(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導により発生する起電力を取り出す白金電極を有して測定対象ガスの酸素濃度を測定する固体電解質酸素センサ（以下、酸素センサ）を備えた酸素濃度測定装置において、前記酸素センサの上流側に、セラミック管から成り、その内部に触媒を充填し、外周面にヒータを装着して加熱する除去ユニットを設け、この除去ユニットによって前記測定対象ガスに含まれた前記白金電極を劣化させる物質を除去することを特徴とする酸素濃度測定装置。
【請求項２】
前記除去ユニット及び前記酸素センサを稼動制御する制御演算部と、その制御演算部と接続された電圧源を設け、さらに前記除去ユニットのセラミック菅の両端側から中央側への軸方向外周面に一定距離ヒータの無い部分を設け、前記触媒がウール状の白金及び顆粒状の銀であって、ウール状の白金を前記セラミック管の中央部に、顆粒状の銀をそのウール状の白金の両側にそれぞれ充填し、前記制御演算部を稼動して前記電圧源から前記除去ユニットに電力が供給されて前記除去ユニットを加熱して除去ユニットのセラミック管内部の中央部分を７５０℃以上とし、前記セラミック菅の両端側から中央側への軸方向外周面に一定距離ヒータの無い部分を設けることによりその中央部分から両側方向に５００℃以下の温度分布が生じるよう温度制御されることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度測定装置。
【請求項３】
前記電力の供給によって、前記除去ユニットの温度分布が生じて除去ユニットが稼働可能な状態に達するまでの除去ユニットへの昇温時間が、前記電力の供給によって酸素センサが加熱されて酸素センサが測定可能な温度に達するまでの酸素センサへの昇温時間よりも短くなるように前記制御演算部によって制御されることを特徴とする請求項１又は２に記載の酸素濃度測定装置。
【請求項４】
測定対象ガスを吸引する吸引ポンプを備え、前記除去ユニット及び酸素センサが稼動した後の所定時間後に、測定対象ガスを吸引して前記除去ユニット内に送り込むようにしたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の酸素濃度測定装置。
【請求項５】
測定対象ガスが圧送される流路にその流路の開閉を行う電磁式開閉弁を備え、前記除去ユニット及び酸素センサが稼動した後の所定時間後に、前記電磁式開閉弁を開にして測定対象ガスを前記除去ユニット内に送り込むようにしたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の酸素濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半田付け装置や半導体製造装置等における酸素濃度の監視や制御に用いられる酸素濃度測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半田付け装置等においては、酸素による半田の酸化によって半田の濡れ性が低下して半田付けの不良が発生することがある。そのため一般的に、前記半田付けの不良を防止する目的で半田付け雰囲気中の酸素濃度を半田に影響のない所定の数値（例えば、１００ppm）内に監視して制御する目的で酸素濃度測定装置が用いられている。
【０００３】
また、半導体製造装置等においては、半導体の製造過程におけるシリコンウエハの処理が無酸素の状態で行われることが多い。（例えば、CVD、焼成、アニール等）。しかし、シリコンウエハの処理において加熱行程があると、シリコンウエハ表面のシリコンと酸素が結合し易くなってその結果、酸化シリコン（ＳiＯ２）となる。この酸化シリコンは絶縁性のものであり、半導体の製造にとって不良品を発生させる要因となるものである。このことから、シリコンウエハ処理工程における雰囲気中の酸素濃度が半導体の製造にとって影響が大であるので、半導体の製造に影響が及ばない酸素濃度数値内に監視して制御する目的で酸素濃度測定装置が用いられている。
