Measurement apparatus for abatement systems

Abstract

A measurement apparatus (101) for measuring characteristics of abatement gases. The measurement apparatus comprises a mass spectrometer (120), an infrared spectrometer (110), a first fluid connection point for connecting to an inlet of an abatement device, a second fluid connection point for connecting to an outlet of the abatement device, and a plurality of fluid lines (125). The plurality of fluid lines fluidly connect each of the first and second fluid connection points to both the mass spectrometer and the infrared spectrometer. Each of the mass spectrometer and the infrared spectrometer is for measuring one or more characteristics of gas present at the inlet and / or outlet of the abatement device.

Description

MEASUREMENT APPARATUS FOR ABATEMENT SYSTEMSFIELD OF THE INVENTION

[0001] The present invention relates to an apparatus for measuring characteristics of gases in abatement systems.BACKGROUND

[0002] Abatement systems are used in various different industries (e.g. semi-conductor manufacturing, scientific research) to treat process gases in order to make the gases safe for release. Abatement systems use various different techniques, such as combustion, plasma treatment, wet scrubbing and / or dry-bed absorption, in order to treat said process gases.

[0003] In abatement systems, a parameter called destruction removal efficiency (DRE) may be calculated in order to evaluate the efficacy of the treatment of the process gases.SUMMARY OF INVENTION

[0004] According to an aspect, there is provided a measurement apparatus for measuring characteristics of abatement gases. The measurement apparatus comprises a mass spectrometer, an infrared spectrometer, a first fluid connection point for connecting to an inlet of an abatement device, a second fluid connection point for connecting to an outlet of the abatement device, and a plurality of fluid lines. The plurality of fluid lines fluidly connect each of the first and second fluid connection points to both the mass spectrometer and the infrared spectrometer. Each of the mass spectrometer and the infrared spectrometer is for measuring one or more characteristics of gas present at the inlet and / or outlet of the abatement device.

[0005] The measurement apparatus may further comprise a nitrogen gas supply fluidly connected to the mass spectrometer and the infrared spectrometer via the plurality of fluid lines.

[0006] The nitrogen gas supply may be configured to supply nitrogen gas to the fluid lines to mix with gas received via the first fluid connection point.

[0007] The measurement apparatus may further comprise a krypton gas supply. The krypton gas supply may be fluidly connectable to the inlet of the abatement device.

[0008] The measurement apparatus may further comprise a standard gas supply fluidly connected to the mass spectrometer and the infrared spectrometer via the plurality of fluid lines. The standard gas supply may be configured to supply a standard gas to the fluid lines.

[0009] The measurement apparatus may further comprise a temperature sensor connected to a point on one of the plurality of fluid lines for measuring temperature of gas at that point.

[0010] The measurement apparatus may further comprise a pressure sensor connected to a point on one of the plurality of fluid lines for measuring pressure of gas at that point.

[0011] The measurement apparatus may further comprise a flow rate sensor connected to a point on one of the plurality of fluid lines for measuring flow rate of gas at that point.

[0012] The measurement apparatus may further comprise a test gas access point fluidly connected to the mass spectrometer and the infrared spectrometer via the plurality of fluid lines. The test gas access point may be separate to the first and second fluid connection points. The test gas access point may be connectable to a test gas supply for measuring one or more characteristics of a test gas using the mass spectrometer and / or the infrared spectrometer.

[0013] The one or more characteristics may comprise a volumetric gas concentration of a substance.

[0014] The one or more characteristics may comprise a destruction removal efficiency, DRE, value.

[0015] The mass spectrometer may be a quadrupole mass spectrometer.

[0016] The infrared spectrometer may be a Fourier transform infrared spectrometer.

[0017] In a further aspect, there is provided a system comprising an abatement device, and the measurement apparatus of the above aspect fluidly connected to the abatement device. The first fluid connection point may be connected to an inlet of the abatement device and the second fluid connection point may be connected to an outlet of the abatement device.

