Method and apparatus for gas purification

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス中の不純物を除去してガスの純度を高めるガス純化方法及びガス純化装置に関し、例えば、高純度ガス中の不純物を除去して超高純度ガスを得るのに好適である。

【０００２】

【従来の技術】近年、種々の分野において純度の極めて高いガスが要求されている。 例えば、半導体製造等においては、使用される高純度ガス中に不純物が存在すると、デバイスに悪影響を与えるため、ガス中の不純物を除去する必要がある。 そして、半導体プロセスのクリーン化技術においては、プロセスガス中の水分は最も低減しなければならないと言われている不純物である。

【０００３】従来、ガス中の不純物を除去してガスを純化するガス純化器として、モレキュラシーブやシリカゲルなどの吸着剤やゲッター剤などを用いたものが提供されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、吸着材を用いたガス純化器のみでは、不純物を十分に除去することができず、近年望まれてきている超高純度ガスを得ることができなかった。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、従来に比べて不純物を除去することができ、
一層高い純度のガスを得ることができるガス純化装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため、本発明の第１の態様によるガス純化方法は、ガスが通流する流路内で主成分ガスイオンと不純物ガス分子とを衝突させ不純物ガス分子をイオン化させるイオン分子反応により、不純物成分をイオン化し、当該不純物ガスイオンに電極手段にて力を作用させて主成分ガス中から当該不純物イオンの少なくとも一部を分離し、主成分ガスの純度を高めるものである。

【０００７】この第１の態様によるガス純化方法によれば、イオン分子反応により、不純物成分をイオン化し、
当該不純物ガスイオンに電極手段にて力を作用させて主成分ガス中から当該不純物イオンの少なくとも一部を分離するので、従来に比べて不純物を除去することができ、一層高い純度のガスを得ることができる。

【０００８】本発明の第２の態様によるガス純化装置は、ガスが流入される流入路と、前記流入路のガス流出側に接続され、前記流入路に流入されたガスを分流して流出させる複数の流出路と、前記流入路に流入されたガスを前記流入路の途中において少なくとも一次イオン化するイオン化手段と、前記複数の流出路のうちの一部の流出路に設けられ、一方極性に維持された電極と、を備えたものである。

【０００９】この第２の態様によるガス純化装置によれば、パーティクルなどの不純物が予め除去された比較的純度の高いガスが流入路に流入され、このガスは、該流入路を経て、第１及び第２の流出路により分流されて第１及び第２の流出路からそれぞれ流出される。

【００１０】流入路に流入したガスは、複数の流出路により分流される前に、流入路の途中においてイオン化手段により少なくとも一次イオン化される。 この一次イオン化では、流入路に流入したガスの主成分と不純物のイオン化率がほぼ同じであるため、不純物イオンの量は少ない。 ところが、一次イオン化により生じた主成分イオンと一次イオン化によりイオン化されていない不純物の中性分子との間でイオン分子反応（二次イオン化）が起き、主成分イオンが中性分子となって減るとともに不純物イオンが増える。

【００１１】ガスが複数の流出路に分流される際、ガス中の主成分の多くが中性分子であるため、主成分は複数の流出路のうちの一部の流出路に設けられた電極の影響をほとんど受けずに、複数の流出路に分流されて流出される。 一方、ガス中の不純物イオンは、その極性に応じて、複数の流出路のうちの一部の流出路に設けられ一方極性に維持された電極により引力又は斥力を受ける。 したがって、一方極性にイオン化される不純物は、複数の流出路のうちのいずれか一部に片寄って流出されることになる。 このため、前記第２の態様によれば、複数の流出路のうちの一部から一方の極性にイオン化される不純物を除去したガスを得ることができ、従来に比べて不純物を除去することができ、一層高い純度のガスを得ることができる。

【００１２】なお、流入路に流入されるガスは、大気圧付近の圧力以上の圧力状態であることが好ましい。 この場合、当該ガスの平均自由工程が極めて短いことから、
主成分イオンと不純物中性分子との間の衝突回数が多くてイオン分子反応の機会が多く、イオン分子反応により主成分がイオンから中性分子となる量が多くなるとともに不純物が中性分子からイオンとなる量が多くなり、不純物のほとんどをイオン化することができ、不純物除去の効率が更に上がる。

【００１３】本発明の第３の態様による多段ガス純化装置は、前記第２の態様によるガス純化装置において、前記複数の流出路のうちの残りの流出路に、他方極性に維持された電極が設けられたものである。 前記第２の態様においては残りの流出路には必ずしも電極を設ける必要はないが、この第３の態様のように残りの流出路に他方極性に維持された電極を設けると、不純物イオンに対して引力及び斥力のうちの一方のみならず他方も作用することになるので、不純物イオンの複数の流出路の一部に対する片寄りの程度（分離効率）が高まり、不純物除去の効率が更に上がり、好ましい。

【００１４】本発明の第４の態様によるガス純化装置は、ガスが流入される流入路と、前記流入路のガス流出側に接続され、前記流入路に流入されたガスを分流して流出させる第１、第２及び第３の流出路と、前記流入路に流入されたガスを前記流入路の途中において少なくとも一次イオン化するイオン化手段と、前記第１の流出路に設けられ、一方極性に維持された第１の電極と、前記第２の流出路に設けられ、他方極性に維持された第２の電極と、を備え、前記第３の流出路にはいずれかの極性に維持された電極が設けられていないものである。 この第４の態様も、前記第２の態様の具体例の１つである。
なお、この第４の態様においても、流入路に流入されるガスは、大気圧付近の圧力以上の圧力状態であることが好ましい。

【００１５】この第４の態様によるガス純化装置によれば、パーティクルなどの不純物が予め除去された比較的純度の高いガスが流入路に流入され、このガスは、該流入路を経て、第１、第２及び第３の流出路により分流されて第１、第２及び第３の流出路からそれぞれ流出される。 そして、前記第２の態様と同様に、流入路に流入したガスは、第１、第２及び第３の流出路により分流される前に、一次イオン化及び二次イオン化により、不純物がイオン化されて不純物イオンが増える。