【０００４】
上述の酸素濃度測定装置には、酸素濃度を測定する酸素センサを有している。酸素センサは一般に、ジルコニア等の、高温において酸素イオン伝導性のある所定形状の固体電解質の両面に白金電極をそれぞれ設け、その一方の側の白金電極に酸素濃度一定の基準ガス（普通は大気）を接触させると共に、他方の側の白金電極には酸素濃度を測りたい測定対象ガスを接触させて、酸素濃度の差に基づく両電極間の起電力を測定することにより、ネルンストの理論式を用いて測定ガス中の酸素濃度を測定するものである。
【０００５】
このような酸素センサの場合、白金電極が測定ガス中に含まれる不純物に接触するとその不純物が白金電極に付着して酸素分子の移動、すなわち、電子移動がスムーズに行われなくなり、短期間で応答の遅れ現象が生じ、最終的には電子移動ができなくなって酸素センサとしての機能が失われることになる。そのため、白金電極の劣化防止対策として従来からいろいろ提案がなされている。
【０００６】
例えば、特許文献１には、Si被毒防止用酸素センサにおいて、排気ガスにさらされる側に、電極を被覆して周期律表IIa族元素からなる成分を含む保護層を備えてこの保護層にSiを吸着反応させる技術が開示されている。また、特許文献２には、酸素センサ内部の電極部上流側に劣化成分吸収剤（例えば、石英ウール）を充填して酸素センサを保護することが開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平２−２２２８３０号公報
【特許文献２】特開２００２−２２６９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の酸素センサでは測定電極に対する保護層は、容射、特にプラズマ容射によって形成されるが、細長い管状素子の奥深い内周部に測定電極が形成されている場合等では容射が非常に困難なことが問題となっている。また、特許文献２の酸素センサでは石英ウール等の劣化成分吸収剤はその吸収速度が遅いため多量の吸収剤が必要となるので、測定対象ガスが酸素センサに到達するまでの時間が長くなり、酸素センサとしての応答の遅れが問題となっている。
【０００９】
本発明は、測定対象ガス中の酸素センサを劣化させる物質を、測定対象ガスが酸素センサに到達する前に除去し、酸素センサが酸素センサを劣化させる物質が含まれない状態で酸素濃度測定ができる酸素濃度測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明は、酸素濃度測定装置において、酸素センサーの上流側に、セラミック管から成り、その内部に触媒を充填し、外周面にヒータを装着して加熱する除去ユニットを設け、この除去ユニットによって測定対象ガスに含まれた白金電極を劣化させる物質を除去するようになっている。
【００１１】
前記除去ユニット及び前記酸素センサを稼動制御する制御演算部と、その制御演算部と接続された電圧源を設け、さらに前記除去ユニットのセラミック菅の両端側から中央側への軸方向外周面に一定距離ヒータの無い部分を設け、前記触媒がウール状の白金及び顆粒状の銀であって、ウール状の白金を前記セラミック管の中央部に、顆粒状の銀をそのウール状の白金の両側にそれぞれ充填し、前記制御演算部を稼動して前記電圧源から前記除去ユニットに電力が供給されて前記除去ユニットを加熱して除去ユニットのセラミック管内部の中央部分を７５０℃以上とし、前記セラミック菅の両端側から中央側への軸方向外周面に一定距離ヒータの無い部分を設けることによりその中央部分から両側方向に５００℃以下の温度分布が生じるよう温度制御されるようになっている。
【００１２】
また、前記電力の供給によって、前記除去ユニットの温度分布が生じて除去ユニットが稼働可能な状態に達するまでの除去ユニットへの昇温時間が、前記電力の供給によって酸素センサが加熱されて酸素センサが測定可能な温度に達するまでの酸素センサへの昇温時間よりも短くなるように前記制御演算部によって制御されるようになっている。
