JP2008164576A - 水分計 - Google Patents
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Abstract
【課題】チャンバ内のバックグラウンド信号による影響を減らす。
【解決手段】本発明の水分計は、測定対象ガスが導入されるサンプルセル１１と、オプティカルチャンバ１９と、オプティカルチャンバ内の圧力を調整することにより、バックグラウンド信号の影響を変化させるバックグラウンド信号制御手段と、光検出器の検出値に基づいて水分濃度値を求める演算制御部３４とを備えている。バックグラウンド信号制御手段はオプティカルチャンバ内の圧力を変えるものであり、例えばオプティカルチャンバ内の圧力を大気圧よりも定常的に加圧し、又は定常状態から一時的に加圧又は減圧するものである。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の水分計は、測定対象ガスが導入されるサンプルセル１１と、オプティカルチャンバ１９と、オプティカルチャンバ内の圧力を調整することにより、バックグラウンド信号の影響を変化させるバックグラウンド信号制御手段と、光検出器の検出値に基づいて水分濃度値を求める演算制御部３４とを備えている。バックグラウンド信号制御手段はオプティカルチャンバ内の圧力を変えるものであり、例えばオプティカルチャンバ内の圧力を大気圧よりも定常的に加圧し、又は定常状態から一時的に加圧又は減圧するものである。
【選択図】図１
Description
本発明は、レーザ光を利用してガス中の微量水分を測定する装置に関し、例えば、半導体の製造ラインにおいてエッチングガスなどのプロセスガス中の水分濃度を一定値以下に抑えるために水分濃度を常時モニターする微量水分の測定装置などとして利用できる水分計に関するものである。
半導体の製造プロセスでは、シリコンなどの半導体基板表面に対して各種の微細加工や処理が行なわれる。その際、エッチングガス、エピタキシャル成長用の反応ガス、ＣＶＤ（化学気相成長）用の反応ガスなどの多様なプロセスガスが用いられる。それらのプロセスガス中に水分が含まれると、プロセスガスと水分、又は基板表面と水分が反応して不要な副生成物が生じる結果、製造される半導体の歩留まりが著しく低下することが知られている。
そのため、そのようなプロセスガス中に含まれる水分濃度を一定値以下に抑えることが非常に重要であり、かつ、反応槽の水分濃度を常時モニターすることが必要である。
ガス中の水分を計測する方法として、例えば、水晶振動子の周波数変化を計測する水晶発振式や、ガス中の水分を吸着させて静電容量変化を計測する静電容量式が知られている。また、波長可変型のレーザを用いて赤外吸収分光法により水分濃度を測定するレーザ水分計も提案されている（特許文献１，２参照。）。
ガス中の水分を計測する方法として、例えば、水晶振動子の周波数変化を計測する水晶発振式や、ガス中の水分を吸着させて静電容量変化を計測する静電容量式が知られている。また、波長可変型のレーザを用いて赤外吸収分光法により水分濃度を測定するレーザ水分計も提案されている（特許文献１，２参照。）。
そのレーザ水分計は、サンプルセル内にサンプルガスを導入するとともに、サンプルセルに所定の波長を有するレーザ光を入射し、透過したレーザ光を解析することにより、水分の吸収波長でのレーザ光の強度から水分濃度を検出するものである。センサ部が測定対象ガスに非接触で測定可能であることから、水晶発振式や静電容量式と異なり腐食性ガスにも適用できるとともに、応答時間が高速であることを特徴とする。
多重反射セル式ガス分析計の基本となる多重反射セルとしては、Ｈｅｒｒｉｏｔｔ式のものがよく知られている（非特許文献１参照。）。
