EZ-Japan BLOG since 2017 真・MFC千夜一夜物語

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マスフローコントローラ

真・MFC千夜一夜物語 第279話 マスフローでこのガスを使う時は注意しよう! その11


EZ-Japan4/27()5/6(月)までGW休暇を頂きます。従って次週4/30のブログ更新はお休みを頂きます。再開は5/7()からとなりますので、宜しくお願いいたします。

 

もう一つのMFC千夜一夜物語が掲載されている日本工業出版さんの「計測技術」誌 20194月号(3/25発売)ではマスフローコントローラ(MFC)マスフローメータに異物が混入した際のトラブルシュートを解説しています。

 

 

モノシランが引き起こした事故事例 その2

 

もう一つモノシランの事故事例を解説しましょう。
前回の大阪大学の事故は逆止弁が問題でしたが、今回はMFCが原因の一つと考えられているだけに、要注意です。

1982年、宮崎県の半導体製造工場で、CVD装置の排気ダクトに残留したモノシランが発火し、ダクトから建造物に燃え広がる事故が発生しました。
重傷2(1名は後日死亡)、中軽傷3名の事故となっています。
CVD
装置のモノシランラインのMFCが流量を過大に供給したことにより、CVD装置チャンバーで反応できなかった多量のモノシランが、後段にある排ガス処理装置へ流れ込みました。
しかも、その燃焼式除害装置に供給される筈の酸素はなぜか止まっており、結果として未処理のモノシランが除害装置の更に下流のダクトに侵入し、そこにあった空気と反応して自然発火したのが原因とされています。
この事例ではダクトの材質を不燃材にする、排気ダクトの共通化を避け1装置に1ダクトとする、ダクトに風速センサーを設ける、火災検知センサーを取り付ける等の対策が取られました。


本ブログとしてはMFCが過大なモノシランを流したと言われていることに関して、Decoの考察を加えておきます。
この事件でMFCの流量センサーが微粉末による閉塞をしていたと推定されています。
MFC
の流量センサーが閉塞して流れないのに、なぜ過大な流量が流れてしまったのか?本ブログを続けて読んでいる読者ならすぐわかるかもしれませんが、初読の方の為に説明をしましょう。
モノシランに限らず、半導体製造プロセスで使用するガスはクリーンなものが選定されていますし、フィルターにより異物の混入を幾重にも防ぐ構造になっています。
なのに微粉末がMFCに侵入していたというのは、おそらくはモノシランが反応して生成したSiO2ではないでしょうか?
この微粉末がMFCに侵入しセンサーチューブを閉塞させている状況を図で示します。

 

190422_01

 

巻線式分流構造をとる半導体製造装置用MFCの場合、MFCに入ってきたガスはセンサーと層流素子(バイパス)に分流されます。
ここでセンサーに異物で詰まりが生じていた場合、センサー管にはガスは流れないので、センサーの上流から下流に熱移動が生じず出力は0となります。
分流した層流素子側の流路は詰まりでガスが流れ無いほどの状況ではなかったと仮定しましょう。
MFC
測定値:PV値(流量出力)<目標値:SV(流量設定入力)の状態をPV=SVにする為に、操作量MV(バルブ電圧)を増やして対応しようとします。
しかし、詰まりで閉塞しているセンサー管には流れは生じませんから、PV=0の状況は変化しません。
その為、MV値は最大値となってバルブを制御、つまりMFCの流量制御バルブが全開で維持されてしまうのです。

これがこの事故で生じたMFCの異常に過大な流量制御を起こした不具合の原因と思われます。言い換えると、この事故の原因はMFCに生じた不具合ではありますが、MFCの流量制御系自体は“正常な動作”を続けた結果だったのかもしれません。

(Deco
が現場を検証したわけではないので断言は避けます。
これはあくまでMFCのセンサー管が微粉末で詰まった場合、“MFCとしては正常な流体制御結果”から、モノシランガスでは大きな危険が発生することを説明し、注意を喚起するための考察です。)


【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

真・MFC千夜一夜物語 第277話 マスフローでこのガスを使う時は注意しよう! その9

もう一つのMFC千夜一夜物語が掲載されている日本工業出版さんの「計測技術」 20194月号(3/25発売)ではマスフローコントローラ(MFC)、マスフローメータに異物が混入した際のトラブルシュートを解説しています。

 

今回からは「特殊高圧ガス」のお話です。

特殊高圧ガスは、一般的な高圧ガスよりも危険性が高いガスです。

 

モノシラン(SiH4)

ジシラン(Si2H6)

アルシン(AsH3)

ホスフィン(PH3)

