CN107850533A - 浓度测定装置 - Google Patents

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Abstract

一种浓度测定装置，包括：至少一个光源；用于注入被测定流体的测定单元；用于使所述光源的光分支为入射到所述测定单元内的入射光和未入射到所述测定单元内的非入射光的分歧器；用于检测所述入射光通过了所述测定单元的透过光的透过光检测器；用于检测所述非入射光的非入射光检测器；以及利用所述非入射光检测器的检测信号对所述透过光检测器的检测信号进行校正的运算部。

Description

浓度测定装置
技术领域
本发明涉及基于吸光光度法的原理用于测定气体浓度的浓度测定装置。
背景技术
迄今，已知有安装于向半导体制造装置供给有机金属(MO)气体等的原料气体的气体供给线、测定气体供给线中的气体的浓度的浓度测定装置。
这种浓度测定装置中，从光源向设置于气体供给线的测定单元中入射规定波长的光，利用光检测器对通过测定单元内的时候承受因气体导致的吸收之后的光加以检测，由此测定吸光度，由吸光度求出浓度。
但是，由于温度等周边环境的影响或光源的发光强度或光检测器(受光元件)的受光强度的波动等，测定浓度会产生误差。虽然为了维持测定精度有必要进行校正，但是为了避免半导体制造装置的气体供给线混入污染物有必要避免和外部接触同时进行校正。
因此，提供了在线型浓度测定装置，该浓度测定装置包括：被测定流体流过的测定用单元、具有和该测定用单元相同的特性且校正用流体流过的校正用单元、选择性地切换两个单元中的一个单元进行光投射的光源以及对所述单元内通过的光进行受光的受光器(例如专利文献1等)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2000-206045号公报
发明内容
但是，上述现有的浓度测定装置中，由于不仅需要对测定用单元与校正用单元使用相同的光源和相同的受光器，还有必要对进行测定的单元加以切换，因此结构变得复杂，产生了不能实时测定的问题。
因此，本发明以提供结构不复杂、能实时地对测定浓度的误差进行精度的良好校正的浓度测定装置为主要目的。
为了达到上述目的，本发明涉及的浓度测定装置的第一方式包括：至少一个光源、用于注入被测定流体的测定单元、使所述光源的光分支为入射到所述测定单元内的入射光和未入射到所述测定单元内的非入射光的分歧器、检测所述入射光通过了所述测定单元的透过光的透过光检测器、检测所述非入射光的非入射光检测器以及利用所述非入射光检测器的检测信号对所述透过光检测器的检测信号进行校正的运算部。
并且，本发明涉及的浓度测定装置的第二方式中，在上述第一方式中，所述光源包括各自发射不同波长的光的多个光源，还包括对所述多个发光元件发出的不同的多个波长的光在被所述分歧器分支之前进行合波的至少一个合波器。
并且，本发明涉及的浓度测定装置的第三方式包括：各自发射不同波长的光的多个光源、用于注入被测定流体的测定单元、对所述多个光源发射的多个不同的波长的所述光进行合波的至少一个合波器、用于检测合波后的所述光通过了所述测定单元的透过光的透过光检测器、设置于所述合波器且提取所述光源的光的一部分作为未入射到所述测定单元的非入射光的非入射光检测口、以及利用所述非入射光检测口的检测信号对所述透过光检测器的检测信号进行校正的运算部。
本发明涉及的浓度测定装置的第四方式中，在上述第三方式，所述非入射光检测口进一步设置有用于通过所述非入射光的狭缝。
本发明涉及的浓度测定装置的第五方式中，在上述第一或第三方式，所述运算部通过基于下述式子的运算处理对所述透过光检测器的检测信号进行校正。
Icor＝Icell×(Iref，0/Iref)
其中，上述式子中，Icor为校正后的所述透过光检测器的光强度，Iref，0为通过所述非入射光检测器检测出的所述非入射光的初期强度，Icell为通过所述透过光检测器检测出的测定时的光强度，Iref为通过所述非入射光检测器检测出的测定时的光强度。