【００１３】
さらに、測定対象ガスを吸引する吸引ポンプを備え、前記除去ユニット及び酸素センサが稼動した後の所定時間後に、測定対象ガスを吸引して前記除去ユニット内に送り込むようにしたり、あるいは、測定対象ガスの流路にその流路を開閉する電磁式開閉弁を備え、前記除去ユニット及び酸素センサが稼動した後の所定時間後に、前記電磁式開閉弁を開にして前記測定対象ガスを前記除去ユニット内に送り込むようにすることも可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の酸素濃度測定装置によれば、測定対象ガスに含まれる酸素センサを劣化させる物質が酸素センサの上流側に設けられた除去ユニットによって除去されるので、酸素センサを劣化させる物質が酸素センサに吸引されることがなく、酸素センサ自体に劣化防止対策を施す必要がない。その結果、酸素センサの測定感度、応答性等が格段に向上すると共に、酸素センサの長寿命化が可能となる。
【００１５】
また、除去ユニットの加熱によって除去ユニットに温度分布を生じさせることにより、酸素センサを劣化させる代表的な物質である塩素及び有機シリコン等は、それぞれの除去ユニット内の触媒との反応温度のところで反応するので反応温度の異なる物質でも確実に除去することができる。
【００１６】
さらに、除去ユニット及び酸素センサが稼動した後の所定時間後に、測定対象ガスを除去ユニット内に送り込むようにしているので、除去ユニット内に送り込まれる測定対象ガスから確実に酸素センサを劣化させる物質が除去される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明の酸素濃度測定装置の一実施例を示すブロック図であり、この酸素濃度測定装置には測定部１が設けられている。
【００１８】
この測定部１は、吸引口７から測定対象ガスのダストを除去するフィルタ８を介して測定対象ガスを吸引する吸引ポンプ４と、酸素濃度を測定する個体電解質酸素センサ（以下、酸素センサ）３と、酸素センサ３の上流に位置して吸引ポンプ４から送り込まれた測定対象ガスから酸素センサを劣化させる物質を除去して酸素センサ３に測定対象ガスを送り込む除去ユニット２を有している。
【００１９】
そして、酸素センサ３で酸素濃度が測定された後の測定対象ガスの流量を測定する流量計９と、流量計９を通過した測定対象ガスを測定部１の外部へ排出するガス排出口１２が設けられている。また、除去ユニット２へ送り込まれる測定対象ガスの流量が所定の流量となるよう、吸引ポンプ４と除去ユニット２間に設けられたバイパス経路の流量調節弁１０によって調節される。この調節のため一部のガスがバイパス排出口１１から排出される。
【００２０】
また、測定部１には、除去ユニット２を稼働させるための電圧源５と、除去ユニット２、酸素センサ３及び吸引ポンプ４の稼動制御や酸素センサ３からの酸素濃度信号を演算処理する制御演算部６が接続されている。
【００２１】
本発明の酸素濃度測定装置に用いられる酸素センサ３は、固体電解質の両面に白金電極が設けられた公知のものであって、高温（約７００℃）下で基準ガス（大気）と測定対象ガスにおいて酸素イオン伝導が行われるときに酸素濃度の差に基づいて両電極間に発生する起電力を利用して酸素濃度を測定するものであるが、従来のように前記白金電極の劣化防止対策として容射による保護層を形成したり、劣化成分吸収剤を充填したりする必要はない。なぜなら、酸素センサ３に送り込まれる測定対象ガスからは既に酸素センサ３の上流に位置した除去ユニット２によって前記白金電極を劣化させる物質が除去されているからである。
【００２２】
ところで、酸素センサにおける白金電極を劣化させる物質としては、半田付け装置等に用いられるフラックスに多く含まれる塩素や、半導体製造装置等のチャンバ内に使用されるシリコンシール剤に多く含まれる有機シリコン等が代表的なものである。
【００２３】