[0018] In a yet further aspect, there is provided a method performed by the measurement apparatus of the above aspect. The method comprises receiving, at the first fluid connection point, inlet gas of an abatement device; receiving, at the second fluid connection point, outlet gas of the abatement device; measuring, using the mass spectrometer and / or the infrared spectrometer, one or more characteristic of the inlet gas; and measuring using the mass spectrometer and / or the infrared spectrometer, one or more characteristic of the outlet gas.

[0019] In yet another aspect, there is provided a method performed by the measurement apparatus of the above aspect. The method comprises connecting a test gas supply to the test gas access point; supplying a test gas from the test has supply to the mass spectrometer and / or the infrared spectrometer; and measuring one or more characteristics of the test gas using the mass spectrometer and / or the infrared spectrometer.BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS

[0020] Figure 1 is an illustration (not to scale) showing a schematic diagram of a system for measuring characteristics of abatement gases;

[0021] Figure 2 is an illustration (not to scale) showing a perspective view of a measurement apparatus for measuring characteristics of abatement gases;

[0022] Figure 3 is an illustration (not to scale) showing a flowchart for a method performed by the measurement apparatus for measuring characteristics of abatement gases; and

[0023] Figure 4 is an illustration (not to scale) showing a flowchart for another method performed by the measurement apparatus for measuring characteristics of test gases.DETAILED DESCRIPTION

[0024] Figure 1 is an illustration (not to scale) showing a schematic diagram of a system 100 for measuring characteristics of abatement gases. The system 100 comprises measurement apparatus 101 and abatement apparatus 102. In Figure 1, components of the abatement apparatus 102 are enclosed by dotted lines and components of the measurement apparatus 101 are the remaining elements which are not enclosed by the dotted lines.

[0025] The measurement apparatus 101 comprises a Fourier-transform infrared (FTIR) spectrometer 110, a quadrupole mass spectrometer (QMS) 120, a krypton gas supply 130a, a first nitrogen gas supply 130b, a standard gas supply 130c, a second nitrogen gas supply 130d, a plurality of sampling pumps 140, a test gas access point 150, and a dilution module 115. The measurement apparatus 101 further comprises a plurality of valves 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 17, 18, 19, 20, 26,28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 46, 47, 48, 49, 50, a plurality of first pressure sensors 11, 13, 14, a first temperature sensor 16, a plurality of flow controllers 24, 25, 27, 44, and a plurality of fluid (e.g. gas) lines 125.

[0026] The Fourier-transform infrared (FTIR) spectrometer 110 is configured to use FTIR spectroscopy to detect the presence of various chemical substances in gas passing through the FTIR spectrometer 110. The detailed underlying physical / chemical mechanisms behind FTIR spectroscopy are well understood and will not be described here for brevity. It will be appreciated that although an FTIR spectrometer is described, in general, any other suitable type of infrared spectrometer may be used.

[0027] The quadrupole mass spectrometer (QMS) 120 is configured to use quadrupole mass spectroscopy to detect the presence of various chemical substances in gas passing through the QMS 120. The detailed underlying physical / chemical mechanisms behind quadrupole mass spectroscopy are also well understood and will not be described here for brevity. It will be appreciated that although a QMS is described, in general, any other suitable type of mass spectrometer may be used.

[0028] The krypton gas supply 130a is configured to supply krypton gas (Kr) to the system 100. The nitrogen gas supplies 130b, 130d are configured to supply nitrogen gas to the system 100. The standard gas supply 130c is configured to supply a standard gas to the system 100.

[0029] The sampling pumps 140 are configured to pump gas through the system 100. In this embodiment, there are two sampling pumps 140, one for pumping gas through the FTIR spectrometer 110 and one for pumping gas through the QMS 120.

[0030] The test gas access point 150 is a connection point for connecting the measurement apparatus 101 to a test gas source. The detailed purpose and function of the test gas access point 150 will be described in more detail below.

[0031] The dilution module 115 is a module for mixing and diluting process gas with nitrogen gas. The detailed purpose and function of the dilution module 115 will be described in more detail below.

[0032] The plurality of valves 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 17, 18, 19, 20, 26, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 46, 47, 48, 49, 50 are each configured to open / close to control the flow of gas within the measurement apparatus 101.

