(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子の焼結体からなる微小孔フィルターと、前記微小孔フィルターの上流側に接続された真空用クロス配管と、該真空用クロス配管内の圧力を測定するために真空用クロス配管に接続された隔膜真空計からなる分子流を実現するためのガスリーク用微小孔フィルター装置であって、
分子流を実現するための前記真空用クロス配管内の圧力領域について、予め、前記真空用クロス配管に接続されたガス導入系から純ガスを導入し、前記微小孔フィルターの下流に接続された真空容器を高真空ポンプで排気速度ＣPで排気し、前記真空用クロス配管内の圧力Ｐuを前記隔膜真空計で、前記真空容器内の圧力Ｐdを全圧真空計で測定し、式ＣF＝ＣPＰd／Ｐuを使って、前記真空用クロス配管内の圧力Ｐuを変えながらＣFを求め、ＣFが一定となる真空用クロス配管内の圧力Ｐuの圧力領域を、分子流が実現している領域として校正しかつ値付けされていることを特徴とする分子流を実現するためのガスリーク用微小孔フィルター装置。
【請求項２】
微粒子の焼結体からなる微小孔フィルターと、前記微小孔フィルターの上流側に接続された真空用クロス配管と、該真空用クロス配管内の圧力を測定するために真空用クロス配管に接続された隔膜真空計からなる分子流を実現するためのガスリーク用微小孔フィルター装置であって、
分子流を実現するための前記真空用クロス配管内の圧力領域について、予め、前記真空用クロス配管に接続されたガス導入系から標準混合ガスを導入し、前記微小孔フィルターの下流に接続された真空容器を高真空ポンプでガス種ｉの排気速度ＣPiで排気したとき、前記真空用クロス配管内の全圧Ｐuを前記隔膜真空計で測定し、前記真空用クロス配管内の全圧Ｐuを変えながら前記真空容器のガス種ｉの分圧Ｐdiを分圧真空計で測定し、Ｐdi／Ｐu比が一定となる前記真空用クロス配管内の全圧Ｐｕの圧力領域を、分子流が実現している領域として校正し、さらに、ＣPi・Ｐdiの値と、ＣFi・Ｐu・ｍiの値と、ここで、ＣFiはガス種ｉの前記微小孔フィルターのコンダクタンス、ｍｉは標準混合ガスにおけるガス種ｉの濃度である、を比較して両者が等しくなっている前記真空用クロス配管内の全圧Ｐuの圧力範囲を、分子流が実現している圧力範囲として校正しかつ値付けされていることを特徴とする分子流を実現するためのガスリーク用微小孔フィルター装置。
【請求項３】
微粒子の焼結体からなる微小孔フィルターと、前記微小孔フィルターの上流側に接続された真空用クロス配管と、該真空用クロス配管内の圧力を測定するために真空用クロス配管に接続された隔膜真空計からなる分子流を実現するためのガスリーク用微小孔フィルター装置であって、
分子流を実現するための前記真空用クロス配管内の圧力領域について、予め、前記真空用クロス配管に接続されたガス導入系から標準混合ガスを導入し、前記微小孔フィルターの下流に接続された真空容器を高真空ポンプで排気速度ＣPiで排気し、前記真空用クロス配管内の全圧Ｐuを前記隔膜真空計で測定し、前記真空用クロス配管内の全圧Ｐuを変えながら前記真空容器の全圧Ｐdを全圧真空計で測定し、ＣFi・Ｐu・ｍiの値、ここで、ＣFiはガス種ｉの前記微小孔フィルターのコンダクタンス、ｍiは標準混合ガスにおけるガス種ｉの濃度である、を求め、この求めた値をさらにＣPiで除した値を全てのガス種ｉについて求めて総和し、この総和した値が、前記全圧真空計で測定した前記真空容器の全圧Ｐdと等しくなっている前記真空用クロス配管内の全圧Ｐuの圧力範囲を分子流が実現している圧力範囲として校正しかつ値付けされていることを特徴とする分子流を実現するためのガスリーク用微小孔フィルター装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、標準混合ガスを真空容器に導入する際に用いる微小孔フィルターの校正方法及び校正装置に関し、特に、微粒子の焼結体で構成された微小孔フィルターであって、微小孔フィルターの校正方法により予め校正された圧力領域の範囲内の圧力において分子流を実現する微小孔フィルターに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、標準混合ガスを、リークバルブ又はマスフローコントローラーを介して真空装置に導入する際には、気体の流れが途中で中間流になってしまうため、混合ガスの流量比が元の標準混合ガスの組成比と異なってしまい、予測できなくなるという問題があった。また、バルブの開度や元圧によっても、混合ガスの流量比が変化するため再現性がないという問題があった。