塩素においては、高温下で白金と化学反応を起こして塩化白金酸などを形成し、白金電極としての機能を奪うことになる。また、有機シリコンにおいては、高温下で酸素と結合してＳiＯ２の膜を電極表面に形成し、酸素透過を妨げることになる。
【００２４】
次に、本発明の酸素濃度測定装置に用いられる除去ユニット２について説明する。図２はこの除去ユニット２の軸方向の断面図である。
【００２５】
除去ユニット２は、セラミック管２１の両端部がそれぞれ支持ブロック３０、３１に挿嵌されて固定され、支持ブロック３０、３１がそれぞれベース３２に取り付けられて一体的になっている。そして、支持ブロック３０にセラミック管２１の内径部と鉛直方向に連通してガス入口２５が設けられ、支持ブロック３１にもセラミック管２１の内径部と鉛直方向に連通してガス出口２６が設けられてガスの出入りができるようになっている。
【００２６】
セラミック管２１の外周面には加熱のためのヒータ２２が装着され電圧源５に接続されている。このとき、支持ブロック３０、３１側におけるセラミック管２１の軸方向外周面に適当な距離でヒータの無い部分を設けることが必要である。なお、ヒータ２２は、セラミック管２１の外周面に白金線を巻回したものであり、このヒータ２２は定電圧駆動で白金線の内部抵抗と温度飽和により最高温度点が８００〜９００℃に達するように白金の巻回数等が調節される。また、ヒータ２２の外周面には断熱効果を得るため断熱材２８が装着される。この断熱材２８は不織布状のセラミックファイバーを幾重にも巻回したものである。なお、本発明の酸素濃度測定装置に用いられる酸素センサのヒータもこのヒータと略同様のものを使用する。
【００２７】
支持ブロック３０、３１には、セラミック管２１の軸方向にセラミック管２１の内径部と連通して貫通孔が穿設されており、Oリング等のシール材３３を介して蓋２７が着脱自由に支持ブロック３０、３１に取り付けられている。
【００２８】
そして、蓋２７を取り外してセラミック管２１の内部中央部の空間領域に触媒としてウール状の白金２３が充填され、その両側の空間領域に顆粒状の銀２４が充填される。そして、セラミック管２１の両端部内部に石英ウール２９が詰め込まれて、前記触媒のセラミック管内での移動を防ぐようにしている。除去ユニット２の稼動時は蓋２７が取り付けられることは言うまでもない。
【００２９】
なお、前記触媒のウール状の白金２３と顆粒状の銀２４は消耗品であり、交換時期と判断されたならば蓋２７部から詰め替えが可能である。
【００３０】
除去ユニット２を稼動させるための加熱は、電圧源５からヒータ２２への電力供給により行われ、セラミック管２１の中央部が略９００℃に到達した時点で図３に示めされるような温度分布が生じる。これは、前述したようにセラミック管２１の両側にヒータ２２の無い部分を設けているために生じるものである。
【００３１】
具体的には、セラミック管２１にＬ１、Ｌ２（両側２カ所）の３カ所の範囲を設定し、Ｌ１については略５００〜略９００℃の範囲、Ｌ２については略２５０〜５００℃の範囲としている。したがって、セラミック管２１内部に充填される触媒をこの３カ所の範囲になるよう配置する。つまり、Ｌ１部にはウール状の白金が、Ｌ２部にはそれぞれに顆粒状の銀２４が充填される。
【００３２】
これによって、周知のように塩素が４００℃付近で銀と結合しやすい特性を持つものであり、有機シリコンについても周知のように６００℃以上で白金に付着する特性を持つことからＬ１、Ｌ２の温度範囲内で２種類の物質が効率よく確実に除去される。
【００３３】
次に、本発明の酸素濃度測定装置における測定対象ガスから酸素センサを劣化させる物質を除去する作用について説明する。
【００３４】