【００１６】ガスが第１、第２及び第３の流出路に分流される際、ガス中の主成分の多くが中性分子であるため、主成分は第１及び第２の流出路に設けられた第１及び第２の電極の影響をほとんど受けずに、第１、第２及び第３の流出路に分流されて流出される。 一方、ガス中の不純物イオンは、その極性に応じて、一方極性の電極により引力を受けるとともに他方極性の電極により斥力を受ける。 したがって、一方極性にイオン化される不純物は第１及び第２の流出路のうちの一方に片寄って流出されることになり、他方極性にイオン化される不純物は第１及び第２の流出路のうちの他方に片寄って流出されることになる。 そして、いずれの極性にイオン化された不純物も、電極の設けられていない第３の流出路へはほとんど流れない。 このため、前記第３の態様によれば、
第３の流出路から一層純度の高い超高純度ガスを得ることができる。

【００１７】本発明の第５の態様による多段ガス純化装置は、複数段のガス純化装置を備えた多段ガス純化装置であって、前記各段のガス純化装置が前記第２乃至第４
のいずれかの態様によるガス純化装置であり、前段のガス純化装置の純化されたガスが得られる流出路の出口が、次段のガス純化装置の流入路の入口に接続されたものである。 この第５の態様によれば、前段で除去しきれなかった不純物の一部が次段で除去されるので、一層純度の高いガスを得ることができる。 なお、第５の態様では、各段のガス純化装置が同一のガス純化装置であってもよいし異なるガス純化装置であってもよいことは、言うまでもない。

【００１８】本発明の第６の態様によるガス純化装置は、第１のガスが流入される第１の流入路と、前記第１
の流入路のガス流出側に接続され、前記第１の流入路に流入された第１のガスを分流して流出させる第１及び第２の流出路と、前記第１の流入路に流入された第１のガスを前記流入路の途中において少なくとも一次イオン化するイオン化手段と、前記第１の流出路に設けられ、一方極性に維持された第１の電極と、前記第２の流出路に設けられ、他方極性に維持された第２の電極と、前記第１の流入路、前記第１の流出路及び前記第２の流出路が形成する流路の部分であって、前記イオン化手段により一次イオン化が行われる箇所に対して下流側に位置し前記第１の電極に対して上流側に位置し前記第２の電極に対して上流側に位置する部分に対してガス流出側が接続され、第２のガスが流入される第２の流入路と、を備えたものである。

【００１９】この第６の態様によるガス純化装置によれば、第１の流入路に流入される第１のガスとしては、第２の流入路に流入される第２のガスの希釈用ガスが用いられる。 パーティクルなどの不純物が予め除去された比較的純度の高い第１のガスが第１の流入路に流入され、
この第１のガスは、該第１及び第２の流出路により分流されて第１及び第２の流出路からそれぞれ流出される。
同時に、パーティクルなどの不純物が予め除去された比較的純度の高い第２のガスが第２の流入路に流入され、
この第２のガスは、イオン化手段により一次イオン化が行われる箇所へは逆流せずに第１及び第２の流出路からそれぞれ流出される。 したがって、第２のガスは、第１
のガスにより希釈されて第１及び第２の流出路からそれぞれ流出されることになる。

【００２０】イオン化手段により一次イオン化が行われる箇所は第１の流入路の途中であり、第２の流入路のガス流出側はこの箇所に対して下流側に接続されているので、第１の流入路に流入した第１のガスのみが、第１及び第２の流出路により分流される前に、一次イオン化される。 この一次イオン化により、第１のガスの主成分のイオンと第１のガスの不純物のイオンとが生ずる。 なお、この一次イオン化では、第１のガスの主成分と不純物のイオン化率がほぼ同じであるため、第１のガスの主成分イオンの量は多く、第１のガスの不純物イオンの量は少ない。 そして、前記第２の態様と同様に、第１のガスの主成分イオンと第１のガスの不純物中性分子との間でイオン分子反応が起き、第１のガスの不純物イオンが増える。 同時に、第２の流入路から第２のガスが流入していることから、第１のガスの主成分イオンと第２のガスの不純物中性分子との間でもイオン分子反応（二次イオン化）が起き、第２のガスの不純物イオンが増える。

【００２１】第１及び第２のガスの混合ガスが第１及び第２の流出路に分流される際、その混合ガス中の主成分の多くが中性分子であるため、当該主成分は第１及び第２の流出路に設けられた第１及び第２の電極の影響をほとんど受けずに、第１及び第２の流出路に分流されて流出される。 一方、前記混合ガス中の不純物イオンは、その極性に応じて、一方極性の電極により引力を受けるとともに他方極性の電極により斥力を受ける。 したがって、一方極性にイオン化される混合ガスの不純物は第１
及び第２の流出路のうちの一方に片寄って流出されることになり、他方極性にイオン化される混合ガスの不純物は第１及び第２の流出路のうちの他方に片寄って流出されることになる。 このため、前記第６の態様によれば、
第１及び第２の流出路のうちの一方から一方極性にイオン化される不純物を除去した第１及び第２のガスの混合ガスを得ることができ、例えば当該混合ガス中の不純物の多くがいずれか一方の極性にイオン化されるものである場合などには、十分に純化された超高純度ガスを得ることができる。 そして、前記第６の態様では、第２のガスが一次イオン化により固化してしまうなどの不都合が生ずるガスである場合であっても、第２のガスが一次イオン化されないので、何ら支障を来さない。