本发明涉及的浓度测定装置的第六方式中，在上述第二或第三方式，包括在所述多个光源的各个流过不同频率的驱动电流的振荡回路装置。
本发明涉及的浓度测定装置的第七方式中，在上述第六方式，通过所述运算部的运算处理包括使用高速傅里叶变换对所述透过光检测器的检测信号进行频率解析的处理。
本发明涉及的浓度测定装置的第八方式中，在上述第六方式，通过所述运算部的运算处理包括使用高速傅里叶变换对所述非入射光的检测信号进行频率解析的处理。
本发明涉及的浓度测定装置的第九方式中，在上述第一方式，所述光源包括发出紫外光的光源。
本发明涉及的浓度测定装置的第十方式中，在上述第一方式，所述运算部在所述非入射光检测器的检测信号未发生变化的情况下不对所述透过光检测器的检测信号进行校正。
发明效果
根据本发明，不需要校正用单元，通过使用所述非入射光的检测信号对透过光检测器的检测信号进行校正，能实时地对测定浓度进行校正，维持测定精度。
附图说明
图1是显示本发明涉及的浓度测定装置的第一实施例的概要结构图。
图2是显示不同频率的驱动电流流过的情况下波长不同的多个光源各自生成的光的波形的波形图。
图3是显示利用合波器将图2中具有不同波长的多个波形合波后的光的波形的波形图。
图4是显示利用高速傅里叶变换对图3的波形数据进行频率解析后的振幅频谱的频谱图。
图5是显示本发明涉及的浓度测定装置的第二实施例的概要结构图。
图6是显示所述第二实施例的结构要件的合波器的一个内部结构的放大图。
符号说明
1、1A、浓度测定装置；
4、测定单元；
6、透过光检测器；
7、非入射光检测器；
8a、运算部；
12、13、14、15、光源；
16、分歧器；
17、17A、18、19、合波器；
17d、非入射光检测口；
17s、狭缝；
G、被测定流体；
L1：入射光；
L2：非入射光。
具体实施方式
以下参见图1到图4，对本发明涉及的浓度测定装置的第一实施方式进行说明。
参见图1，浓度测定装置1包括：用于流过被测定流体的测定单元4、光源12～15、将光源12～15的光分支为入射到测定单元4内的入射光L1和未入射到测定单元4内的非入射光L2的分歧器16、检测通过测定单元4的透过光的透过光检测器6、检测非入射光L2的非入射光检测器7以及使用非入射光检测器7的检测信号的变化对透过光检测器6的检测信号进行校正的运算部8a。
测定单元4包括：对向配置于两端的光入射窗3和光出射窗5以及被测定流体的流入口4a和流出口4b。光入射窗3和光出射窗5虽然优选使用对紫外光等也有耐受性、机械/化学稳定的蓝宝石玻璃，但是也可使用其他稳定材料，例如石英玻璃。
光源12～15为各自发出不同波长的光的LED，各自分别流过不同频率的驱动电流。如下所述，由于透过光检测器6和非入射光检测器7不能检测波长差异，因此通过在光源12～15的各自流过不同频率的驱动电流、由透过光检测器6和非入射光检测器7检测出的检测信号实现对不同波长的光源12～15进行区别。
如图所示，光源12的光的波长为365nm、光源13的光的波长为310nm、光源14的光的波长为280nm、光源15的光的波长为255nm。光源12的驱动电流的频率为216Hz、光源13的驱动电流的频率为192Hz、光源14的驱动电流的频率为168Hz、光源15的驱动电流的频率为144Hz。图2中显示了光源12～15的各个波形。
光源12～15发射的多个波长的光分别被WDM(波长分隔多重方式)的合波器17～19合波。合波器17将光源12的光和光源13的光进行合波后输出合波光A。合波器18将光源14的光合波到合波光A后输出合波光B。合波器19将光源15的光合波到合波光B后输出合波光C。因此，合波光C含有4种不同的波长。图3显示了通过光电二极管检测出的合波光C的波形。
合波光C通过光纤2被导光，经由图中未示出的准直仪成为平行光，透过光入射窗3，被入射到测定单元4内。符号20是使不同频率的驱动电流在光源12～15各自中流过的振荡回路装置。