[0033] The plurality of first pressure sensors 11, 13, 14 are each configured to detect gas pressure at their locations. Specifically, one of the first pressure sensors 11 is configured to measure the pressure of gas at the inlet of the abatement device 170.

[0034] The first temperature sensor 16 is configured to detect gas temperature at its location. Specifically, the first temperature sensor 16 is configured to measure the temperature of gas at the inlet of the abatement device 170.

[0035] The plurality of flow controllers 24, 25, 27, 44 are each configured to control the flow of gas at their respective locations.

[0036] The plurality of gas lines 125 fluidly connect the other components of the measurement apparatus 101 to each other and to the abatement apparatus 102.

[0037] The abatement apparatus 102 comprises an input point 160, an abatement device 170, an output line 180, a second temperature sensor 15, and a second pressure sensor 12.

[0038] The input point 160 is configured to receive process gas from a process gas source (not shown) . For example, the process gas source may be a semi-conductor fabrication system which produces harmful waste process gases. A pump may be present at the input point 160 to pump process gas from the process gas source into the system 100.

[0039] The abatement device 170 is configured to treat the received process gas and to output the treated process gas into the output line 180. The abatement  device 170 may, for example, comprise a combustion abatement device, aplasma treatment abatement device, a wet scrubbing abatement device and / or a dry-bed absorption abatement device. It will be appreciated that in general the abatement device 170 may be any suitable type of abatement device.

[0040] The output line 180 is configured to receive gas which has been treated by the abatement device 170 and to convey the treated gas elsewhere, e.g. for release to an external environment.

[0041] The second temperature sensor 15 is configured to detect gas temperature at its location. Specifically, the second temperature sensor 15 is configured to measure the temperature of gas at the outlet of the abatement device 170.

[0042] The second pressure sensor 12 is configured to detect gas pressure at its location. Specifically, the second pressure sensor 12 is configured to measure the pressure of gas at the outlet of the abatement device 170.

[0043] The measurement apparatus 101 is disconnectable from the abatement apparatus 102 and reconnectable to another abatement apparatus. Thus, the measurement apparatus 101 is usable with other abatement apparatuses in the same way as it is usable with the abatement apparatus 102.

[0044] The system 100 further comprises a computing apparatus (not shown) configured to receive data from the above-described components of the system 100. For example, the computing apparatus is configured to receive and process data from the FTIR spectrometer 110, the QMS 120, the pressure sensors and the temperature sensors. The computing apparatus may comprise a display for displaying data received from the other components of the system to a user.

[0045] Figure 2 is an illustration (not to scale) showing a perspective view of the measurement apparatus 101 for measuring characteristics of abatement gases according to an embodiment. In this embodiment, the measurement apparatus 101 comprises a cabinet 200 and the remaining components of the  measurement apparatus 101 are contained within and / or attached to the cabinet 200. In this embodiment, the measurement apparatus 101 further comprises a plurality of wheels 210 coupled to the cabinet 200 and the cabinet 200 is movable on the wheels 210. However, it will be appreciated that this is one non-limiting example option for packaging the measurement apparatus 101 and other alternative constructions may be used.

[0046] Various methods of operating the system 100 will now be described with reference to Figures 3 and 4.

[0047] Figure 3 is an illustration (not to scale) showing a flowchart for a method 300 performed by the measurement apparatus 101 for measuring characteristics of abatement gases.

[0048] In step 301, the method 300 starts.

[0049] In step 302, a gas line leak check is performed. In this step, nitrogen gas is supplied from the second nitrogen gas supply 130d through the gas lines 125 and two of the first plurality of pressure sensors 13, 14 are monitored, using the computing apparatus, to detect whether there is a leak in the gas lines 125.

