제5도는 조성물에 영향을 미치지 아니하고 측정기체를 공급하는 측정 시스템의 능력을 증명한다. 원소의 균등률(isotropic ratio)은 널리 공지되어 있다. 산소의 대표적인 동위원소는 질량16과 질량18이다. 산소분자의 형성은 이 각각의 원자와 함께 산소-34를 형성시킨다. 자연계에 존재하는 산소-34의 비율은 0.00478이다. 제6도에서 결정된 기울기는 0.00478로서, 이는 이론적 비율과 매우 양호하게 일치됨을 나타낸다.

공정 분석기에 대하여 본 발명을 시험한 바, 전기적 신호를 통해 자체 측정을 할 수 있는 능력을 가지고 있었다. 이 측정은 제1법칙, 즉 패러데이의 법칙에 직접 대입할 수 있다. 이 분석기의 검출 하한은 2ppb이다.

제6도는 이 직접 비교를 나타낸 것이다. 그래프는 독립적인 검증을 통해 본 발명의 정확성과 선형성을 나타낼 수 있다.

본 발명은 조사용 기체 혼합물의 제조에 사용된 종래기술의 많은 본질적인 문제점을 극복하였다. 실린더내에서 조사용 기체 혼합물을 직접 제조하는 것은 실린더의 벽과 불순물의 상호작용에 의해 대략 1ppm 수준의 더 낮은 농도로 제한된다. 본 발명의 시스템은 조사용 기체를 대략 10ppt (0.00001ppm)수준의 낮은 농도까지 발생시킬수 있다. 종래의 희석 시스템은 조사용 기체 혼합물을 ppb범위의 낮은 농도로 제조하기 위해 사용되어 왔다. 고농도의 조사용 기체내에서 한가지 흐름요소(flow element)를 사용하여 넓은 범위에 걸쳐 조사용 기체를 제조하는 종래의 시스템의 한계는 조사용 기체를 ppt농도로 제조하는 것을 방해하여 왔다. 종래기술에 있어서 2배의 희석기술을 사용하기 위해서는 ppt수준의 조샤용 기체를 달성할 필요성이 요구되어 왔는데, 이는 시스템에 부품을 추가하는 것이었다. 이러한 추가의 부품들은 종래의 시스템의 응답시간에 불리한 영향을 미친다. 본 발명은, 설계상 간단하고 상승된 온도에서 작동됨에도 불구하고 이와 같은 낮은 수준의 농도를 달성하였다. 또한 종래의 희석시스템보다 개선된 본 발명의 시스템의 작동은 최종 혼합물의 농도에 대한 정확성을 개선시켰다. 이는 본 발명의 구체적인 실시에 사용된 질량흐름 조절기의 정확성으로부터 결정될 수 있다.

본 발명의 중대한 개선점은 상승된 온도에서의 작동성이다. 시스템의 가열을 조절함으로써 더욱 안정한 시스템을 제공하게 되고, 시스템의 응답시간을 단축시킬수도 있다. 제2도에 도시된 그래프는 시스템 부품의 가열효과를 나타낸 것이다. 1/8스텔레스 강관을 세정한지 4일 후, 관에 열을 가하고 추가의 습기가 관으로부터 빠져나갔다는 것을 관찰하였다. 이는 상기 제2도에 도시된 신호가 상승되는 것으로써 명백하게 증명된다. 주변 온도의 변동은 예컨대 APIMS와 같은 고감응성 분석기의 안정성에 불리한 영향을 미친다. 반응시간의 중요성은 기체측정혼합물을 낮은 수준으로 발생시킬 수 있는 능력에서 명백히 나타난다. 만일 부품이 수일간에 걸쳐서 오염물질을 배출하는 경우에는 낮은 ppt의 판독이 불가능하다.

기체시료를 다기관에 도입시키는 능력은 분석기를 교란시키지 않는다는 점에서 유리하다. 시료를 검사용으로 전환하기 위한 시간 지연은 낮은 ppb 및 ppt 범위에서 분석기의 성능을 심하게 감퇴시킨다. 본 발명의 시스템에 있어서는, 부품의 수가 최소한으로 유지된다. 이와 같이 부품의 수를 최소화함으로써, 지속적인 농도에 도달하는데 소요되는 필요한 평형 시간이 최소화된다.