Ｈｅｒｒｉｏｔｔ式のガスセルは、２枚の球面鏡又は放物面鏡からなる凹面鏡を対向させて配置し、一方のミラーの周縁部に設けた小孔からレーザ光を入射し、２枚の凹面鏡の間で多重反射させた後、再び、入射孔から入射光とは異なる角度で取り出すものである。
光源室は、周囲大気が混入することで周囲大気に含まれる大量の水分（数千〜数万ｐｐｍ）によるバックグラウンドレベルの上昇を防ぐために、光源室内は、高純度ガス（例えば、高純度窒素ガス）により常時大気圧レベルにパージされている。
Ｈｅｒｒｉｏｔｔ式のガスセルは、２枚の球面鏡又は放物面鏡からなる凹面鏡を対向させて配置し、一方のミラーの周縁部に設けた小孔からレーザ光を入射し、２枚の凹面鏡の間で多重反射させた後、再び、入射孔から入射光とは異なる角度で取り出すものである。
光源室は、周囲大気が混入することで周囲大気に含まれる大量の水分（数千〜数万ｐｐｍ）によるバックグラウンドレベルの上昇を防ぐために、光源室内は、高純度ガス（例えば、高純度窒素ガス）により常時大気圧レベルにパージされている。
しかしながら、従来の水分計では、周囲大気が混入するのを防ぐためにパージガスが常時流されているため、パージガスの消費量が多くなり（例えば、６−９クラスの高純度窒素ガスを５Ｌ／分程度消費する。）、ランニングコストが高くなってしまう。ここで６−９クラスとは、ガス純度が９９．９９９９％以上のもの、つまり不純物の合計濃度が１ｐｐｍ以下のものを指す。
また、メンテナンスなどの理由によってチャンバを大気に開放した場合や、長期間装置を使用せずに放置していた場合、水分を多く含む周囲の大気がパージガス出口から混入してしまうので、チャンバの内部を改めて高純度窒素ガスで置換し、微量水分の測定ができる状態にするまでには１〜２昼夜は必要である。
これだけの長時間がかかるのは、チャンバ内部にはレーザ光源、ミラー、検出器、プリアンプ、内壁、及び信号ケーブル類など、水分を吸着する各種の物体が大量に存在し、それらの表面に吸着された水分を除去するには、多くの時間がかかるためである。
さらに、チャンバ内を完全に高純度ガス（例えば、高純度窒素ガス）に置換したとしても、その高純度ガス中に含まれる微量水分の影響で、チャンバ内のバックグラウンドレベルが上昇し、相対的にセル内の検出下限を押し上げてしまうこともある。
さらに、チャンバ内を完全に高純度ガス（例えば、高純度窒素ガス）に置換したとしても、その高純度ガス中に含まれる微量水分の影響で、チャンバ内のバックグラウンドレベルが上昇し、相対的にセル内の検出下限を押し上げてしまうこともある。
そこで本発明は、チャンバ内のバックグラウンド信号による影響を減らし、多量のパージガスを使うことなくチャンバ内を高純度ガスに短時間で置換したとしても、セル内の微量水分を高感度に測定できる水分計を提供する。
本発明はオプティカルチャンバの圧力を上げるとバックグラウンドの影響が減少するという現象を利用したものである。
本発明の水分計は、レーザ光が通過する窓材を少なくとも一つ備え、内部に測定対象ガスが導入されるサンプルセルと、サンプルセルとは窓材を隔てて隣接し、パージ用ドライガスを流通させるための入口ポート及び出口ポート、レーザ光を窓材から上記サンプルセル内に照射するレーザ光源並びに上記窓材を経てサンプルセルから戻ったレーザ光の減衰を検出する光検出器を備えたオプティカルチャンバと、上記オプティカルチャンバ内の圧力を調整することにより、バックグラウンド信号の影響を変化させるバックグラウンド信号制御手段と、上記光検出器の検出値に基づいて水分濃度値を求める演算制御部と、を備えている。