[0050] In step 303, background scanning and standard gas validation is performed for the QMS 120. In order to perform background scanning, nitrogen gas is supplied from the second nitrogen gas supply 130d through a first section 125-1 of the gas lines 125 and the QMS 120 in order to remove impurities present in the gas lines, and the QMS 120 is monitored, using the computing apparatus, to detect when the impurities have been removed. Once all impurities have been removed, there will be a null or substantially null signal from the QMS 120. In order to perform standard gas validation, a standard gas (e.g. a 1000ppm certified standard gas for CF4 DRE test) is supplied from the standard has supply 130c through the QMS 120 and the QMS 120 is monitored, using the computing apparatus, to detect a QMS signal from the standard gas which indicates the concentration of the standard gas. The indicated concentration of the standard gas is compared to a known concentration of the standard gas to  check whether the QMS 120 is operating properly. If the indicated concentration of the standard gas does not match the known concentration of the standard gas, then a fault is present (e.g. error in the data stored in the system 100) .

[0051] In step 304, background scanning and standard gas validation is performed for the FTIR spectrometer 110. In order to perform background scanning, nitrogen gas is supplied from the second nitrogen gas supply 130d through a second section 125-2 of the gas lines 125 and the FTIR spectrometer 110 in order to remove impurities present in the gas lines, and the FTIR spectrometer 110 is monitored, using the computing apparatus, to detect when the impurities have been removed. Once all impurities have been removed, there will be a null or substantially null signal from the FTIR spectrometer 110. In order to perform standard gas validation, a standard gas (e.g. a 1000ppm certified standard gas for CF4 DRE test) is supplied from the standard has supply 130c through the FTIR spectrometer 110 and the FTIR spectrometer 110 is monitored, using the computing apparatus, to detect a FTIR signal from the standard gas which indicates the concentration of the standard gas. The indicated concentration of the standard gas compared to a known concentration of the standard gas to check whether the FTIR spectrometer 110 is operating properly.

[0052] In step 305, an outlet gas concentration of the output of the abatement device 170 is measured. In this step, a process gas is supplied from the input point 160 to the inlet of the abatement device 170. Once treated by the abatement apparatus, the output gas of the abatement device 170 is supplied, via a third section 125-3 of the gas lines 125, to the FTIR spectrometer 110 and / or the QMS 120 in order to measure a gas concentration for one or more gas types in the output gas of the abatement device 170. For example, only the QMS may be used to measure the concentration of hydrogen or chlorine which the FTIR spectrometer 110 cannot detect. For example, the QMS and / or FTIR spectrometer may be used to measure the concentration of carbon tetrafluoride. The FTIR spectrometer 110 and / or QMS 120 signals for the outlet gas are provided to the computing apparatus in order to measure the outlet gas concentration for the one or more gas types.

[0053] In step 306, an inlet gas concentration of the input of the abatement device 170 is measured. In this step, the process gas is supplied from the input point 160 towards the inlet of the abatement device 170. This input process gas of the abatement device 170 is supplied, via a fourth section 125-4 of the gas lines 125 which branches off a gas line section supplying the inlet of the abatement device 170, to the FTIR spectrometer 110 and / or the QMS 120 in order to measure a gas concentration for one or more gas types in the input gas of the abatement device 170. For example, only the QMS may be used to measure the concentration of hydrogen or chlorine which the FTIR spectrometer 110 cannot detect. For example, the QMS and / or FTIR spectrometer may be used to measure the concentration of carbon tetrafluoride. Furthermore, in this step, nitrogen gas is supplied from the first nitrogen gas supply 130b to the QMS 120 and / or FTIR spectrometer 110, via the dilution module 115. The FTIR spectrometer 110 and / or QMS 120 signals for the inlet gas are provided to the computing apparatus in order to measure the inlet gas concentration for the one or more gas types.

[0054] In step 307, the outlet flow rate of the abatement device 170 is measured. In this step, krypton gas is supplied from the krypton gas supply 130a, to the inlet of abatement device 170, through the abatement device 170, out of the outlet of the abatement device 170, through the third section 125-3 of the gas lines 125, and to the QMS 120. A measure of the outlet flow rate is provided by one of the flow controllers 44. The QMS 120 also provides a signal indicative of the concentration of the krypton gas passing therethrough.