누출 가능한 근원을 제거하는 것도 시스템의 부품의 수를 최소한으로 줄이는데 있어서 유리하다. 가능한한 최고도의 집적은 부품들을 직접 용접시킴으로써 달성 할 수 있다. 이렇게 하는 것이 항상 가능하지는 않기 때문에, 표면밀봉 부착물을 사용하는 것이 용인될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 시스템의 내부 용적은 원주 맞대기 용접 연결 및 표면 밀봉부착물을 이용하여 감소시킬 수 있다. 내부용적이 작아질수록 농도평형에의 도달이 빨라진다.

집적된 설계방식은 시스템에 대한 또다른 기본적인 추진력이 된다.

감응성 분석기에 피료한 저농도 수준을 달성하기 위해서 다중 흐름조절기가 사용된다. 이것은 발생된 혼합물의 정확도를 개선한다. 질량 흐름조절기의 오차는 질량흐름 조절기의 전체규모의 범위에 대하여 상대적이며,전형적인 전체 규모의 범위에 대하여 1-2%이다.

질량 흐름 분석기의 재현가능성은 전형적으로 0.2% 범위로 매우 우수하므로, 일단 고정되고나면 질량흐름 분석기는 매번 같은 흐름수준으로 복귀된다. 질량흐름 분석기의 범위와 전체 규모를 감소시킴으로써 절대 오차는 실질적으로 감소하게 되고, 이에 따라 저농도 측정기체 혼합물을 발생시키는 능력이 향상된다. 고농도의 기체흐름 조절기는 비교 기체 흐름 조절기보다도 최종적 혼합물 농도에 훨씬 더 큰 영향을 미치는데, 그 이유는 비교 기체 흐름 조절기의 총 규모값은 고농도 측정기체흐름 조절기보다도 20배 이상 크기 때문이다. 다중 흐름조절기를 사용하지 않고서는, 측정기체 혼합물을 정확하게 발생시키는 것이나 광범위하게 발생시키기가 불가능해진다.

전술한 바로부터, 제1도에 도시된 바와같은 본 발명의 측정장치를 사용하며 저농도의 기체 혼합물을 제조하는 방법은 비교기체를 실린더(12)로 부터 고순도의 압력조절기(10)를 거쳐 기압을 감소시키고 안정화시키도록 유도하는 것으로 이루어진다는 것을 이해할 수 있다. 결과적으로 조절되어진 비교기체는 정제기(6)로 흐르고 계속해서 여과수단(17)을 거쳐서 미립자상의 불순물이 제거된다. 그 다음에 비교기체는 질량흐름 조절기(1)의 입구를 통과하여 상기 조절기의 출구 흐름을 엄밀하게 조절하게 된다.

용기(13)로부터 나오는 고농도의 기체 혼합물은 고도의 압력 조절기(11)로 이동되어 마찬가지로 라인 내의 기압을 감소시키고 안정된 압력을 유지하도록 사용된다. 상기 압력조절기(11)에서 배출된 고농도의 기체 혼합물은 선택적으로 습기 건조기(7)로 향하거나 밸브(20,21,22)의 조정을 통해 습기 건조기(7)을 우회하여 미립자 여과수단(17)으로 들어간다. 여과수단(17)으로부터의 기체흐름은 다수 개의 질량 흐름 조절기(2A,2B)로 들어가게 되는데, 본 발명의 목적에 요구되는 최소의 질량흐름 조절기는 2개이다.

본 발명의 시스템은 기체 시료의 흐름을 도입하기 위해 채택되었다.

이 시료 기체는 여과수단(17)으로 직접 향할수도 있고, 또는 먼저 습기 건조기(8)를 통과한 후 밸브(23,24,25)의 조정에 의해 다음 여과수단(17)으로 흘러갈 수도 있다.

조합된 질량흐름 조절기(1,2A,2B)로부터 나온 유출물과 시료기체의 흐름은 고순도의 격막 차단밸브(3,4A,4B,5)를 거쳐 다기관(15)으로 도입된다.