本発明の水分計は、レーザ光が通過する窓材を少なくとも一つ備え、内部に測定対象ガスが導入されるサンプルセルと、サンプルセルとは窓材を隔てて隣接し、パージ用ドライガスを流通させるための入口ポート及び出口ポート、レーザ光を窓材から上記サンプルセル内に照射するレーザ光源並びに上記窓材を経てサンプルセルから戻ったレーザ光の減衰を検出する光検出器を備えたオプティカルチャンバと、上記オプティカルチャンバ内の圧力を調整することにより、バックグラウンド信号の影響を変化させるバックグラウンド信号制御手段と、上記光検出器の検出値に基づいて水分濃度値を求める演算制御部と、を備えている。
前記バックグラウンド信号制御手段の一例は、オプティカルチャンバ内を大気圧に対して定常的に加圧状態とする加圧機構である。
上記加圧機構の一例は、上記オプティカルチャンバ内にガスを導入するガス供給機構と、そのオプティカルチャンバ内の圧力を調整する圧力調整バルブからなるものである。
オプティカルチャンバ内の圧力は大気圧に対して定常的に０．５気圧以上加圧されている状態に設定されることが好ましい。圧力はより高い方が好ましく、実施例では大気圧よりも３気圧高い圧力まで測定した。
従来の水分計による計測手法では以下のような課題が残されている。すなわち、センサ部が測定対象領域であるセル部分に非接触であるために、光路の一部がセル内部以外の空間（セルとセンサの間）を通り、大気中の水分による影響がバックグラウンド信号となってしまう。この水分による影響を除去するため、光源及び光検出器付近をドライガスでパージすることが行なわれるが、水分は吸着性の高い物質であるため、光学装置から水分を除去するのは困難であり、充分に除去するには多くの時間を要する。
従来、このバックグラウンド信号の影響が除去されたかどうかを確認する手段としては、サンプルセルに水分を含まないガス（ゼロガス）を流したときに、水分による吸収スペクトル信号がゼロになっているかどうかで確認していた。
しかしながら、実際に装置を使用する場合は必ずしもゼロガスが用意されるとは限らず、とりわけプロセス中に組み込んでその場（in-situ）モニタリングを行なおうとした場合、サンプルガスに完全なゼロガスが導入できる状況にないことが多い。このような場合、得られた吸収スペクトル信号がサンプルガス由来のものか、バックグラウンド信号由来のものかの判別は困難である。
そこで、サンプルセルに多量のゼロガスが流されていない環境でも、光学系のバックグラウンド信号による影響を除去し、微量水分量を高感度に測定できるようにする。
しかしながら、実際に装置を使用する場合は必ずしもゼロガスが用意されるとは限らず、とりわけプロセス中に組み込んでその場（in-situ）モニタリングを行なおうとした場合、サンプルガスに完全なゼロガスが導入できる状況にないことが多い。このような場合、得られた吸収スペクトル信号がサンプルガス由来のものか、バックグラウンド信号由来のものかの判別は困難である。
そこで、サンプルセルに多量のゼロガスが流されていない環境でも、光学系のバックグラウンド信号による影響を除去し、微量水分量を高感度に測定できるようにする。
本発明の水分計におけるバックグラウンド信号制御手段の一例は、上記オプティカルチャンバ内の圧力を定常状態から一時的に加圧又は減圧する圧力調整機構であり、上記演算制御部は、前記光検出器の検出値に基づいて水分濃度値を求めるとともに、定常状態での水分濃度値と一時的に圧力を変化させた時の水分濃度値とを比較し、その差に基づいてバックグラウンド信号の影響の有無を検出するものである。
上記圧力調整機構の一例としては、オプティカルチャンバ内の圧力変化を外部に伝達する圧力計と、外部からの制御信号により圧力を制御する圧力調整バルブ又はプレッシャレギュレータとからなるものを挙げることができる。
また、オプティカルチャンバにガスを導入するガス供給機構を備えるようにしてもよい。