酸素濃度測定装置の電源が入れられると、制御演算部６が稼動し、電圧源５から除去ユニット２のヒータ２２へ電力が供給されて除去ユニット２の加熱が開始される。同時に酸素センサ３にも電力が供給されて酸素センサ３の加熱も開始される。このとき、除去ユニット２が稼動可能な温度９００℃に達するまでの昇温時間が、酸素センサ３が酸素濃度測定可能な温度７００℃に達するまでの昇温時間よりも短くなるように制御演算部６にプログラミングされている。これにより、測定対象ガスが除去すべき物質が完全に除去されずに酸素センサ３に送り込まれることはない。
【００３５】
そして、除去ユニット２と酸素センサ３共に所定の温度に達し、除去ユニット２に前述の温度分布が生じた後の所定時間後に、吸引ポンプ４が測定対象ガスを吸引口７からそのガスのダストを除去するフィルタ８を介して吸引し、除去ユニット２へガス入口２５から送り込む。この除去ユニット２と酸素センサ３が稼動した後の所定時間後に吸引ポンプ４が稼動する制御は、除去ユニット２の温度分布範囲Ｌ１、Ｌ２部に備えた温度検知器（図示せず）の検知温度及び酸素センサ内の熱電対（図示せず）による内部温度の制御演算部６へのフィードバックによって行い、吸引ポンプ４が稼動するまでの時間は適宜設定する。
【００３６】
測定対象ガスの除去ユニット２及び酸素センサ３への導入手段については、測定対象ガスの流路を圧送流路とし、吸引ポンプ４に換えて電磁式開閉弁（図示せず）を備え、その開閉によって行うことも可能である。前記電磁式開閉弁の制御は吸引ポンプの場合と同様にすればよい。
【００３７】
除去ユニット２に送り込まれた測定対象ガスからは、除去ユニット２の温度分布範囲内において除去すべき物質が除去される。つまり、測定対象ガス内の塩素が温度分布範囲Ｌ２部で、有機シリコンが温度分布範囲Ｌ１部でそれぞれ除去される。
【００３８】
塩素、有機シリコンが除去された測定対象ガスは除去ユニット２のガス出口２６から酸素センサ３に送り込まれて酸素濃度が測定され、測定された酸素濃度は電気信号として制御演算部６に送信されて制御演算部６で酸素濃度表示が行われたり、あるいは、別途通信手段で外部に酸素濃度情報として伝えられる。
【００３９】
酸素濃度が測定された後の測定対象ガスは、流量計９を通過してガス排出口１２から測定部１の外部へ排出される。
【００４０】
上述の除去ユニット２による除去すべき物質の除去を能率良く行うには、実験上、除去ユニット２のセラミック管２１の内径寸法を４ｍｍとし、セラミック管２１内及び酸素センサ３内を通過する測定対象ガスの流量を１００ｍＬ／ｍin以下とし、流速を１５０ｍｍ／sec以下とするのが好ましい。なお、流量の調節は吸引ポンプ４と除去ユニット２間のバイパス経路の流量調整弁１０によって行う。
【００４１】
測定対象ガスの流量を１００ｍＬ／ｍin以上とするには、セラミック管２１の内径寸法を４ｍｍ以上とすればよいが、流速は１５０ｍｍ／sec以下とするのが好ましい。
【００４２】
本発明による除去ユニット２において、充填する触媒を換えることで別の物質を除去することも可能である。例えば、石英ウールやセラミックファイバを充填することで、有機溶剤を燃焼させ、酸素センサに有機溶剤が侵入するのを防ぐことができる。
【００４３】
また、本発明による除去ユニット２の独立化、すなわち、酸素濃度測定装置への組み込み型ではなく、単独で稼動する装置として組み上げれば酸素センサ単位での使用ができ、除去ユニットとしての製品化が見込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の酸素濃度測定装置の一実施例を示すブロック図である。
【図２】除去ユニットの軸方向の断面図である。
【図３】セラミック管内部の温度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  測定部
２  除去ユニット
３  酸素センサ
４  吸引ポンプ
５  電圧源
６  制御演算部
２１  セラミック管
２２  ヒータ
２３  ウール状の白金
２４  顆粒状の銀
２９  石英ウール
【図１】
0004841917.tif 000002
【図２】
0004841917.tif 000003
【図３】
0004841917.tif 000004