通过测定单元4的光透过出射窗5在透过光检测器6中被接受。透过光检测器6作为受光元件，包括光电二极管、光电晶体管等的光传感器。透过光检测器6被通过测定单元4的透过光照射时，通过配线6a向控制运算部8输出和透过光成比例的电压的检测信号。
虽然图示例中测定单元4中配置有透过光检测器6，但是为了回避由测定单元内的气体向透过光检测器6的受光元件传递的热的影响，也能经由被连接至测定单元4的光出射窗5的外侧的准直仪和光纤(图中未示出)使测定单元4的透过光在配置于远离测定单元4的位置的受光元件中被接受。
分歧器16使合波C的光的一部分(例如25～35％的规定比例)分支为未入射到测定单元4内的非入射光L2。分支后的非入射光L2通过光纤21传递，由非入射光检测器7接受。非入射光检测器7的检测信号作为电气信号通过电气配线22被输出到控制运算部8。非入射光检测器7能包括和透过光检测器6相同的受光元件。
控制运算部8的运算部8a基于吸光光度法由通过透过光检测器6检测出的光的检测信号计算出被测定流体的浓度。控制运算部8使算出的浓度在液晶板等的显示部9上显示。
虽然透过光检测器6检测多个频率被合波后的光，但是合波后的光的检测信号进行A/D变换作为数字信号向运算部8a传送，在运算部8a中通过傅里叶高速变换进行频率解析，被变换为各个频率成分的振幅频谱。图4是显示基于高速傅里叶变换的频率解析后的振幅频谱的频谱图。图4中，横轴的频率表示驱动电流的频率，纵轴的振幅表示光强度。图4中，如具有吸光特性的被测定流体未流动的状态或不吸收光的氮气流动的状态，显示了没有光的吸收的状态(以下称为“无吸收状态”)。如果作为被测定流体的有机金属材料流过测定单元4，则图4的频谱图中存在吸收的波长的频率的振幅会减小。
由存在吸收的波长的振幅频谱的振幅变化，基于朗伯-比尔定律，根据计算吸光度Aλ的下述式子(1)，能算出吸光度Aλ。
Aλ＝log10(I0/I)＝αLC….(1)
其中，Io为入射到测定单元内的所述入射光的强度，I为通过了测定单元的透过光的强度，α为摩尔吸光系数(m2/mol)、L为测定单元的光程长度(m)、C为浓度(mol/m3)。摩尔吸光系数α为根据物质决定的系数。
即，上式(1)的(I0/I)看作是图4所示的振幅频谱的无吸收状态的振幅的峰值(P0)和振幅频谱的浓度测定时的振幅的峰值(P)的变化(P0/P)，能计算出吸光度Aλ。如果计算出吸光度Aλ，由上式(1)就能计算出被测定流体的浓度C。
振幅频谱的所述无吸收状态的振幅的峰值(P0)能针对每一个驱动电流的频率都预先存储于控制运算部8内的存储器等。
合波光中被分支的非入射光L2通过非入射光检测器7得到的检测信号也进行A/D变换作为数字信号向运算部8a传送，在运算部8a中通过高速傅里叶变换进行频率解析，被变换为各个频率成分的振幅频谱。振幅频谱的振幅的峰值的初期值(S0)针对每一个频率都被记录于控制运算部8内的存储器等，用于后述的浓度校正。
被非入射光检测器7检测出的非入射光L2，由于未通过测定单元4，所以未受到基于被测定流体的吸收。由被非入射光检测器7检测出的光的初期强度(Iref,0)对经时后的测定时的非入射光检测器7检测的光强度(Iref)的变化率(Iref/Iref,0)考虑了基于以温度为代表的周围环境的变化、根据光学元件的经年劣化、直到光源的驱动稳定的发光强度变化、光入射光检测器的受光强度变化等的因素。因此，通过将所述变化率(Iref/Iref,0)的倒数(Iref,0/Iref)乘以透过光检测器6的测定时的光强度(Icell)，能对透过光检测器6的检测信号进行校正。
因此，运算部8a基于下述式子(2)能对透过光检测器6的检测信号进行校正。
Icor＝Icell×(Iref,0/Iref)….(2)
上式(2)中，Icor为校正后的透过光检测器6的光强度、Iref,0为被非入射光检测器7检测出的非入射光L2的初期强度、Icell为被透过光检测器6检测出的测定时的光强度、Iref为被非入射光检测器7检测出的测定时的光强度。并且，初期强度Iref,0和上述振幅的峰值(P0)的测定在相同时期得以测定。