一般に、光路長が長い方がガス吸収率が向上するので、サンプルセル内にオプティカルチャンバから入射したレーザ光を多重反射させるための一対の対向ミラーを備えるようにしてもよい。
オプティカルチャンバの一例として、チャンバをサンプルセルの両端にそれぞれ窓材を介して対向して２つ備えるようにし、一方のチャンバにはレーザ光源が配置され、他方のチャンバには上記光検出器が配置されているようにしてもよい。
上記サンプルセルの一例としてＨｅｒｒｉｏｔｔタイプの多重反射型セルを用いる場合、窓材及びオプティカルチャンバのチャンバはそれぞれ一つによって構成されている。
高感度測定のためには２次高調波測定法を適用するのが好ましい。そのため、レーザ光源としては波長可変レーザ光源を用い、演算制御部は、レーザ光源からのレーザ光波長を、サンプルガス中の対象ガスが吸収をもつ波長を含む波長範囲を一定の走査周波数で走査するとともに、走査周波数よりも高い変調周波数で変調して出力するレーザ制御部、及び前記変調周波数の２倍の周波数をもつレーザ光検出信号に基づいて２次高調波測定法により水分濃度を求める演算部を備えたものとすることが好ましい。
２次高調波測定法により変調周波数の２倍の周波数で測定した吸収スペクトルの高調波スペクトルは、低周波数での走査周波数で測定した基本波スペクトルに比べて高感度測定に適するだけでなく、圧力に対して大きく影響を受けることがわかった。すなわち、圧力が増大することによる吸収ピークの半値幅の増大とピーク高さ（すなわち感度）の減少の影響は、基本波スペクトルにおけるよりも高調波スペクトルにおける方がより大きい。そのため、光源室内を高圧にするほど光源室内の残存水分の吸収ピーク高さが減少する効果は高調波スペクトルの方がより大きくなる。
本発明は、サンプルセルと、オプティカルチャンバと、バックグラウンド信号制御手段と、演算制御部とを備えたので、バックグラウンド信号の影響を制御できるようになり、セル内の水分量を正確に測定することができるようになる。
また、チャンバ内を大気圧に対して加圧状態とすることで、チャンバ内のバックグラウンドレベルを従来よりも低下させることができ、その結果、チャンバ内のパージが短時間であってもセル内での検出感度が充分得られるようになる。これにより、例えば半導体製造プロセスにおいて、プロセスガス中の微量水分の測定やモニターを迅速に高感度で行なうことができるようになる。
加圧機構としてガスを導入するガス供給機構と圧力を調整する圧力調整バルブを備えるようにすれば、チャンバ内を加圧状態に調整することが容易になる。
チャンバ内の圧力を大気圧に対して０．５気圧以上高い状態に設定すると、光源室内のバックグラウンドレベルを充分に下げることができ、水分量測定の感度が相対的に向上する。
オプティカルチャンバ内の圧力を一時的に変化させてその時の水分濃度値の変化を圧力変化と比較するようにしたので、ゼロガスが流されていない環境でもバックグラウンド信号の影響の有無を検出することができるようになり、水分の測定精度を向上させることができる。
圧力計と、圧力調整バルブ又はプレッシャレギュレータとを備えるようにすれば、オプティカルチャンバ内の圧力変化の伝達及び制御が容易になる。
オプティカルチャンバ内に一対の対向ミラーを備えるようにすれば、光路長を長くすることができるためにガス吸収率が向上し、水分量をより正確に測定することができる。
２次高調波測定法を用いる場合、光源室内を高圧にするほど光源室内の残存水分の吸収ピーク高さが減少する効果は高調波スペクトルの方がより大きくなるので、水分量をより正確に測定することができるようになる。
［実施例１］
以下に本発明の実施例を説明する。
図１は水分計のチャンバ内を加圧状態にする一実施例を示す概略構成図であり、サンプルガスが導入されるセル内に一対の対向した凹面ミラー１７ａ，１７ｂがレーザ光を多重反射するように配置されたサンプルセル１１と、サンプルセル１１に隣接し、内部の圧力を保つように密閉構造となったチャンバ（光源室）１９からなる。