【００２２】なお、第１及び第２の流入路にそれぞれ流入される第１及び第２のガスは、大気圧付近の圧力以上の圧力状態であることが好ましい。 この場合、当該ガスの平均自由工程が極めて短いことから、イオン分子反応の機会が多く、不純物が中性分子からイオンとなる量が多くなり、不純物のほとんどをイオン化することができ、不純物除去の効率が更に上がる。

【００２３】なお、前記第６の態様によるガス純化装置において、前記流路に対する前記第２の流入路の接続位置と前記イオン化手段により一次イオン化が行われる箇所との間に絞りを設けてもよい。 この場合、絞りの両側に圧力差が生じるため、第２のガスの一次イオン化箇所への逆流が確実に阻止されることになり、好ましい。

【００２４】本発明の第７の態様による多段ガス純化装置は、前記第６の態様によるガス純化装置を複数段備え、前段のガス純化装置の前記第２の流出路の出口が次段のガス純化装置の前記第２の流入路の入口に接続されたものである。 この第７の態様によれば、前段で除去しきれなかった不純物の一部が次段で除去されるので、一層純度の高い超高純度ガスを得ることができる。

【００２５】本発明の第８の態様によるガス純化装置は、前記第２乃至第７のいずれかの態様によるガス純化装置において、前記イオン化手段が、コロナ放電を発生させる放電電極手段を有するものである。 もっとも、本発明では、前記イオン化手段として、コバルト６０やニッケル６３のような放射線照射手段や紫外線のような光照射手段などを用いてもよい。

【００２６】なお、本発明では、ガスの導入に際して、
モレキュラシーブやシリカゲルなどの吸着剤やゲッター剤などを用いたガス純化器やその他のフィルタ等を通過させてもよいことは、言うまでもない。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態によるガス純化装置について図面を参照して説明する。 なお、
各実施の形態を通して、実質的に同じ構成要素には同一参照番号を付して、重複する説明は省略する。

【００２８】まず、本発明の第１の実施の形態によるガス純化装置１について、図１を参照して説明する。 図１
はこのガス純化装置１を示す概略断面図である。

【００２９】本実施の形態によるガス純化装置１は、ステンレススチール等の金属で作られた筒状体２を有している。 この筒状体２は、その軸方向一端（図１中の左端）から略中央部まで比較的大きな直径の開口を穿設することにより形成された放電室３と、一端が放電室３の底部（図１中の右側部）に連通するとともに他端が筒状体２の軸方向他端に開口するように穿設された排出孔４
とを有している。 また、筒状体２には、一端が排出孔４
の側部に連通するとともに他端が筒状体２の側部に開口した排出孔５が穿設されている。 放電室３の図１中の左側開口には、筒状体２と同様な金属で作られた蓋６が、
金属パッキン７により放電室３を密閉状にシールするように取り付けられている。 蓋６には、コロナ放電を発生させる放電電極手段としての、放電針８及びこれに対向する対向電極９が、絶縁材１０，１１を介してそれぞれ取り付けられている。 対向電極９の略Ｌ字状に曲げられた先端部は、放電室３の底部近傍に位置するように支持されている。 放電針８の先端は、放電室３内において対向電極９の先端部と所定の間隔をあけて位置するように支持されている。 放電針８には電源１２により＋２００
０Ｖが印加され、対向電極９には電源１３により−１０
０Ｖが印加されている。 電源１２，１３は、電圧源でも電流源でもよい。 筒状体２の側部には、一端が放電室３
に連通するようにガス導入パイプ１４が接続されている。 排出孔５の出口側には排出パイプ１５の一端が接続されている。 排出孔４の出口側には排出パイプ１６の一端が接続されている。

【００３０】本実施の形態では、ガス導入パイプ１４の内部、放電室３及び排出孔４の放電室３側の部分４'
が、大気圧付近の圧力以上の圧力状態でガスが流入される流入路を構成している。 排出孔５及び排出パイプ１５
の内部が、前記流入路のガス流出側に接続され、前記流入路に流入されたガスを分流して流出させる第１の流出路を構成している。 排出孔４の残りの部分４”及び排出パイプ１６の内部が、前記流入路のガス流出側に接続されて前記流入路に流入されたガスを分流して流出させる第２の流出路を構成している。放電針８及び対向電極９
は、前記流入路に流入したガスを前記流入路の途中において少なくとも一次イオン化するイオン化手段を構成している。

【００３１】また、排出孔５の排出孔４側の入口付近には、メッシュ状の電極１７が取り付けられている。 この電極１７には、接続端子１８及びリード線１９を介して電源２０により＋１００Ｖが印加されている。 接続端子１８は、絶縁材２１を介して排出パイプ１５に取り付けられている。 また、排出孔４の部分４”の排出パイプ１
６寄りの位置には、メッシュ状の電極２２が取り付けられいる。 この電極２２には、接続端子２３及びリード線２４を介して電源２５により−１０００Ｖが印加されている。 接続端子２３は、絶縁材２６を介して排出パイプ１６に取り付けられている。

【００３２】以上のように構成された本実施の形態によるガス純化装置１の動作について、次に説明する。

【００３３】予めパーティクル等が除去された比較的高純度の窒素ガス、アルゴンガス、水素ガス、ヘリウムガス、酸素ガス等のガス（純化しようとするガス）が、ガス導入パイプ１４に流入される。 なお、ここでは、流入されたガスが半導体製造において使用される窒素ガスである場合を例にとって具体的に説明する。

【００３４】ガス導入パイプ１４に流入された窒素ガスは、ガス導入パイプ１４、放電室３、及び排出孔４の部分４'からなる流入路を経て、排出孔５及び排出パイプ１５の内部からなる第１の流出路と排出孔４の部分４”
及び排出パイプ１６の内部からなる第２の流出路とにより分流されて、排出パイプ１５，１６からそれぞれ流出される。