一方、本発明者は、非特許文献１において、純ガスを用いた分圧真空計の校正方法であって、焼結フィルターを用いて校正室に流れ込む気体が分子流となるようにしたものを提案している。しかしながら、非特許文献１の方法では、混合ガスを用いた校正を行うことができない。なぜなら、焼結フィルターの上流に、キャピラリーと副排気系を設けてあるため、これらの影響により、導入される混合ガスの流量比が、元の標準混合ガスの組成比と異なってしまうためである。さらに、提案した焼結フィルターは、微粒子の焼結体で構成されており、焼結条件などにより一つ一つの焼結フィルターでばらつきがあり、焼結フィルターを一個一個校正するための、校正方法及び校正装置の開発が必要であった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】吉田肇外３名、「二段式流量分配法による分圧真空計の校正サービス」、Ｊｏｕｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｊａｐａｎ、日本真空協会、２００８年３月１５日、第５１巻、第３号、ｐ．１０９−１１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする問題点は、微粒子の焼結体で構成された微小孔フィルターであって、微小孔フィルターを流れる流体が分子流となるようにした標準混合ガスリーク用微小孔フィルターを一個一個校正するための、校正方法及び校正装置を提供することにある。分子流を実現すると、気体同士の相互作用が無くなるため、混合ガスを構成するそれぞれのガス種を独立に扱うことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明で利用した微小孔フィルター校正装置は、微小孔フィルターの上流に、標準混合ガス及び純ガスのガス導入系、容積輸送式真空ポンプ、上流圧力Ｐu測定用隔膜真空計を配置する。容積輸送式真空ポンプと隔膜真空計を用いる理由は、これらの特性にガス種依存性が無いためである。容積輸送式真空ポンプと隔膜真空計の動作圧力範囲から、微小孔フィルターの上流の圧力は１０2Ｐａ〜１０5Ｐａ程度が想定される。分子流を実現するためには、微小孔フィルターの孔径を、圧力の関数である気体の平均自由行程より小さくする必要がある。よって、１０2Ｐａ〜１０5Ｐａで分子流を実現するためには、微小孔フィルターの孔径を数十μm以下にする必要があり、実用的には１μm以下にすることが望まれる。また、微小孔フィルターの下流には、真空容器を配置し、前記真空容器には排気用高真空ポンプ、下流圧力Ｐd測定用全圧真空計、下流圧力Ｐd測定用分圧真空計を接続した微小孔フィルター校正装置において、微小孔フィルターを介して、真空容器に気体を導入した際、真空容器内部の圧力が、全圧真空計、分圧真空計の動作圧力範囲内にあるように、高真空ポンプの排気速度を選択して微小孔フィルターで分子流が実現されているかどうかを校正することを特徴とする。排気速度を調整するため、排気用高真空ポンプの前にオリフィスを設置する場合もある。
本発明は、微粒子の焼結体からなる微小孔フィルターと、前記微小孔フィルターの上流側に接続された真空用クロス配管と、該真空用クロス配管内の圧力を測定するために真空用クロス配管に接続された隔膜真空計からなる分子流を実現するためのガスリーク用微小孔フィルター装置であって、分子流を実現するための前記真空用クロス配管内の圧力領域について、予め、前記真空用クロス配管に接続されたガス導入系から純ガスを導入し、前記微小孔フィルターの下流に接続された真空容器を高真空ポンプで排気速度ＣPで排気し、前記真空用クロス配管内の圧力Ｐuを前記隔膜真空計で、前記真空容器内の圧力Ｐdを全圧真空計で測定し、式ＣF＝ＣPＰd／Ｐuを使って、前記真空用クロス配管内の圧力Ｐuを変えながらＣFを求め、ＣFが一定となる真空用クロス配管内の圧力Ｐuの圧力領域を、分子流が実現している領域として校正しかつ値付けされていることを特徴とする。