密閉構造には略密閉構造を含み、光源室の加圧状態が維持されるのに充分な密閉状態であればよい。
以下に本発明の実施例を説明する。
図１は水分計のチャンバ内を加圧状態にする一実施例を示す概略構成図であり、サンプルガスが導入されるセル内に一対の対向した凹面ミラー１７ａ，１７ｂがレーザ光を多重反射するように配置されたサンプルセル１１と、サンプルセル１１に隣接し、内部の圧力を保つように密閉構造となったチャンバ（光源室）１９からなる。
密閉構造には略密閉構造を含み、光源室の加圧状態が維持されるのに充分な密閉状態であればよい。
チャンバ１９の内部には、レーザ光をサンプルセル１１に導入するレーザ光源２１（例えば、波長１.３７０ｎｍ〜１.３７１ｎｍを発する波長可変レーザ光源）と、レーザ光源２１から照射されたレーザ光を反射させて窓材１３からサンプルセル１１内に導入するミラー２２と、光検出器２３と、サンプルセル１１内でミラー１７ａ，１７ｂにより多重反射し窓材１３から出射したレーザ光を光検出器２３に導くミラー２４とを備えている。光検出器２３には検出された信号の増幅を行なうプリアンプ１０が接続されている。
光源にはレーザ光を使用する。これは、ハロゲンランプなどのランプ光源では、ミラー１７ａ，１７ｂの間で多重反射する間に光束の発散が大きくなり、出射孔から充分な光量を取り出せないからである。
光源にはレーザ光を使用する。これは、ハロゲンランプなどのランプ光源では、ミラー１７ａ，１７ｂの間で多重反射する間に光束の発散が大きくなり、出射孔から充分な光量を取り出せないからである。
レーザ光源２１は、チャンバ１９の側面に設けられているコネクタ２０を介して、レーザ光の波長を低周波数の一定の走査周波数で走査し、それより高周波数の変調周波数で変調させるレーザ制御部３８に接続され、レーザ制御部３８は演算制御部３４に接続されている。プリアンプ１０は、コネクタ２０と信号ケーブル３２を経て、演算制御部３４に接続されている。演算制御部３４は専用のＣＰＵであってもよく、パーソナルコンピュータであってもよい。
コネクタ２０は、真空機器などでよく使用されるハーメチックシール方式のコネクタを用いるのがよい。
コネクタ２０は、真空機器などでよく使用されるハーメチックシール方式のコネクタを用いるのがよい。
演算制御部は、レーザ光源からのレーザ光波長をサンプルガス中の対象ガスが吸収をもつ波長を含む範囲で低周波走査するとともに、その走査周波数よりも高周波数の一定の変調周波数で変調して出力するレーザ制御部３８、及びその変調周波数の２倍の周波数をもつレーザ光検出信号に基づいて２次高調波測定法により水分濃度を求める演算部を備えたものである。演算部は演算制御部３４により実現される。
図２（Ａ）及び（Ｂ）はレーザ制御部３８による動作を示し、（Ｃ）及び（Ｄ）は演算処理されて表示部３６に表示された結果を示す。
レーザ制御部３８は、（Ｂ）に示すように、レーザ光源２１に流す電流を低周波の走査周波数（例えば周期が約１０ミリ秒）と高周波の変調周波数（例えば周波数が約１４０ＫＨｚ）の２つの周波数で変調することにより、（Ａ）に示すように、レーザ光波長をノミナル波長λ1〜λ2の間で低周波と高周波の両方で変調させる。
レーザ制御部３８は、（Ｂ）に示すように、レーザ光源２１に流す電流を低周波の走査周波数（例えば周期が約１０ミリ秒）と高周波の変調周波数（例えば周波数が約１４０ＫＨｚ）の２つの周波数で変調することにより、（Ａ）に示すように、レーザ光波長をノミナル波長λ1〜λ2の間で低周波と高周波の両方で変調させる。