ジボラン(B2H6)

モノゲルマン(GeH4)

セレン化水素(H2Se)

 

以上7種が特殊高圧ガスという名称で、半導体製造ガスでよく用いられる39種の「特殊材料ガス」の中でも使用頻度が高く危険なで、それぞれが広範囲の爆発範囲をだったり、自然発火性や分解爆発性のような可燃性、限界濃度が極めて低い毒性を持っていることから、これらの販売、移動、消費に当たっては特別な規制が設けられています。

マスフローでは、保証しているリークレートがHeリークディテクタの測定限界以下であるメタルシールモデルが推奨されます。
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メタルシールMFC【出展:ブロンコスト・ジャパン(株)】
 

爆発範囲に関しては水素の解説で少し触れましたが、水素が4.075vol(空気)なのに対して、ホスフィン1.3298vol%、モノシラン1.37100vol%、ジシランに至っては0.5100vol%です。

この3種は、常温の大気に触れることにより発火します。
これらのガスは、そのリークを止めない限り、消火器で消し止められたように見えても、それは支燃性ガスである空気(酸素)を遮断しただけで、再度空気に触れれば燃え続ける性質を持っており大変危険です。

更に分解爆発性を持つモノゲルマンは、支燃性ガスを必要とせずに、可燃性ガスのみで発火元があれば燃え上がり爆発する大変危険なガスなのです。

余談ですが、特殊高圧ガスではなくても、分解爆発性で有名なガスにアセチレン(C2H2)があります。
アセチレンは可燃性ガスの中でも非常に高温で燃焼するので、金属の溶接・溶断加工に適しています。
また、フレーム原子吸光分光計のような分析装置や、ダイヤモンド薄膜製造装置等にも使用されています。
液化ガスとして容器(ボンベ)に詰めたアセチレンは容易に爆発事故を起こしてしまうので、現在ではアセトン等に溶解させて容器に充填して使用されています。(アセチレンボンベは茶色い容器の為、一目で識別できます。)
このような分解爆発性に関しては、各種ガスで実験検証が行われており、モノシラン、アルシン、ジシラン、ホスフィン、ジボラン、セレン化水素に関しては分解爆発がないことを確認されていますが、それで安心してはいけません。
分解反応で生成する熱量が大きいガスはその結果、容器内圧力が急上昇することになり、容器の破壊圧を超えることで破裂事故が生じるからです。
定められた充填量を守り、火災により容器周辺温度が上昇しないように火気には十分注意しなくてはなりません。

 

次回は特殊高圧ガスの代表として、モノシランを取り上げて、このガスが引き起こした悲惨な事故事例を紐解いてみましょう。

 

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

真・MFC千夜一夜物語 第275話 マスフローでこのガスを使う時は注意しよう! その7


もう一つのMFC千夜一夜物語が掲載されている日本工業出版さんの「計測技術」誌 20194月号(3/25発売)ではマスフローコントローラ(MFC)、マスフローメータに異物が混入した際のトラブルシュートを解説しています。

 

アンモニア(NH3)

アンモニアは可燃性、有毒ガスですが、半導体製造装置、窒化炉、発電設備、脱硝装置、石油精製装置の防食、イオンエッチングプロセスなど各種工業用途で広く用いられています。

ボンベの色は白色と決められています。

アンモニアは20℃での蒸気圧が0.857MPaの液化ガスです。
液化ガスと通常ガスとの大きな差は、液化の字のごとく液化ガスボンベには圧縮した液体と化したアンモニアが封入されていて、それがボンベ内で気化したガスを供給する仕組みであることです。(下図)


第5図

 

  ボンベに充填された液体アンモニアが内部で気化して気体となった際に得られる圧力は、常温で0.8MPaあればいいところです。

しかも液体アンモニアの蒸発潜熱は1268 KJ/Kg0℃、1013hPa)も必要である為、アンモニアを大量にボンベから払い出そうとすると、ボンベが熱を奪われてしまい、急激に温度が下がることで、ガスの供給圧力を失ってしまうのです。
例えばアンモニアをMFC下流側に0.2MPaの背圧が立つ条件で500L/min[N]流量制御したい場合、通常のMFCだと最低でもMFCへの供給圧は0.5MPa程の圧力をとってやる必要があります。
MFC
での圧力損失=ΔP0.3MPa必要になります。
これはあくまでMFCの入口/出口部での差圧ですから、ボンベからチャンバーまでの配管経路にある他の配管部品、バルブやフィルター、そして配管の曲がり等により生じる圧力損失を考慮すると、アンモニアボンベからの供給圧はさらに高く維持しなくてはならなくなってしまいます。