【００３５】そして、放電室３内には放電針８が対向電極９に対向する形で位置し、かつ電源１２により放電針８に＋２０００Ｖが印加されるとともに電源１３により対向電極９に−１００Ｖが印加されているので、放電針８付近でコロナ放電が起きている。 このため、流入された窒素ガスはまず一次イオン化される。 この一次イオン化ではガスの主成分とガス中の不純物のイオン化率は同じであるため、不純物イオンの量は少ない。 ところが、
この一次イオン化に引き続いて、一次イオン化により生じた主成分イオンと一次イオン化によりイオン化されていない不純物の中性分子との間でイオン分子反応（二次イオン化）が起き、主成分イオンが中性分子となって減るとともに不純物イオンが増える。 本実施の形態では、
流入される窒素ガスは大気圧付近の圧力以上の圧力状態に保持されているため当該ガスの平均自由工程が極めて短いことから、主成分イオンと不純物中性分子との間の衝突回数が多くてイオン分子反応の機会が多く、イオン分子反応により主成分がイオンから中性分子となる量が多くなるとともに不純物が中性分子からイオンとなる量が多くなり、不純物のほとんどがイオン化される。

【００３６】窒素ガスの場合、この原理は以下のような反応式で示される。

【００３７】

【化１】 Ｎ ₂ →Ｎ ⁺ ，Ｎ ₂ ⁺ （コロナ放電） ・・・（１）

【化２】 Ｎ ⁺ ＋２Ｎ ₂ →Ｎ ₃ ⁺ ＋Ｎ ₂・・・（２）

【化３】 Ｎ ₂ ⁺ ＋２Ｎ ₂ →Ｎ ₄ ⁺ ＋Ｎ ₂・・・（３）

【化４】 Ｎ ₄ ⁺ ＋Ｏ ₂ →Ｏ ₂ ⁺ ＋２Ｎ ₂・・・（４）

【化５】 Ｎ ₄ ⁺ ＋ＣＯ ₂ →ＣＯ ₂ ⁺ ＋２Ｎ ₂・・・（５）

【化６】 Ｎ ₄ ⁺ ＋Ｈ ₂ Ｏ→Ｈ ₂ Ｏ ⁺ ＋２Ｎ ₂・・・（６）

【００３８】例えば前記反応式（４），（５），（６）
で示されるように、窒素ガス中の酸素、二酸化炭素、水等の不純物の大部分の分子はＮ ₄ ⁺との電荷交換反応（イオン化ポテンシャルの高い物質から低い物質への電荷の移動）によりイオン化が行われる。

【００３９】このように、一次イオン化及びこれに引き続く二次イオン化により、窒素ガス中の酸素、二酸化炭素、水等の不純物の分子のほとんどは、イオン化される。 そして、このガスが前記第１及び第２の流出路に分流される際、窒素ガス中の主成分（窒素分子）の多くが中性分子であるため、主成分は電極１７，２２の影響をほとんど受けずに、前記第１及び第２の流出路に分流されて排出パイプ１５，１６からそれぞれ流出される。 一方、窒素ガス中の不純物イオンであるＯ ₂ ⁺ ，ＣＯ ₂ ⁺ ，Ｈ
₂ Ｏ ⁺等は、正イオンであるため、正極性に維持された電極１７により斥力を受けるとともに負極性に維持された電極２２により引力を受ける。 したがって、正イオン化される酸素、二酸化炭素、水等の不純物は主として排出パイプ１６から流出されることになり、負極性にイオン化される不純物は主として排出パイプ１５から流出されることになる。 なお、不純物イオンのほとんどは、それを引き込む電極１５，１６により中和されて排出パイプ１５，１６から流出される。 このため、排出パイプ１５
から酸素、二酸化炭素、水等の不純物が除去された窒素ガスを得ることができ、窒素ガス中の不純物のほとんどが酸素、二酸化炭素、水等であれば、排出パイプ１５から十分に純化された超高純度の窒素ガスを得ることができる。

【００４０】以上の説明からわかるように、本実施の形態では、ガスが通流する流路内で主成分ガスイオンと不純物ガス分子とを衝突させ不純物ガス分子をイオン化させるイオン分子反応をイオン化し、当該不純物ガスイオンに電極１７，２２にて力を作用させて主成分ガス中から当該不純物イオンの少なくとも一部を分離し、排出パイプ１５から得られる主成分ガスの純度を高めている。

【００４１】なお、以上は、純化しようとするガス中の不純物が正イオン化されるものの例であるが、不純物が負イオン化されるものである場合には、前記電極１７，
２２の極性を逆にすることにより排出パイプ１５から超高純度のガスを得ることができる。 この場合、放電針８
及び対向電極９の極性も逆にすることが好ましい。

【００４２】また、本実施の形態では電極１７，２２の両方が設けられているが、本発明では、例えば、図１において電極１７，２２の一方を除去してもよい。

【００４３】次に、本発明の第２の実施の形態による多段ガス純化装置２１について、図２を参照して説明する。 図２は、この多段ガス純化装置２１を示す概略断面図である。

【００４４】第２の実施の形態による多段ガス純化装置２１は、前述した第１の実施の形態によるガス純化装置１を２段直列に接続して、不純物の除去処理を２回行って、更に純度を高めたガスを得るようにしたものである。 なお、図２において、第１段のガス純化装置１ａ及び第２段のガス純化装置１ｂの構成は図１中のガス純化装置１の構成と全く同じであるので、図２において、各構成要素には、図１中の同一構成要素と同じ参照番号の後にａ，ｂを付けて、第１段のガス純化装置１ａと第２
段のガス純化装置１ｂの構成を識別しており、その重複した説明は省略する。