測定された水分による吸収スペクトルは演算制御部３４で実現される演算部で繰返し走査されたものが積分される。低周波の走査周波数と同期させて検出した吸収スペクトルは（Ｃ）に示すようにブロードなピークを示す。一方、高周波の変調周波数と同期させて検出した吸収スペクトルの２倍の周波数をもつ２次高調波スペクトルは（Ｄ）に示すように急峻なピークを有するようになる。
図１に戻って説明を続けると、チャンバ１９を加圧する加圧機構としては、チャンバ１９にガスを導入するガス供給機構１と、ガス供給機構１とチャンバ１９の間に設けられ、チャンバ１９内の圧力を調整する調整バルブ２と、チャンバ１９に設けられた排気バルブ３７を備えている。
ガス供給機構１は調整バルブ２とパージガス供給ライン３を経て、チャンバ１９の上部側面に設けられているパージガス導入口２５に接続されている。ガス供給機構１及び調整バルブ２により、バックグラウンド信号制御手段を構成している。
ガス供給機構１は調整バルブ２とパージガス供給ライン３を経て、チャンバ１９の上部側面に設けられているパージガス導入口２５に接続されている。ガス供給機構１及び調整バルブ２により、バックグラウンド信号制御手段を構成している。
チャンバ１９にはポート２７がさらに設けられ、ポート２７には排気バルブ３７が設けられて、チャンバ１９内のガスを大気に排出できるようになっている。排気バルブ３７は自動式でも手動式でもよく、チャンバ１９内の圧力が調整できるものであればよい。
パージガス導入口２５及びポート２７には、市販のコックを用いることができる。
パージガス導入口２５及びポート２７には、市販のコックを用いることができる。
サンプルセル１１では、ミラー１７ａ，１７ｂは、サンプルセル１１の中に、ミラー１７ａ，１７ｂの凹面が向き合うように対向して配置され、フランジ１６ａ，１６ｂとそれぞれ一体となっている。フランジ１６ａはチャンバ１９と連結している。
フランジ１６ａには石英ガラスの窓材１３が設けられ、その窓材１３を通過して、ミラー１７ａ中の孔１４からサンプルセル１１内にレーザ光が入り、ミラー１７ａ，１７ｂの凹面で多重反射した後、再びその孔１４から外部へ出射する。孔１４はレーザ光の入射孔であるとともに、出射孔を兼ねている。
チャンバ１９の上蓋や側板、フランジ１６ａなどは、Ｏ−リングを介してシールすることで、チャンバ１９内を密閉することができる。
チャンバ１９の上蓋や側板、フランジ１６ａなどは、Ｏ−リングを介してシールすることで、チャンバ１９内を密閉することができる。
サンプルセル１１にはサンプルガスを導入するサンプルガス導入口２９と、サンプルガスを排出するサンプルガス排出口３１が設置されている。サンプルガス導入口２９は、ユーザ側のライン、又はバッチ測定用にガスボンベに接続されている。また、サンプルガス排出口３１は、ユーザ側の排気ライン、大気放散、又は真空ポンプなどに接続されている。
次に同実施例の動作を説明する。
測定にあたってはまず、排気バルブ３７を「開」の状態にして、約５時間、高純度ガスで減圧弁の２次圧を０．３ＭＰａ程度でパージする。その後、排気バルブ３７を「閉」の状態にする。
測定にあたってはまず、排気バルブ３７を「開」の状態にして、約５時間、高純度ガスで減圧弁の２次圧を０．３ＭＰａ程度でパージする。その後、排気バルブ３７を「閉」の状態にする。
パージガスに６−９クラスの高純度ガスを用いた場合、２．５Ｌ程度の内容積を持つ光源室であれば、約５時間のパージ動作でチャンバ１９内の水分量を０．７ｐｐｍ程度のバックグラウンドレベルに下げることは可能である。表１はチャンバ１９内の圧力とバックグラウンドレベルの関係を示す。
表１から、大気圧より０．１１ＭＰａ（１気圧程度）高い場合でのバックグラウンドレベルは２５０〜３００ｐｐｂとなることから、０．５気圧程度高い場合でも５００ｐｐｂ以下のバックグラウンドレベルになると予想でき、光源室内の圧力は大気圧より０．５気圧以上高いことが好ましい条件であることがわかる。