상기 질량흐름 조절기는 흐름 측정기(18)에 의해 측정했을 때 다기관(15)의 출구에 연결된 분석기(16)에 대해 과도할 정도의 충분한 흐름을 출구에 제공하는 방식으로 선택된다. 질량흐름 조절기의 흐름 조정은 최종 측정기체 혼합물 농도를 고정하는 작동 방법상의 결정인자이다. 본 발명은 시스템을 사용하여 저농도 기체 혼합물을 제조하는 방법은 다음과 같이 이루어진다.

(1) 고순도의 압력 조절기를 사용하여 비교기체원의 압력을 감소시키는 단계;

(2) 정제기 사용시점으로 비교기체를 최적화시키는(conditioning)단계;

(3)비교기체를 여과시키는 단계;

(4) 질량흐름 조절장치를 이용하여 상기 비교기체의 흐름속도를 정밀하게 조정하는 단계;

(5) 고순도 압력 조절기를 사용하여 고농도 기체 혼합물의 압력을 감소시키는 단계;

(6) 기체 건조기를 거치거나 상기 기체 습기 건조기를 우회하여 고농도 기체 혼합물을 최적화시키기 위한 조건을 제공하는 단계;

(7) 고농도 기체 혼합물을 여과시키는 단계;

(8) 2개 이상의 질량흐름 조절장치를 이용하여 고농도 기체 혼합물의 흐름속도를 정밀하게 조정하는 단계;

(9) 격막 차단밸브를 바람직하게 사용하여 고농도 기체 혼합물의 확실한 차단을 제공하는 단계;

(10) 질량흐름 조절장치를 조작하여 원하는 혼합물을 달성하기 위해 비교기체로 고농도 기체 혼합물을 희석시키는 단계; 및

(11) 분석기의 요구도를 충족시키기 위해 분석기에 충분한 양의 최종기체 혼합물을 공급하면서 초과량의 우회 흐름을 허용하도록 하는 단계;

본 발명은 측정기체를 낮은 ppb/ppt 범위로 발생시키는데 사용하기 위해 매우 바람직한 측정장치를 제공하는 것이다. 이와같이, 본 발명은 전자 기체 산업에 필요한 엄격한 규정을 만족시킬 수 있는 수단을 제공함으로써 이 기술분야를 진보시킬수 있다.