供給圧を上げるには、液化ガスである限り温度を上げて蒸気圧を稼ぐしか術はありません。
手っ取り早い話、ボンベの温度を上げればいいのですが、高圧ガス保安法では可燃性ガスのボンベを火や電気で直接温める行為が禁じられているので、間接的な手法である湯煎しか方法はないのです。
案外、このことを知らずにアンモニアボンベを市販の非可燃性ガス専用ボンベーヒーター(マントルヒーターやシリコンラバーヒーター)を用いている現場があるかもしれませんが、法律の順守を意識して下さいね。
確かに湯煎は設備も大掛かりになり大変であり、そういった意味ではできるだけ低い圧力でアンモニアを供給したいのが本音です。

 MassStream_03
【出典:ブロンコスト・ジャパン(株)】

ここで紹介するブロンコスト社のMFC MASS-STREAM D-6371は、先ほどの二次圧0.2MPaの条件に対して、なんと一次圧は0.2386MPa500L/min[N]のアンモニア流量制御ができる低圧損大流量MFCです。

MFCの圧力損失はわずか38.6kPa(d)
まさにアンモニアのような液化ガスを大流量制御するためにあるようなMFCです。

なぜこのMFCはこんなに低圧損で大流量制御が可能なのか?それは流量センサー構造の差です。

以前の記事でも取り上げたので記憶している方も多いかもしれませんが、MASS-STREAMシリーズの流量センサーは、インサーションタイプなのです。

詳しい解説は次回・・・


【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

真・MFC千夜一夜物語 第274話 マスフローでこのガスを使う時は注意しよう! その6

もう一つのMFC千夜一夜物語が掲載されている日本工業出版さんの「計測技術」誌 2019年3月号(2/25発売)では、マスフローコントローラ(MFC)の流量制御バルブのアクチュエーターとしてソレノイドを搭載したMFCの使用上の留意点を解説しています。

アルゴン(Ar)
アルゴンは不活性ガスの代名詞のようなガスですね?。
アルゴンのネーミング由来が、ギリシャ語でelgon「働く」という言葉に否定語のanを付け「働かない:=不活性な」という造語であることからもうかがえます。
実はニートなガスだったんですね、アルゴンは。
アルゴンはヘリウム、ネオン、クリプトン等と同じ希ガスですが、液体空気からの分留で容易に得られるため、比較的入手しやすいガスで、半導体製造工程ではスパッタ装置を始め各種工程で使用されていますし、分析装置では試料のキャリアガスとして、そしてアルゴン溶接では溶接中の酸化を抑える保護ガスとして各業界で幅広く活躍しているガスなのです。


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【出典:ブロンコスト・ジャパン(株)】

マスフローコントローラ(MFC)にとって、アルゴンは窒素と並んで制御しやすいガスなのですが、少々厄介なところがあることはあまり知られていません。
実はアルゴンとヘリウムのコンバージョンファクタ(CF)は近似していて、だいたい1.4近辺です。
では、この2種のガスを切り替えて一つのMFCで流量制御できるか?というと大間違いなのです。
それはバルブ側に原因があります。
流体としてのヘリウムとアルゴンは、バルブ部のオリフィスを通過しやすさで比較すると、必ずしも同じではないのです。
190318_01


ここで重要になるのは、密度です。
窒素の密度が1.25kg/m3に対して、ヘリウムは0.1785 kg/m3しかありません。
それに対してアルゴンの密度は1.784 kg/m3もあるのです。(いずれも0℃,1013hPa条件) 
バルブでよく使われる容量係数であるKv値の式に当てはめて、あるバルブオリフィスを選定した場合に、同じ圧力・温度条件でヘリウムとアルゴン、2つのガスを流した時に流れる流量比を計算すると、ヘリウムの方が3倍以上多く流れる結果が出てしまいます。
(MFCの場合、このKv値、もしくはCv値でバルブオリフィスの全開流量を算出しても、全開流量がそのまま流量制御フルスケール流量ではないのですが、目安にはなります。)
つまり同じバルブ設定ではこの2つのガスは流量差が大きすぎて、同じように制御できない可能性が高いということです。
ヘリウム用のMFCでアルゴンを制御した場合、低設定流量の制御は問題ないが、設定を高くしていくとどこかのポイントで流量制御が頭打ちして流れなくなってしまい、SV値(流量設定値)>PV値(流量出力値)という現象が発生してしまいます。
応急処置としては、アルゴンの供給圧力を上げることで、なんとか流すことができることもありますが・・・
やはりCFが似通っているからという理由だけで、他のガスを流すのは様々なリスクがあると考えて下さい。
アルゴンのような重いガスとヘリウムのような軽いガスは、そもそも流量制御バルブの選定が異なって当然という認識を持ってくださいね。