并且，由于存在构成设备的温度依耐性和被测定流体的温度变动，因此在适合位置设置温度检测器，根据测定出的温度修改输出值(浓度测定值)。
本实施方式中，如上所述，非入射光检测器7的检测信号通过高速傅里叶变换被变换为振幅频谱。非入射光检测器7的振幅频谱的峰值的初期值(S0)如上所述存储于存储器等。如果因基于时间经过而导致的光学元件的经年劣化等而造成非入射光检测器7检测出的光强度降低时，振幅频谱的峰值(S)会降低。这种变化率(S/S0)能看作是如上式(2)所示的光强度的变化率(Iref/Iref,0)。因此，通过将透过光检测器6检测出的光强度(Icell)乘以变化率(S/S0)的倒数(S0/S)，得到了校正后的透过光检测器6的光强度(Icor)。
如果将透过光检测器6检测出的光强度(Icell)置换为上述振幅频谱的浓度测定时的振幅的峰值(P)且代入上式(1)，能根据下式(3)计算出校正后的浓度。
log10(P0/(P×(S0/S)))＝αLC….(3)
本实施方式中，对4种波长各自进行校正。由于吸收频谱因气体的种类而不同，所以通过将存在吸光的波长和不存在吸光的波长进行组合，更高精度的高浓度测定成为可能。根据测定气体的种类，不会对全部波长各自进行校正，能仅对多种波长中必要的波长，例如仅对4种波长中的2种波长进行校正。校正后的浓度能在显示部9中显示。
运算部8a在非入射光检测器7的检测信号未变化的情况下能不对透过光检测器6的检测信号进行校正。此处，所谓检测信号未变化的情况，除了检测信号未变动，还有检测信号的变动在一定的范围(容许范围)内的情况。
并且，由于存在构成设备的温度依耐性和被测定流体的温度变动，因此在适合位置设置温度检测器，能根据测定出的温度修改输出值(浓度测定值)。
根据包括上述结构的浓度测定装置，不需要另外设置校正用单元，通过使用非入射光检测器7的检测信号的变化对透过光检测器的检测信号进行校正，能实时地对测定浓度进行校正，长时间维持测定精度。
并且，由于通过程序处理对校正方法进行软件定义，能通过改写程序修正校正程序，所以校正的扩展性高。并且，通过对透过光检测器6和非入射光检测器7使用相同的回路进行相同的定时测定，能进行逐次强度校正，提高校正的精度。
接下来，参见图5和图6对本发明的第二实施方式进行说明。并且，对于和上述第一实施方式相同的构成要素，附加相同的符号省略了详细的说明。图5显示了第二实施方式的浓度测定装置，图6显为显示如图5所示的合波器17A的内部结构的扩大图。
参见图5，第二实施方式中具备的合波器17A为通过光学滤波器17f对来自光源12、13的光L12、L13进行合波的结构，追加侧的光L13在相对于光学滤波器17f进行45度倾斜状态下接触L13，进行90度弯曲，和其他波长的光L12一起被合波。符号17c表示准直仪的透镜等的集光透镜(聚光透镜)。
这时，光学滤波器17f不反射光L13的全部光，其中一些的光L13m透过光学滤波器17f而直行。同样地，成为合波光A来源的光L12虽然透过光学滤波器17f而直行，但是没有100％透过，其中一些的光L12m通过光学滤波器17f反转(反射、跳反)。直行通过光学滤波器17f的光L13m和通过光学滤波器17f反转的光L12m作为参照光(未入射到测定单元4的非入射光)，从非入射光检测口17d被提取后由非入射光检测器7检测出。
并且，非入射光L2从合波器17A向外发出时，为了排除合波器17A内散乱的光，在非入射光检测口17d于光入射侧设置有狭缝17s。并且，设置于合波器的非入射光检测口，在具有多个合波器的情况下，设置在哪个合波器都可以，可以是一个，也可以是多个。
根据合波器17A的上述结构，第二实施方式的浓度测定装置1A中，不需要第一实施方式的浓度测定装置1包括的那样的分歧器16。第二实施方式其他的结构中，由于和上述第一实施方式相同，省略了详细的说明。