[0055] In step 308, the inlet flow rate of the abatement device 170 is measured. In this step, krypton gas is supplied from the krypton gas supply 130a, through the fourth section 125-4 of the gas lines 125 which branches off a gas line section supplying the inlet of the abatement device 170, and to the QMS 120. A measure of the inlet flow rate is provided by one of the flow controllers 44. The QMS 120 also provides a signal indicative of the concentration of the krypton gas passing therethrough.

[0056] In step 309, the method 300 ends.

[0057] The above system and method provides a way of collecting data for the destruction removal efficiency (DRE) of the abatement apparatus 102 to be determined. Specifically, a value for DRE of the abatement apparatus 102 for a particular substance may be calculated using the formula: DRE=1- [ (Cout x Qout)  /  (Cin x Qin) ]

[0058] Where Cout is volumetric gas concentration of the substance in the abatement device 170 outlet, Qout is volumetric gas flow rate of the substance in the abatement device 170 outlet, Cin is volumetric gas concentration of the substance in the abatement device 170 inlet, and Qin is volumetric gas flow rate of the substance in the abatement device 170 inlet.

[0059] In the above system and method, Cout and Cin are measured by the QMS 120 and / or FTIR spectrometer 110 by passing the substance through the QMS and / or FTIR spectrometer 110. The ratio Qout / Qin is the same as the ratio Cout / Cin for krypton when krypton is additionally supplied through the abatement apparatus 102. Therefore, a way of determining a value for DRE is provided.

[0060] The DRE is calculated by the computing apparatus of the system 100 using the above-described data collected from the system 100. For example, the DRE may be calculated by the computing apparatus after the steps described above with reference to Figure 3, using the data collected in that method.

[0061] Figure 4 is an illustration (not to scale) showing a flowchart for a method 400 performed by the measurement apparatus 101 for measuring characteristics of a test gas. It will be appreciated that the abatement apparatus 102 may not be connected to the measurement apparatus 101 during this method 400.

[0062] In step 401, the method 400 starts.

[0063] In step 402, a test gas source, e.g. a test gas bag containing a test gas, is fluidly connected to the test gas access point 150 of the measurement apparatus 101.

[0064] In step 403, the test gas is supplied from the test gas source to the FTIR spectrometer 110 and / or the QMS 120.

[0065] In step 404, the FTIR spectrometer 110 and / or the QMS 120 signal (s) are read to determine the concentration of one or more gas types in the test gas source. The FTIR spectrometer 110 and / or QMS 120 signals for the test gas source are provided to the computing apparatus in order to measure the gas concentration for the one or more gas types in the test gas source.

[0066] In step 405, the method 400 ends.

[0067] Thus, a system and methods for measuring characteristics of abatement gases is provided.

[0068] Advantageously, the above described system provides an integrated tool which includes both a QMS and an FTIR spectrometer which can be used in the analysis of gases. This increases the flexibility of the measurement apparatus because these two different spectrometers have different capabilities in terms of which substances they are able to detect. For example, a QMS can detect gases formed from diatomic elements such as O2 whereas an FTIR spectrometer cannot.

[0069] Advantageously, the above described system provides a way of improving the accuracy of abatement inlet gas concentration detection by introducing nitrogen gas to dilute the inlet gas in order to improve the accuracy of measurements. This is because inlet gas concentrations tend to be very high which hinders accurate measurement using a QMS or FTIR spectrometer.

[0070] Advantageously, the above described system provides a way to measure temperature and pressure of both inlet and outlet gas of an abatement device in order to evaluate their influence on DRE test results of abatement.

[0071] It will be appreciated that various modifications / deviations may be made to the above described embodiments without departing from the scope of the invention.