【００４５】すなわち、本実施の形態では、第１段のガス純化装置１ａにおける排出パイプ１５ａの出口側である一点鎖線３２の部分には、第２段のガス純化装置１ｂ
のガス導入パイプ１４ｂの入口側が接続されており、第１段のガス純化装置１ａにより不純物が除去されたガスが導入される。 この第２段のガス純化装置１ｂにおいても、第１段のガス純化装置１ａと同様にして、放電室３
ａ内においてガスが再度一次イオン化され、この一次イオン化とこれに引き続く二次イオン化とにより、第１段のガス純化装置１ａにより除去しきれずに残留している不純物がイオン化され、前述と同様に窒素ガスの例では、当該窒素ガス中の不純物イオンＯ ₂ ⁺ ，ＣＯ ₂ ⁺ ，Ｈ ₂
Ｏ ⁺等は、正極性に維持された電極１７により斥力を受けるとともに負極性に維持された電極２２により引力を受ける。 したがって、正イオン化される酸素、二酸化炭素、水等の残留不純物は主として排出パイプ１６ｂから流出されることになり、負極性にイオン化される不純物は主として排出パイプ１５ｂから流出されることになる。 このため、酸素、二酸化炭素、水等の不純物を除去した窒素ガスを排出パイプ１５ａから一旦得た後に、この窒素ガス中に除去しきれずに残留した酸素、二酸化炭素、水等の不純物を更に除去した窒素ガスを排出パイプ１５ｂから得ることができ、窒素ガス中の不純物のほとんどが酸素、二酸化炭素、水等であることから、排出パイプ１５ｂから一層純度の高い超高純度の窒素ガスを得ることができる。

【００４６】ところで、前述の説明からわかるように、
前記第１及び第２の実施の形態では、一方極性にイオン化される不純物を除去することができるものの、他方極性にイオン化される不純物は除去することができない。

【００４７】次に、いずれの極性にイオン化される不純物も除去することができる本発明の第３の実施の形態によるガス純化装置４１について、図３を参照して説明する。 図３は、このガス純化装置４１を示す概略断面図である。

【００４８】本実施の形態によるガス純化装置４１では、放電室３を、中空の筒状体４２を用いて構成している。 筒状体４２の略中央部の側面には相対するように２
つの開口４３，４４が穿設されている。 開口４３には、
ガス導入パイプ４５がその一端に形成されたフランジ部４５ａで塞ぐように取り付けられている。 放電針８及び対向電極９は、このフランジ部４５ａに取り付けられている。 放電針８には電源１２により＋２０００Ｖが印加され、対向電極９には電源１３により−１００Ｖが印加されている。 開口４４には、排出パイプ４６の一端が取り付けられている。 筒状体４２の内部の一端側部分４
２'には、電源２０により＋３０００Ｖが印加されたメッシュ状の電極１７が設けられている。 筒状体４２の内部の他端側部分４２”には、電源２５により−１００Ｖ
が印加されたメッシュ状の電極２２が設けられている。

【００４９】本実施の形態では、ガス導入パイプ４５の内部、放電室３（すなわち、筒状体４２の内部の中央部分）が、大気圧付近の圧力以上の圧力状態でガスが流入される流入路を構成している。 筒状体４２の内部の一端側部分４２'が、前記流入路のガス流出側に接続され、
前記流入路に流入されたガスを分流して流出させる第１
の流出路を構成している。 筒状体４２の内部の他端側部分４２”が、前記流入路のガス流出側に接続され、前記流入路に流入されたガスを分流して流出させる第２の流出路を構成している。排出パイプ４６の内部が、前記流入路のガス流出側に接続され、前記流入路に流入されたガスを分流して流出させる第３の流出路を構成している。なお、この第３の流出路には、いずれの極性に維持された電極も設けられていない。放電針８及び対向電極９は、前記流入路に流入したガスを前記流入路の途中において少なくとも一次イオン化するイオン化手段を構成している。

【００５０】本実施の形態によるガス純化装置４１においても、前記第１の実施の形態によるガス純化装置１と同様に、パーティクルなどの不純物が予め除去された比較的純度の高いガスが、ガス導入パイプ４５に流入される。 このガスは、ガス導入パイプ４５及び放電室３からなる流入路を経て、筒状体４２の内部の一端側部分４
２'からなる第１の流出路と筒状体４２の内部の他端側部分４２”からなる第２の流出路と排出パイプ４６の内部からなる第３の流出路とに分流されて、筒状体４２の一端及び他端並びに排出パイプ４６からそれぞれ流出される。そして、前記第１の態様と同様に、流入路に流入したガスは、第１、第２及び第３の流出路により分流される前に、一次イオン化及び二次イオン化により、不純物のほとんどがイオン化されて不純物イオンとなる。このとき、例えば、酸素、二酸化炭素、水等の不純物は正イオンとなり、窒素酸化物、硫黄酸化物、ハロゲン化物等の不純物は負イオンとなる。

【００５１】そして、このガスが前記第１、第２及び第３の流出路に分流される際、ガス中の主成分の多くが中性分子であるため、主成分は電極１７，２２の影響をほとんど受けずに、前記第１、第２及び第３の流出路に分流されて筒状体４２の一端及び他端並びに排出パイプ４
６からそれぞれ流出される。 一方、ガス中の不純物正イオンは、負極性に維持された電極２２により引力を受けるとともに、正極性に維持された電極１７により斥力を受ける。 また、ガス中の不純物負イオンは、正極性に維持された電極１７により引力を受けるとともに、負極性に維持された電極２２により斥力を受ける。 したがって、正極性にイオン化される酸素、二酸化炭素、水等の不純物は主として筒状体４２の図３中の左側端から流出されることになり、負極性にイオン化される窒素酸化物、硫黄酸化物、ハロゲン化物等の不純物は主として筒状体４２の図３中の右側端から流出されることになる。
そして、いずれの極性にイオン化された不純物も、電極の設けられていない排出パイプ４６へはほとんど流れない。 このため、排出パイプ４６から、いずれの極性にイオン化される不純物も除去された純度の高い超高純度ガスを得ることができる。