また、本発明は、微粒子の焼結体からなる微小孔フィルターと、前記微小孔フィルターの上流側に接続された真空用クロス配管と、該真空用クロス配管内の圧力を測定するために真空用クロス配管に接続された隔膜真空計からなる分子流を実現するためのガスリーク用微小孔フィルター装置であって、分子流を実現するための前記真空用クロス配管内の圧力領域について、予め、前記真空用クロス配管に接続されたガス導入系から標準混合ガスを導入し、前記微小孔フィルターの下流に接続された真空容器を高真空ポンプでガス種ｉの排気速度ＣPiで排気したとき、前記真空用クロス配管内の全圧Ｐuを前記隔膜真空計で測定し、前記真空用クロス配管内の全圧Ｐuを変えながら前記真空容器のガス種ｉの分圧Ｐdiを分圧真空計で測定し、Ｐdi／Ｐu比が一定となる前記真空用クロス配管内の全圧Ｐuの圧力領域を、分子流が実現している領域として校正し、さらに、ＣPi・Ｐdiの値と、ＣFi・Ｐu・ｍiの値と、ここで、ＣFiはガス種ｉの前記微小孔フィルターのコンダクタンス、ｍiは標準混合ガスにおけるガス種ｉの濃度である、を比較して両者が等しくなっている前記真空用クロス配管内の全圧Ｐuの圧力範囲を、分子流が実現している圧力範囲として校正しかつ値付けされていることを特徴とする。
また、本発明は、微粒子の焼結体からなる微小孔フィルターと、前記微小孔フィルターの上流側に接続された真空用クロス配管と、該真空用クロス配管内の圧力を測定するために真空用クロス配管に接続された隔膜真空計からなる分子流を実現するためのガスリーク用微小孔フィルター装置であって、分子流を実現するための前記真空用クロス配管内の圧力領域について、予め、前記真空用クロス配管に接続されたガス導入系から標準混合ガスを導入し、前記微小孔フィルターの下流に接続された真空容器を高真空ポンプで排気速度ＣPiで排気し、前記真空用クロス配管内の全圧Ｐuを前記隔膜真空計で測定し、前記真空用クロス配管内の全圧Ｐuを変えながら前記真空容器の全圧Ｐdを全圧真空計で測定し、ＣFi・Ｐu・ｍiの値、ここで、ＣFiはガス種ｉの前記微小孔フィルターのコンダクタンス、ｍiは標準混合ガスにおけるガス種ｉの濃度である、を求め、この求めた値をさらにＣPiで除した値を全てのガス種ｉについて求めて総和し、この総和した値が、前記全圧真空計で測定した前記真空容器の全圧Ｐdと等しくなっている前記真空用クロス配管内の全圧Ｐuの圧力範囲を分子流が実現している圧力範囲として校正しかつ値付けされていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の校正方法及び校正装置を用いることにより、標準混合ガスリーク用微小孔フィルターを一個一個校正するための、校正方法及び校正装置が実現できた。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の校正方法を実施するための校正装置の一実施例を示した説明図である。
【図２】図２は、校正製品と校正証明書の具体的イメージを示した図である。
【図３】図３は、標準混合ガスリーク用微小孔フィルターの一例を示す図である。
【図４】図４は、純ガス(Ｎ2)を使った校正結果の一例を示す図である。
【図５】図５は、標準混合ガス(Ｈ2／Ｈｅ／Ｎ2／Ａｒ＝１／１／１／１)を使った校正結果の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
混合ガスを、微小孔フィルターを介して真空容器に導入する。フィルター上流の圧力がある閾値以下(例えば１０ｋＰａ)になると、混合ガスが分子流を保ったまま真空容器に導入される。分子流では、気体同士の相互作用を無くなり、流量が気体の質量数の１／２乗に比例する。従って、元の混合ガスの組成比や圧力から、真空容器に導入される混合気体の流量や流量比を求めることができる。そこで、混合ガスが微小孔フィルターを介して分子流を保ったまま真空容器に導入されることを、標準混合ガスリークということにする。
微小孔フィルターの一例を、図３に示す。図３に示した例では、混合ガスがフィルター面に接する前に、中間流の影響を受けないように、フィルター面が前に突き出た形状になっている。