[0072] REFERENCE NUMERAL LIST

[0073] 100: system

[0074] 101: measurement apparatus

[0075] 102: abatement apparatus

[0076] 110: a Fourier-transform infrared (FTIR) spectrometer

[0077] 120: a quadrupole mass spectrometer (QMS)

[0078] 130a: krypton gas supply

[0079] 130b: a first nitrogen gas supply

[0080] 130c: standard gas supply

[0081] 130d: second nitrogen gas supply,

[0082] 140: sampling pumps

[0083] 150: test gas access point

[0084] 115: dilution module

[0085] 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 17, 18, 19, 20, 26, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 46, 47, 48, 49, 50: valves

[0086] 11, 13, 14: first pressure sensors

[0087] 16: first temperature sensor

[0088] 24, 25, 27, 44: flow controllers

[0089] 125: gas lines

[0090] 160: input point

[0091] 170: abatement device

[0092] 180: output line

[0093] 15: second temperature sensor

[0094] 12: second pressure sensor

Claims

1.A measurement apparatus for measuring characteristics of abatement gases, the measurement apparatus comprising:a mass spectrometer;an infrared spectrometer;a first fluid connection point for connecting to an inlet of an abatement device;a second fluid connection point for connecting to an outlet of the abatement device; anda plurality of fluid lines,wherein the plurality of fluid lines fluidly connect each of the first and second fluid connection points to both the mass spectrometer and the infrared spectrometer, andwherein each of the mass spectrometer and the infrared spectrometer is for measuring one or more characteristics of gas present at the inlet and / or outlet of the abatement device.2.The measurement apparatus of claim 1, further comprising a nitrogen gas supply fluidly connected to the mass spectrometer and the infrared spectrometer via the plurality of fluid lines, wherein the nitrogen gas supply is configured to supply nitrogen gas to the fluid lines to mix with gas received via the first fluid connection point.3.The measurement apparatus of any preceding claim, further comprising a krypton gas supply, wherein the krypton gas supply is fluidly connectable to the inlet of the abatement device.4.The measurement apparatus of any preceding claim, further comprising a standard gas supply fluidly connected to the mass spectrometer and the infrared spectrometer via the plurality of fluid lines, wherein the standard gas supply is configured to supply a standard gas to the fluid lines.5.The measurement apparatus of any preceding claim, further comprising a temperature sensor connected to a point on one of the plurality of fluid lines for measuring temperature of gas at that point.6.The measurement apparatus of any preceding claim, further comprising a pressure sensor connected to a point on one of the plurality of fluid lines for measuring pressure of gas at that point.7.The measurement apparatus of any preceding claim, further comprising a flow rate sensor connected to a point on one of the plurality of fluid lines for measuring flow rate of gas at that point.8.The measurement apparatus of any preceding claim, further comprising a test gas access point fluidly connected to the mass spectrometer and the infrared spectrometer via the plurality of fluid lines, wherein the test gas access point is separate to the first and second fluid connection points, and wherein the test gas access point is connectable to a test gas supply for measuring one or more characteristics of a test gas using the mass spectrometer and / or the infrared spectrometer.9.The measurement apparatus of any preceding claim, wherein the one or more characteristics comprise a volumetric gas concentration of a substance.10.The measurement apparatus of any preceding claim, wherein the one or more characteristics comprise a destruction removal efficiency, DRE, value.11.The measurement apparatus of any preceding claim, wherein the mass spectrometer is a quadrupole mass spectrometer.12.The measurement apparatus of any preceding claim, wherein the infrared spectrometer is a Fourier transform infrared spectrometer.13.A system comprising:an abatement device; andthe measurement apparatus of any preceding claim fluidly connected to the abatement device,wherein the first fluid connection point is connected to an inlet of the abatement device and the second fluid connection point is connected to an outlet of the abatement device.14.A method performed by the measurement apparatus of any of claims 1 to 12, the method comprising:receiving, at the first fluid connection point, inlet gas of an abatement device;receiving, at the second fluid connection point, outlet gas of the abatement device;measuring, using the mass spectrometer and / or the infrared spectrometer, one or more characteristic of the inlet gas; andmeasuring using the mass spectrometer and / or the infrared spectrometer, one or more characteristic of the outlet gas.15.A method performed by the measurement apparatus of claim 8 or any of claims 9-12 when dependent on claim 8, the method comprising:connecting a test gas supply to the test gas access point;supplying a test gas from the test has supply to the mass spectrometer and / or the infrared spectrometer; andmeasuring one or more characteristics of the test gas using the mass spectrometer and / or the infrared spectrometer.

Images