【００５２】なお、図面には示していないが、図１に示すガス純化装置１を２段接続して図２に示す多段ガス純化装置を構成したのと同様に、本実施の形態による図３
に示すガス純化装置４１を２段以上に接続して多段ガス純化装置を構成してもよい。 この場合には、前段のガス純化装置４１の排出パイプ４６が、次段のガス純化装置４１のガス導入パイプ４５に接続される。 この多段ガス純化装置によれば、前段で除去しきれなかった不純物の一部が次段で除去されるので、一層純度の高い超高純度ガスを得ることができる。 また、本発明では、例えば、
図１に示すガス純化装置１と図３に示すガス純化装置４
１とを組み合わせて多段ガス純化装置を構成してもよい。

【００５３】以上説明した各実施の形態では、単一の流入路を有しているのみでガス導入パイプ１４又は４５から流入したガスはイオン化手段により一次イオン化されてしまうので、シランガスを含むガスのようにコロナ放電等により一次イオン化すると固化してしまうなどの不都合が生ずるガスは純化することができない。

【００５４】次に、シランガスを含むガスのように一次イオン化すると不都合が生ずるガスを含むガスであっても超高純度化したガスを得ることができる、本発明の第４の実施の形態によるガス純化装置５１について、図４
を参照して説明する。 図４は、このガス純化装置５１を示す概略断面図である。

【００５５】本実施の形態によるガス純化装置５１は、
前述した図１に示す第１の実施の形態によるガス純化装置１を主に次のように変形したものである。 すなわち、
本実施の形態によるガス純化装置５１では、排出パイプ１５の筒状体２に対する接続位置に対する下流側であって電極２２の上流側の位置において排出孔４と連通するように、筒状体２の側部に、ガス導入パイプ１４とは別にガスを導入するガス導入パイプ５２の一端が接続されている。 排出パイプ１５の筒状体２に対する接続位置と排出パイプ５２の筒状体２に対する接続位置との間の位置において、排出孔４内に引き込み制御用の電極５３が設けられている。 この電極５３には、接続端子５４及びリード線５５を介して電源５６により−６００Ｖが印加されている。 接続端子５４は、絶縁材５７を介して筒状体２に取り付けられている。 また、放電室３と排出孔４
との境界部には、絞り５８が形成されている。

【００５６】本実施の形態によるガス純化装置５１によれば、ガス導入パイプ５２からは、例えばモノシランガスのようにコロナ放電により一次イオン化すると固化するような第２のガスが流入される。 ガス導入パイプ１４
からは、前記第２のガスの希釈用ガス（例えば窒素やアルゴン等）が第１のガスとして流入される。 ここでは、
第１のガスとして窒素ガスが用いられ、第２のガスとしてモノシランガスが用いられるものとして説明する。

【００５７】パーティクルなどの不純物が予め除去された比較的純度の高い窒素ガスがガス導入パイプ１４に流入され、この窒素ガスは、ガス導入パイプ１４、放電室３及び排出孔４の部分４'からなる第１の流入路を経て、排出パイプ１５の内部からなる第１の流出路と排出孔４の部分４”からなる第２の流出路とにより分流されて、排出パイプ１５及び部分４”からそれぞれ流出される。 同時に、パーティクルなどの不純物が予め除去された比較的純度の高いモノシランガスが導入パイプ５２に流入され、このモノシランガスは、放電室３へは逆流せずに、排出パイプ１５の内部からなる第１の流入路と排出孔４の部分４”からなる第２の流出路とからそれぞれ流出される。したがって、モノシランガスは、窒素ガスにより希釈されて排出パイプ１５及び部分４”からそれぞれ流出されることになる。 なお、本実施の形態では、
絞り５８が設けられていることによりその両側に圧力差が生ずるので、モノシランガスの放電室３への逆流が確実に阻止される。

【００５８】モノシランガスは放電室３へは逆流しないので、ガス導入パイプ１４に流入した窒素ガスのみが、
前記第１及び第２の流出路により分流される前に、放電室３でコロナ放電により一次イオン化される。 この一次イオン化により、窒素ガスの主成分のイオンと窒素ガス中の不純物のイオンとが生ずる。 なお、この一次イオン化では、ガスの主成分とガス中の不純物のイオン化率がほぼ同じであるため、不純物イオンの量は少ない。 そして、前記第１の実施の形態によるガス純化装置１と同様に、窒素ガス中の主成分イオンと窒素ガス中の不純物中性分子との間でイオン分子反応が起き、窒素ガス中の不純物イオン（例えば、Ｏ ₂ ⁺ ，ＣＯ ₂ ⁺ ，Ｈ ₂ Ｏ ⁺等）が増える。 同時に、ガス導入パイプ５２からモノシランガスが流入していることから、窒素ガス中の主成分イオンとモノシランガス中の不純物中性分子との間でもイオン分子反応（二次イオン化）が起き、モノシランガス中の不純物イオン（例えば、Ｏ ₂ ⁺ ，ＣＯ ₂ ⁺ ，Ｈ ₂ Ｏ ⁺等）が増える。 このとき、本実施の形態では、ガス導入パイプ５３
の接続位置がガス導入パイプ１５の接続位置に対して下流側であることから、モノシランガスの一部が排出孔４
を逆流して排出パイプ１５へ向かうことになるので、モノシランガス中の不純物のイオン分子反応の機会が多くなり、好ましい。 もっとも、ガス導入パイプ５２の接続位置は、この位置に限定されるものではなく、例えば、
ガス導入パイプ１５の上流側に配置してもよい。 また、
本実施の形態では、電極５３によって、電極５３と電極２２との間で正イオンである窒素ガス中の主成分イオンの滞留時間を長くなり、それによりモノシランガス中の不純物のイオン分子反応の機会が多くなり、好ましい。
もっとも、電極５３は取り除いてもよい。