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

真・MFC千夜一夜物語 第273話 マスフローでこのガスを使う時は注意しよう! その5

もう一つのMFC千夜一夜物語が掲載されている日本工業出版さんの「計測技術」 20193月号(2/25発売)では、マスフローコントローラ(MFC)の流量制御バルブのアクチュエーターとしてソレノイドを搭載したMFCの使用上の留意点を解説しています。

 

ヘリウム(He)

 

ヘリウムは宇宙では水素の次に多い元素です。
ですが、地球の大気には1m3にわずか5mLしか存在していません。
最近、ヘリウムの値上がりが激しく、北アメリカとアフリカにあるヘリウムプラントは引っ張りだこでのようです。

水素の次に小さく軽いガスであるヘリウムは、水素のような爆発の危険性を有しないことから、水素代替として用いられることがあります。
1937
56日飛行船ヒンデンブルグ号が飛行中に外装塗装面に生じた静電気を、着陸時に上手くアーシングできずに内部の水素ガスに引火し大爆発を起こした事件があります。
(同世代以上の方には、あのLed Zeppelinのファーストアルバムのジャケット絵で有名でしょう)

この事件以後、飛行船の浮遊に用いるガスはヘリウムとなりました。(本来はヒンデンブルグ号もヘリウム仕様だったのですが、アメリカが法律で不燃性のヘリウムガスの輸出を禁止していたため、やむなく水素ガスを使用していた、という説もあります。)

リーマンショック前は首都圏の空の広告塔として優雅に浮かぶ飛行船を見かけることがありましたが、最近はその機会も減りました。
世界的なヘリウムの値上がりが原因の一つかもしれませんね・・・

 

ヘリウムをマスフローで使用する際の注意点は、前回の水素と同じです。
その小さく軽い性質から、リークに関しては細心の注意が必要です。
また、MFCのバルブにとっては油断のならないガスである事も同じです。
ただ、水素と異なりコンバージョンファクター(CF)は1.4近辺ですから、流量センサーにとっても、バルブにとっても流れやすい傾向ですので、まだMFCとしては作りやすいかなと思います。
この辺りが、次回ご紹介するアルゴン(Ar)とはえらい違いなのですよ・・・


少しガスの話から離れますが、液体MFCでよく使われる技術なのでここで紹介しておきます。
ヘリウムはよく液体の圧送用に用いられます。
液体供給は気体と異なり、上流の液タンクにガスで圧力をかけて押し出す圧送が主です。
本来、液体を加圧して送る為には、後段での気泡発生を避けるために、その液体に溶け込みにくいガスを選定します。
圧送する気体圧力が倍になれば、溶け込む量も倍になるので、神経質にならざるを得ないのですが、だからといって液体に全く溶け込まないガスは存在しませんので、結局気泡は出てしまうのです。
そこで思いつかれたのが脱気装置(デガッサー)による気泡抜きです。
溶け込んだ気体を途中で脱気するには特別な仕組みが必要になります。(下図)

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図中のスパイラル状の配管材質は、金属管のように分子間距離が近くて気体がすり抜けられないものではなく、気体がある程度すり抜けていくフッ素樹脂製の管を選ぶのがコツです。
それを気密性高い真空チャンバーに入れ、チャンバー内をポンプで真空引きします。
そうすることでフッ素樹脂配管の内外で圧力差が生じ液体に溶け込んだ気泡を引き抜く事ができるシステムです。
この場合は、前述の逆で溶け込みやすさよりも、フッ素樹脂をすり抜けやすい小さな元素を用いたいので、自ずから安全面で問題がある水素を省き、ヘリウムが選ばれます。

 

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 【高圧対応デガッサー出典:(株)タテヤマ製作所】
 

写真の()タテヤマ製作所高圧対応デガッサーTDG-10-3-I は、テフロンAFを使用した1MPaまでの高圧圧送に使用できます。

当然圧送圧が高いほど溶け込み量は多くなりますが、デガッサーでの脱気効率も圧力勾配が大きくなると高くなるので、なかなか他のデガッサーでは対応できない注目の製品です。

 

気になった方は、Decoまでお問い合わせください。

 

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

EZ-Japan(イージージャパン)Deco こと 黒田です。 2014年6月開業です。流体制御機器マスフローコントローラーを中心に”流体制御関連の万(よろず)屋”として情報発信しています。 日本工業出版「計測技術」誌で”マスフロー千夜一夜物語”の連載中です。
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