本发明中，不被限定解释为上述实施方式，可在不脱离本发明的主旨的范围中进行各种变型。例如，用于测定的光也可使用紫外光范围以外的波长范围的光。
并且，光源也能使用LED以外的发光元件，例如LD(激光二极管)。透过光检测器6和非入射光检测器7不限于光电二极管，也可使用其他受光元件，例如光电晶体管。
并且，虽然上述第一实施方式中光源使用多个不同波长的合波光，但是也可使用单一波长的光源，这种情况下，省略了合波器和高速傅里叶变换。
并且，上述实施方式中，虽然示例了测定单元中被测定流体流过的结构，但是也可为密封容纳被测定流体的测定单元而检测浓度的结构。
进一步地，上述实施方式中，虽然显示了利用非入射光检测器7的检测出的非入射光L2的初期强度和测定时的光强度的变化对透过光检测器6的检测信号进行校正的例子，但是校正的方法并不限于此。例如，也可使用对光强度变化的差分进行加减计算的方法、规格化光强度的方法、或利用相对于光强度变化相对于时间的倾斜度的方法。

Claims (10)

1.一种浓度测定装置，其特征在于，包括：
至少一个光源；
测定单元，所述测定单元用于注入被测定流体；
分歧器，所述分歧器用于使所述光源的光分支为入射到所述测定单元内的入射光和未入射到所述测定单元内的非入射光；
透过光检测器，所述透过光检测器用于检测所述入射光通过了所述测定单元的透过光；
非入射光检测器，所述非入射光检测器用于检测所述非入射光；以及
运算部，所述运算部利用所述非入射光检测器的检测信号对所述透过光检测器的检测信号进行校正。
2.根据权利要求1所述的浓度测定装置，其特征在于，
所述光源包括分别发出波长不同的所述光的多个光源，
还具备至少一个合波器，所述至少一个合波器对所述多个光源发射的不同的多个波长的所述光在被所述分歧器分支之前进行合波。
3.一种浓度测定装置，其特征在于，包括：
多个光源，所述多个光源分别发出不同波长的光；
测定单元，所述测定单元用于注入被测定流体；
至少一个合波器，所述至少一个合波器用于对所述多个光源发出的多个不同波长的所述光进行合波；
透过光检测器，所述透过光检测器用于检测合波后的所述光通过了所述测定单元的透过光；
非入射光检测口，所述非入射光检测口设置于所述合波器并且提取所述光源的光的一部分作为未入射到所述测定单元内的非入射光；以及
运算部，所述运算部利用所述非入射光检测口的检测信号对所述透过光检测器的检测信号进行校正。
4.根据权利要求3所述的浓度测定装置，其特征在于，在所述非入射光检测口进一步设置有用于使所述非入射光通过的狭缝。
5.根据权利要求1或3所述的浓度测定装置，其特征在于，所述运算部通过基于下述式子的运算处理对所述透过光检测器的检测信号进行校正，
Icor＝Icell×(Iref，0/Iref)
其中，上述式子中，Icor为校正后的所述透过光检测器的光强度，Iref，0为由所述非入射光检测器检测出的所述非入射光的初期强度，Icell为由所述透过光检测器检测出的所述透过光的测定时的光强度，Iref为由所述非入射光检测器检测出的所述非入射光的测定时的光强度。
6.根据权利要求2或3所述的浓度测定装置，其特征在于，进一步包括：在所述多个光源的各个中，流通不同频率的驱动电流的振荡回路装置。
7.根据权利要求6所述的浓度测定装置，其特征在于，通过所述运算部的运算处理包括利用高速傅里叶变换对所述透过光检测器的检测信号进行频率解析的处理。
8.根据权利要求6所述的浓度测定装置，其特征在于，通过所述运算部的运算处理包括利用高速傅里叶变换对所述非入射光的检测信号进行频率解析的处理。
9.根据权利要求1所述的浓度测定装置，其特征在于，所述光源包括发出紫外光的发光元件。
10.根据权利要求1所述的浓度测定装置，其特征在于，所述运算部在所述非入射光检测器的检测信号未发生变化的情况下不对所述透过光检测器的检测信号进行校正。
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