【００５９】窒素ガスとモノシランガスとの混合ガスが前記第１及び第２の流出路に分流される際、その混合ガス中の主成分の多くが中性分子であるため、当該主成分は電極１７，２２，５３の影響をほとんど受けずに、分流されて排出パイプ及び部分４”からそれぞれ流出される。一方、前記混合ガス中のＯ ₂ ⁺ ，ＣＯ ₂ ⁺ ，Ｈ ₂ Ｏ ⁺等の不純物イオンは、その極性に応じて、負極に維持された電極２２，５３により引力を受けるとともに正極に維持された電極１７により斥力を受ける。したがって、前記混合ガス中の正イオン化される酸素、二酸化炭素、水等の不純物は、窒素ガス中に含まれていたもののみならずモノシランガス中に含まれていたものも、排出孔４の部分４”に片寄って流出されることになり、他方極性にイオン化される混合ガスの不純物は排出パイプ１５に片寄って流出されることになる。 このため、排出孔４の部分４”から酸素、二酸化炭素、水等の不純物が除去された窒素ガスとモノシランガスとの混合ガスを得ることができ、窒素ガス及びモノシランガス中の不純物のほとんどが酸素、二酸化炭素、水等であれば、排出孔４の部分４”から十分に純化された高純度の窒素ガスとモノシランガスとの混合ガスを得ることができる。 そして、本実施の形態では、モノシランガスについては、コロナ放電による一次イオン化が行われずに二次イオン化のみが行われるので、モノシランガスが固化などして支障を来さすようなおそれがない。

【００６０】このように、本実施の形態によるガス純化装置５１は、一次イオン化することが好ましくないガスを含む混合ガスの超高純度ガスを得る場合に好適である。

【００６１】次に、本発明の第５の実施の形態による多段ガス純化装置６１について、図５を参照して説明する。 図５は、この多段ガス純化装置６１を示す概略断面図である。

【００６２】第５の実施の形態による多段ガス純化装置６１は、前述した第４の実施の形態によるガス純化装置５１を２段接続して、不純物の除去処理を実質的に２回行って、更に純度を高めたガスを得るようにしたものである。 なお、図５において、第１段のガス純化装置５１
ａ及び第２段のガス純化装置５１ｂの構成は図４中のガス純化装置５１の構成と全く同じであるので、図５において、各構成要素には、図４中の同一構成要素と同じ参照番号の後にａ，ｂを付けて、第１段のガス純化装置５
１ａと第２段のガス純化装置５１ｂの構成を識別しており、その重複した説明は省略する。

【００６３】本実施の形態では、第１段のガス純化装置５１ａにおける排出パイプ１５ａの出口側である一点鎖線６２の部分には、第２段のガス純化装置５１ｂのガス導入パイプ５２ｂの入口側が接続されており、第１段のガス純化装置５１ａにより不純物が除去された混合ガスが導入される。 なお、ガス導入パイプ１４ａ，１４ｂには例えば窒素ガスやアルゴンガス等が流入され、ガス導入パイプには例えばモノシランガス等が流入される。

【００６４】本実施の形態によれば、第１段のガス純化装置５１ａで除去しきれなかった不純物の一部が第２のガス純化装置５１ｂで除去され、排出パイプ１５ｂから一層純度の高い超高純度の混合ガスを得ることができる。

【００６５】次に、本発明の第６の実施の形態によるガス純化装置７１について、図６を参照して説明する。 図６は、このガス純化装置４１を示す概略断面図である。

【００６６】本実施の形態によるガス純化装置７１は、
ステンレススチール等の金属で作られた筒状体７２を有している。 この筒状体７２には、その軸方向一端（図６
中の左端）から他端（図６中の右端）まで軸方向に連通する軸孔７３が形成され、該軸孔７３の他端側部分７３
ａのみが他の部分より径が大きく形成されている。 また、筒状体７２には、その軸方向の図６中の左側位置において筒状体７２の側部に開口するとともに軸孔７３に連通したガス導入孔７４が穿設され、該ガス導入孔７４
の出口側にはガス導入パイプ７５の一端が接続されている。 軸孔７３の図６中の左側開口には、筒状体７２と同様な金属で作られた蓋７６が、金属パッキン７７により軸孔７３を密閉状にシールするように取り付けられている。 蓋７６には、放電針７８が、絶縁材７９を介して取り付けられている。 放電針７８は、軸孔７３の軸線に沿って配置されてその先端がガス導入孔７４に対して図６
中の右側に位置するように支持されている。 本実施の形態では、筒状体７２は接地され、放電針７８と軸孔７３
の壁面との間隔が比較狭くされており、放電針７８と軸孔７３の壁面との間でコロナ放電が起きるようになっている。 すなわち、本実施の形態では、放電針７８及び筒状体７２が、コロナ放電を発生させる放電電極手段を構成している。 放電針７８には電源８０により＋２０００
Ｖが印加されている。 電源８０は、電圧源でも電流源でもよい。 また、筒状体７２には、その軸方向の中央付近の位置において筒状体７２の側部に開口するとともに軸孔７３に連通した排出孔８１が穿設され、該排出孔８１
の出口側には排出パイプ８２の一端が接続されている。
さらに、筒状体７２には、その軸方向の図６中の右側位置において筒状体７２の側部に開口するとともに軸孔７
３の大径部分７３ａに連通した排出孔８３が穿設され、
該排出孔８３の出口側には排出パイプ８４の一端が接続されている。

【００６７】本実施の形態では、ガス導入パイプ７５の内部、軸孔７３における図６中の左側端から排出孔８１
が形成された位置までの部分７３ｂが、大気圧付近の圧力以上の圧力状態でガスが流入される流入路を構成している。 排出孔８１及び排出パイプ８２の内部が、前記流入路のガス流出側に接続され、前記流入路に流入されたガスを分流して流出させる第１の流出路を構成している。 軸孔７３における排出孔８１が形成された位置から大径部分７３ａまでの部分７３ｃ、軸孔７３の大径部分７３ａ、排出孔８３及び排出パイプ８４の内部が、前記流入路のガス流出側に接続されて前記流入路に流入されたガスを分流して流出させる第２の流出路を構成している。 放電針７８及び筒状体７２は、前記流入路に流入したガスを前記流入路の途中において少なくとも一次イオン化するイオン化手段を構成している。