微小孔フィルターの校正とは、以下の２点を測定することである。
（１）分子流が実現される微小孔フィルター上流の圧力範囲
（２）微小孔フィルターの分子流コンダクタンス
コンダクタンスは、ユーザーの装置への適合性を判断する指標となり、また、微小孔フィルター上流圧力と温度を測定することにより、流量の絶対値を求めることができるようになる。
【実施例】
【０００９】
本発明の校正は、図１に一実施例として示したような本発明の校正装置を用いて行う。図に示すように、微小孔フィルターの上流にガス導入系、容積輸送式真空ポンプ、隔膜真空計を配置する。容積輸送式真空ポンプと隔膜真空計は、原理的にガス種依存性が無いので、混合ガスの組成を変化せず、混合ガスの測定に問題もない。また、微小孔フィルターの下流に、真空容器、ターボ分子ポンプなどの高真空ポンプ、校正された全圧真空計(電離真空計、スピニングローター真空計など)と分圧真空計(質量分析計)を配置する。微小孔フィルターを介して、真空容器に気体を導入した際、真空容器内部の圧力が、全圧真空計、分圧真空計の動作圧力範囲内にあるように、高真空ポンプの排気速度を選択する。排気速度を調整するため、排気用高真空ポンプの前にオリフィスを設置する場合もある。
【００１０】
微小孔フィルターの上流圧力をＰu、下流圧力をＰd(真空容器内の圧力)、微小孔フィルターのコンダクタンスをＣF、高真空ポンプの排気速度をＣPとした時、流量が保存されることから、微小孔フィルターを通って真空容器内に導入される気体流量は高真空ポンプで排気される気体流量に等しいので以下の関係が成り立つ。
ＣF(Ｐu−Ｐd)＝ＣPＰd 
ここで、Ｐu＞＞Ｐdであるから、ＣFＰu＝ＣPＰdとみなすことができ、よって、
ＣF＝ＣPＰd／Ｐu                  ・・・(１)
と表すことができる。
分子流が成立していると、ＣFは圧力に依存せずに一定となる。高真空ポンプの排気速度ＣPは予め見積もっておく。例えば、ターボ分子ポンプを使用すれば、ＣPは１０-2Ｐａ以下の圧力に対して一定値となるので便利である。
【００１１】
（１）純ガスを使った校正方法
図４のように、微小孔フィルター上流に純ガスを導入し、上流圧力Ｐuを隔膜真空計で、下流圧力Ｐdを全圧真空計で測定する。(１)式を使ってＣFを求める。さらに、図４のように上流圧力Ｐuを変えながらＣＦを求め、ＣFが一定となる圧力領域で分子流が実現しているので、その圧力範囲を求める。また、ガス種を変えてＣFを測定し、その比が気体の質量数の１／２乗になっていることからも、分子流が成立していることを示すことが出来る。
【００１２】
（２）標準混合ガスを使った校正方法
図５のように、微小孔フィルター上流に標準混合ガスを導入し、上流圧力Ｐuを隔膜真空計で、下流圧力Ｐdを分圧真空計、または全圧真空計で測定する。
この時、標準混合ガス中のガス種ｉの流量Ｑiは、Ｐuiを上流のガス種ｉの分圧、ｍiを標準混合ガスにおけるガス種ｉの濃度、Ｐdiを下流のガス種ｉの分圧、ＣPiを高真空ポンプのガス種ｉの排気速度とすると、以下の式で表される。
＜微小孔フィルターの上流から真空容器＞
Ｑi＝ＣFiＰui＝ＣFi・Ｐu・ｍi    (∵Ｐu＞＞Ｐd)・・・(２)
＜真空容器から排気＞
Ｑi＝ＣPi・Ｐdi                              ・・・(３)
（ｉ）分圧真空計を使った校正
図５のように上流の全圧Ｐｕを変化させながら、分圧真空計で真空容器内の分圧Ｐdiを測定し、Ｐdi／Ｐu比が一定となる圧力領域で、分子流が実現しているので、その圧力範囲を求める。さらに、(３)式を使ってＱｉを求め、この値と、ＣFiが質量数の１／２乗に比例しているとして(２)式を使って求めた値を比較し、両者が等しくなることからも、分子流が実現していることを示すことが出来る。
（ｉｉ）全圧真空計を使った校正
真空容器内の圧力Ｐdは、各ガス種の分圧の和になる。
0005963204.tif 000002
よって、(２)式を使って、各ガス種のＰuiとＣFiから、ＣFiが質量数の１／２乗に比例しているとして、各ガス種の流量Ｑｉを計算し、さらに(３)式を使って各ガス種の分圧Ｐdiを求め、(４)式を使って和を取ることによりＰdを求める。この求めた値と、全圧真空計の測定値とを比較し、両者が等しくなることからも、分子流が実現していることを示すことが出来る。