その後、サンプルセル１１のサンプルガス導入口２９にサンプルガスを流すことで微量水分の測定を行なう。
チャンバ１９内のレーザ光源２１から出たレーザ光はミラー２２で反射され、サンプルセル１１に向かう。サンプルセル１１の入口部にある窓材１３と孔１４を通過した後、対向して配置されている２枚のミラー１７ａ，１７ｂの内、まずミラー１７ｂに入射する。その後、ミラー１７ａとミラー１７ｂの間で多重反射を繰り返す。
チャンバ１９内のレーザ光源２１から出たレーザ光はミラー２２で反射され、サンプルセル１１に向かう。サンプルセル１１の入口部にある窓材１３と孔１４を通過した後、対向して配置されている２枚のミラー１７ａ，１７ｂの内、まずミラー１７ｂに入射する。その後、ミラー１７ａとミラー１７ｂの間で多重反射を繰り返す。
多重反射後のレーザ光は、再び孔１４を経て窓材１３から取り出され、チャンバ１９内のミラー２４に入射して反射し、光検出器２３に入射して光電変換される。
光電変換された信号が光検出器２３に接続されているプリアンプ１０で増幅された後、演算制御部３４による演算部に送られ、ここで２次高調波測定法によって高感度検出される。検出された結果は表示部３６に、例えば２次高調波スペクトルとして表示される。
光電変換された信号が光検出器２３に接続されているプリアンプ１０で増幅された後、演算制御部３４による演算部に送られ、ここで２次高調波測定法によって高感度検出される。検出された結果は表示部３６に、例えば２次高調波スペクトルとして表示される。
本発明は基本的に吸光方式であり、測定対象ガスの吸収スペクトルの吸収係数が大きいほど感度の高い測定（より低い濃度の測定）ができる。また、セル内の圧力は低い方が高感度で測定することができる。
図１の実施例では、Ｈｅｒｒｉｏｔｔ式の光路長を長くしたセルについての実施例を説明したが、Ｗｈｉｔｅ式の多重セルでも実施可能である。
また、図７は３回の反射回数を例示したが、通常は４回以上の反射を行なって光路長をかせぎ、吸収感度を上げ、検出感度を高めている。
また、図７は３回の反射回数を例示したが、通常は４回以上の反射を行なって光路長をかせぎ、吸収感度を上げ、検出感度を高めている。
［実施例２］
図３は本発明の水分計の他の実施例を示す概略構成図である。
上述の実施例により、加圧状態にするとバックグラウンド信号が低下することがわかった。次にそのバックグラウンド信号の有無を検出する。
図３に示す水分計は、サンプルガスが流れるサンプルセル１１と、サンプルセル１１に隣接するオプティカルチャンバ１９と、チャンバ１９内の圧力を調整することにより、バックグラウンド信号の影響を変化させる圧力調整機構３３と、水分濃度値を求めるとともにバックグラウンド信号の影響の有無を検出する演算制御部３４とにより構成されている。以下の実施例では、バックグラウンド信号制御手段は、圧力調整機構３３と演算制御部３４によって構成されている。
サンプルセル１１とオプティカルチャンバ１９の間には、レーザ光の入口及び出口を兼ねている窓材１３が配置されている。
図３は本発明の水分計の他の実施例を示す概略構成図である。
上述の実施例により、加圧状態にするとバックグラウンド信号が低下することがわかった。次にそのバックグラウンド信号の有無を検出する。
図３に示す水分計は、サンプルガスが流れるサンプルセル１１と、サンプルセル１１に隣接するオプティカルチャンバ１９と、チャンバ１９内の圧力を調整することにより、バックグラウンド信号の影響を変化させる圧力調整機構３３と、水分濃度値を求めるとともにバックグラウンド信号の影響の有無を検出する演算制御部３４とにより構成されている。以下の実施例では、バックグラウンド信号制御手段は、圧力調整機構３３と演算制御部３４によって構成されている。