【００６８】また、軸孔７３の大径部分７３ａの入口付近には、円板状の電極８５が軸孔７３の軸線に対して直交するように取り付けられている。 この電極８５の径は軸孔７３の大径部分７３ａの径より若干小さいとともに軸孔７３の他の部分７３ｂ，７３ｃの径より若干大きくされており、電極８５は、軸孔７３の大径部分７３ａと軸孔７４の他の部分との間の段差の位置から若干図６中右側方向に位置するとともに、電極８５の周囲に若干隙間があくように、配置されている。 筒状体７２と同様な金属で作られた蓋８６が、金属パッキン８７により軸孔７３の大径部分７３ａを密閉状にシールするように取り付けられている。 蓋８６には、前記電極８５を支持する導電性支持部材８７が、絶縁材８８を介して取り付けられている。 前記電極８５には、導電性支持部材８７を介して電源８９により−１０００Ｖが印加されている。 なお、電極８５と放電針７８との間の距離は十分にとられており、両者の間ではコロナ放電は生じない。

【００６９】本実施の形態によるガス純化装置７１においても、前記第１の実施の形態によるガス純化装置１と同様に、パーティクルなどの不純物が予め除去された比較的純度の高いガスが、ガス導入パイプ７５に流入される。 このガスは、ガス導入パイプ７５の内部、ガス導入孔７４及び軸孔７３の部分７３ｂからなる流入路を経て、排出孔８１及び排出パイプ８２の内部からなる第１
の流出路と軸孔７３の部分７３ｃ、大径部分７３ａ、排出孔８３及び排出パイプ８４の内部からなる第２の流出路とに分流されて、排出パイプ８２，８４からそれぞれ流出される。 そして、前記第１の態様と同様に、流入路に流入したガスは、第１及び第２の流出路により分流される前に、一次イオン化及び二次イオン化により、不純物のほとんどがイオン化されて不純物イオンとなる。

【００７０】そして、放電針７８に＋２０００Ｖが印加されるとともに筒状体７２が接地されているので、放電針７８とこの周囲の軸孔７３の壁面との間でコロナ放電が起きている。 このため、前述した第１の実施の形態と同様に、流入されたガスはまず一次イオン化され、引き続いて起きるイオン分子反応により、不純物の分子のほとんどがイオン化される。

【００７１】そして、このガスが前記第１及び第２の流出路に分流される際、ガス中の主成分の多くが中性分子であるため、主成分は電極８５の影響をほとんど受けずに、前記第１及び第２の流出路に分流されて排出パイプ８２，８４からそれぞれ流出される。 一方、ガス中の不純物正イオンは負極性に維持された電極８５により引力を受け、ガス中の不純物負イオンは、負極性に維持された電極８５により斥力を受ける。 したがって、正極性にイオン化される不純物は主として排出パイプ８４から流出され、負極性にイオン化される不純物は主として排出パイプ８１から流出される。 このため、前述した第１の実施の形態と同様に、例えば、ガス導入パイプ７５から導入されたガス中の不純物のほとんどが正極性にイオン化されるものである場合には、排出パイプ８２から十分に純化された超高純度のガスを得ることができる。

【００７２】なお、本実施の形態においても、前述した第１の実施の形態と同様に、排出孔８１の入口付近に正極性に維持された電極を配置してもよい。

【００７３】以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。

【００７４】例えば、図１に示すガス純化装置１と図４
に示すガス純化装置５１とを組合せ、ガス純化装置１の排出パイプ１５の出口側をガス純化装置５１のガス導入パイプ１４の入口側に接続してもよい。 同様に、図４に示すガス純化装置５１と図６に示すガス純化装置７１とを組み合わせてもよい。

【００７５】また、前述した各実施の形態においては、
一次イオン化を放電針を使用したコロナ放電により行っているが、沿面放電によるコロナ放電でイオン化してもよい。 また、コロナ放電によらず、コバルト６０やニッケル６３のような放射線、あるいは紫外線のような光を照射して一次イオン化させてもよい。

【００７６】なお、本発明によるガス純化装置の流入路の入口に従来の吸着剤等を用いたガス純化器を接続してもよいことは、勿論である。

【００７７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来に比べて不純物除去することができ、一層高い純度のガスを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態によるガス純化装置を示す概略断面図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態による多段ガス純化装置を示す概略断面図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態によるガス純化装置を示す概略断面図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態によるガス純化装置を示す概略断面図である。

【図５】本発明の第５の実施の形態による多段ガス純化装置を示す概略断面図である。

【図６】本発明の第６の実施の形態によるガス純化装置を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，４１，５１，５１ａ，５１ｂ，７１
ガス純化装置 ２，２ａ，２ｂ，４２，７２ 筒状体 ３，３ａ，３ｂ 放電室 ４，４ａ，４ｂ，５，５ａ，５ｂ，８１，８３ 排出孔 ８，８ａ，８ｂ，７８ 放電針 ９，９ａ，９ｂ 対向電極 １４，１４ａ，１４ｂ，４５，５２，５２ａ，５２ｂ，
７５ ガス導入パイプ １５，１５ａ，１５ｂ １６，１６ａ，１６ｂ，４６
排出パイプ １７，１７ａ，１７ｂ，２２，２２ａ，２２ｂ，５３，
５３ａ，５３ｂ 電極 ３１，６１ 多段ガス純化装置 ５８ 絞り ７３ 軸孔 ７４ ガス導入孔 ８２，８４ 排出パイプ ８５ 電極