【００１３】
上記した３種類の校正方法の長所と短所を、以下にまとめた。ユーザーの要求精度に応じて、これらの校正を組み合わせる。
＜Ｉの校正方法＞
使用ガス：純ガス
計測器：全圧真空計
長所：測定の再現性が良く、不確かさが小さい。コンダクタンスを精度良く測定できる。
短所：混合ガスの挙動を測定していない。
＜ＩＩの校正方法＞
使用ガス：標準混合ガス
計測器：分圧真空計
長所：混合ガスそれぞれの気体の挙動を直接測定できる。
短所：測定のバラツキが大きく、再現性が悪い。不確かさが大きい。
＜ＩＩＩの校正方法＞
使用ガス：標準混合ガス
計測器：全圧真空計
長所：測定の再現性が良く、不確かさが小さい。
短所：混合ガスの挙動を間接的に測定しているものの、気体それぞれの挙動まではわからない。
【００１４】
なお、校正は、具体的には例えば図２に示すように、微小孔フィルターに真空用クロス配管を接続し、隔膜真空計を付属した状態で校正し、校正証明書を付属して頒布する。
【００１５】
また、本発明の校正方法及び校正装置により校正された微小孔フィルターの使用例として、四重極質量分析計の標準混合ガスによる校正に使用する場合について説明する。
四重極質量分析計の構成手順
（１）ユーザーが保有する真空装置の排気速度や希望する圧力範囲といった条件から、微小孔フィルターを選択し、装置に接続する。
（２）任意の標準混合ガスを、微小孔フィルター上流に導入し、微小孔フィルター上流の圧力を、分子流が実現する圧力範囲内に設定する。
（３）＜ａ：流量比、または分圧比に対して校正する場合＞
ガス種Ａの流量、標準混合ガスの濃度、質量数をＱA、ｍA、ＭA、ガス種Ｂの流量、標準混合ガスの濃度、質量数をＱB、ｍB、ＭBとすると、ガス種ＡとＢの流量比は
【００１６】
【数１】
0005963204.tif 000003
【００１７】
と表される。
このとき、四重極質量分析計でガス種Ａとガス種Ｂの信号強度の比ＩA／ＩBを測定し、数式１の値と比較して四重極質量分析計の信号強度の比を流量比に対して校正する。また、ガス種ＡとＢの排気速度の比ＳA／ＳBが既知であれば、
【００１８】
【数２】
0005963204.tif 000004
【００１９】
ガス種ＡとＢの分圧の比ＰA／ＰBは、数式２で表される。このとき、四重極質量分析計でガス種Ａとガス種Ｂの信号強度の比ＩA／ＩBを測定し、数式２の値と比較することで、信号強度の比を分圧比に対して校正する。
【００２０】
＜ｂ：流量、または分圧(絶対値)を校正する場合＞
微小孔フィルターの校正証明書に窒素(Ｍ＝２８)のコンダクタンスＣN2が記載されている場合、校正時の温度をＴCとすると、任意の気体ｉのコンダクタンスＣiは、
【００２１】
【数３】
0005963204.tif 000005
【００２２】
となる。ここで、Ｍiは任意の気体ｉの質量数、Ｔはユーザーが使用する時の温度である。
任意の気体ｉの流量Ｑiは、微小孔フィルター上流圧力ＰUを測定することにより、任意の気体ｉの濃度ｍiとコンダクタンスＣiから、以下のように求められる。
【００２３】
【数４】
0005963204.tif 000006
【００２４】
数式４で得られたＱiと、四重極質量分析計の信号Ｉiを比較して、四重極質量分析計を流量に対して校正する。また、任意の気体iの排気速度Ｓiが既知であれば、
【００２５】
【数５】
0005963204.tif 000007
【００２６】
任意の気体ｉの分圧Ｐiは、数式５で表されるから、このときの、四重極質量分析計の信号強度のＰiを測定し、数式５の値と比較して四重極質量分析計を分圧に対して校正する。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
校正対象として微小孔フィルターについて説明したが、分子流を生じさせるものであれば、本発明の校正方法及び校正装置が適用できる。
【図１】
0005963204.tif 000008
【図２】
0005963204.tif 000009
【図３】
0005963204.tif 000010
【図４】
0005963204.tif 000011
【図５】
0005963204.tif 000012