Claims

극고순도의 기체분석용 측정 시스템에 있어서, (a)비교기체용 컨테이너 수단과, (b)고농도 기체 혼합물용 컨테이너 수단과, (c)상기 비교기체로부터 불순물을 제거하기 위해 채용된 사용시점 정제기와, (d) 조절된 상승온도를 유지하고 내부의 변화를 최소화하도록 밀폐된 가열 격실과, (e) 미립자들을 제거하기 위해 상기 비교기체와 상기 고농도 기체 혼합물을 별도로 여과시키도록 상기 가열 격실내에 위치하는 여과수단과, (f) 상기 가열 격실내에 위치하고 대기중의 오염물질이 상기 비교기체나 고농도 기체 혼합물내로 유입되지 못하도록 필수적으로 누출이 방지되어 있으며 상기 고농도 기체 혼합물용으로는 1개 이상을 구비하고 있는, 상기 비교기체와 상기 고농도 기체 혼합물의 흐름을 별도로 조절하기 위한 질량흐름조절수단과, (g) 상기 가열 격실내에 위치하고 상기 질량 흐름 조절수단으로부터 나온 기체를 수용하여 분석수단으로 전달하는 다기관으로서, 상기 비교기체와 상기 고농도 기체 혼합물을 상기 질량흐름 조절수단으로부터 상기 다기관으로 이동시키기 위한 유입구 및 상기 기체가 질량흐름 조절수단으로부터 상기 다기관으로 흐르는 것을 조절하기 위한 차단밸브를 구비하고 있으며, 상기 차단밸브는 대기중의 오염물질이 상기 모든 질량흐름 조절수단중 어느 하나로부터 유입되는 비교기체나 고농도의 기체 혼합물로 유입되는 것을 방지하도록 밀폐식으로 되어 있으며, 상기 가열 격실내에 있는 모든 도관 및 부품들이 전기도금처리되고 폴리싱된 스텐레스 강으로 제조되어 있는 다기관,및 (h) 기체의 순도를 극고순도 또는 낮은 ppm/ppt 범위로 측정할 수 있는 기체 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 극고순도 기체 분석용 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 고농도 기체 혼합물용 질량 흐름 조절수단은 흐름율이 상이한 2개 이상의 질량흐름 조절수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 고농도의 기체 혼합물이 상기 여과 수단을 통과하기 전에, 상기 고농도 기체 혼합물을 건조시키기 위한 건조수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제3항에 있어서, 상기 고농도 기체 혼합물용 여과수단은 상기 혼합물의 각 부분이 별도의 질량흐름 조절수단에 전달되도록 하는 분리수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제2항에 있어서, 상기 고농도 기체 혼합물용 질량흐름 조절수단은 2개의 질량흐름 조절수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 가열 격실은 조절된 온도를 약 60℃내지 약 80℃의 범위 이내로 유지하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제6항에 있어서, 상기 가열 격실은 조절된 온도를 약70℃±0.5℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 차단밸브는 격막밸브인 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서,상기 시스템은 상기 비교기체와 상기 고농도 기체 혼합물이 상기 별도의 컨테이너 수단으로부터 유출되었을때 그 각각의 압력을 감소시키기 위한 압력조절수단을 더 포함하며, 상기 조절수단은 대기중의 오염물질이 비교 기체나 상기 고농도의 기체 혼합물내로 유입되는 것을 방지하도록 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
제9항에 있어서, 상기압력조절수단은 대기중의 오염물질이 비교기체나 고농도 기체 혼합물로 유입되는 것을 방지하는 금속격막형 압력조절수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 시료기체를 가열 격실내에 위치하는 별도의 여과수단에 도입하여 상기 시료기체로부터 불순물 미립자를 제거시킬 수 있게 하는 도관 수단, 및 상기 여과수단으로부터 상기 다기관으로 향하는 시료기체의 흐름을 조절하는 차단밸브수단을 더 포함하며, 상기 다기관은 상기 여과수단으로부터 상기 다기관으로 샘플기체가 통행하는 유입구를 포함하며, 상기 차단밸브수단은 대기중의 오염물질이 시료기체내로 도입되는 것을 방지하도록 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는시스템.
제1항에 있어서, 상기 기체분석수단으로 흐르는 기체의 흐름을 우회시키기 위한 측로 흐름라인을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 12항에 있어서, 상기 측로 흐름라인에는 흐름측정수단이 제공되어 있는것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 다기관용 유입구는 비교기체용 유입구가 상기 기체분석수단으로부터 가장 멀리 있도록 위치하고, 그 옆에는 더 높은 농도의 기체 혼합물 질량조절수단으로부터의 기체 유입구가 위치하며,가장 낮은 농도의 기체 혼합물 흐름조절수단으로부터의 기체의 유입구가 상기 기체분석수단에 가장 근접하게 위치하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제14항에 있어서, 고농도 기체 혼합물용 상기 질량흐름조절수단은 2개의 질량흐름 조절수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 각각의 부품들이 서로 아주 근접하게 위치하고 상기 부품의 크기, 및 부품 부착물들을 함께 용접시킬 수 있는 능력이 일정한 것을 특징으로 하는 시스템.
제16항에 있어서, 부품들간의 거리가 약2 이하인 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 다기관의 총 내부용적이 약 10㏄이하로서 약 1초 이내에 시스템을 완전히 세정시킬 수 있는것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 기체분석수단이 대기압 이온화 질량 스펙트로미터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 시스템.
제5항에 있어서, 고농도 기체 혼합물에 대한 1개의 질량흐름조절수단의 흐름용량 범위는 0내지 100㏄/분의 범위이고 상기 고농도 기체 혼합물에 대한 상기 제2의 질량흐름조절수단의 흐름용량은 약0-1㏄/분인 것을 특징으로 하는 시스템.
제20항에 있어서, 비교기체에 대한 질량흐름 조절수단의 흐름용량 범위가 0내지 2,000㏄/분인 것을 특징으로 하는 시스템.
제11항에 있어서, 여과수단으로부터 상기 다기관으로 흐르는 시료기체의 흐름을 조절하기 위한 상기 차단밸브가 격막밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 사용시점 정제장치 및 비교기체의 흐름을 조절하기 위한 상기 질량흐름조절수단 사이의 거리가 약12미만인 것을 특징으로 하는 시스템.