サンプルセル１１とオプティカルチャンバ１９の間には、レーザ光の入口及び出口を兼ねている窓材１３が配置されている。
本実施例では、光路長を長くするため、サンプルセル１１には多重反射型セルの一つであるHerriottセル（非特許文献１参照。）を用いており、内部にはレーザ光を反射する一対のミラー１７ａ，１７ｂが設けられている。窓材１３とオプティカルチャンバ１９はそれぞれ一つで構成されており、チャンバが一つであるので、圧力調整機構３３も一つで構成することができる。
オプティカルチャンバ１９の内部には、波長可変レーザ光源２１と光検出器２３が配置され、側面にはＮ2等のドライガスを流通させるためのポート２５、ポート２７が設けられている。ポート２５にはガス供給機構が接続されており、例えば後述の実施例５における加圧機構などを用いることができる。また、サンプルセル１１には、サンプルガスを流通させるためのサンプルガス導入口２９とサンプルガス排出口３１が設けられている。
図３では、パージガス出口であるポート２７に圧力調整機構３３が接続されている。また、演算制御部３４は、圧力調整機構３３と光検出器２３に接続されている。
圧力調整機構３３には、手動で調整できるニードル弁のようなものや、外部からの信号で圧力調整できるプレッシャレギュレータを用いることができる。
圧力調整機構３３には、手動で調整できるニードル弁のようなものや、外部からの信号で圧力調整できるプレッシャレギュレータを用いることができる。
水分計の通常運転時、オプティカルチャンバ１９の圧力はパージガスの流通により大気圧か、加圧された状態で一定に保たれている。一般に大気圧よりも定常的に加圧状態に保ったままパージを行なうことは、オプティカルチャンバによる水分の吸収ピークが小さくなり有効である。これは、上述の表１で示したように、バックグラウンド信号による影響が低減されるからである。
そこで、チャンバ内の圧力を加圧するとオプティカルチャンバ内の水分による吸収ピークが小さくなる理由を図４により説明する。
そこで、チャンバ内の圧力を加圧するとオプティカルチャンバ内の水分による吸収ピークが小さくなる理由を図４により説明する。
図４は水分子の吸収スペクトルを示しており、縦軸は吸収率、横軸は波長を表わしている。
この吸収スペクトルのプロファイルは、同分子数、一定温度における、＋１００ｋＰａ時の吸収プロファイルと、＋２００ｋＰａ時の吸収プロファイルを示している。これら大気圧レベルにおけるスペクトルの広がりは、分子の衝突に起因するローレンツ広がりと呼ばれているものであり、吸収スペクトルのプロファイルは次式（１）により表わされる（非特許文献３参照。）。
この吸収スペクトルのプロファイルは、同分子数、一定温度における、＋１００ｋＰａ時の吸収プロファイルと、＋２００ｋＰａ時の吸収プロファイルを示している。これら大気圧レベルにおけるスペクトルの広がりは、分子の衝突に起因するローレンツ広がりと呼ばれているものであり、吸収スペクトルのプロファイルは次式（１）により表わされる（非特許文献３参照。）。
ここで
である。
である。
ｆL(ν)は図４で示されたローレンツ吸収プロファイルであり、Ｓは対象となるガスの吸収線の強度、νは光の波数、ν0は吸収線の中心波数、Ｐは圧力、Ｔは温度である。また、αL 0は標準圧力Ｐ0、標準温度Ｔ0における吸収スペクトルの半値幅である。
図４の吸収プロファイルより、圧力が２倍になれば吸収ピークはおよそ半分になることがわかる。一方、オプティカルチャンバ内の圧力を２倍にするということは、仮にパージガス由来の水分がバックグラウンド信号の影響において支配的ならば、一定体積中における水分子も２倍になるということであり、吸収ピークは結局変わらないはずである。
しかしながら実際は、バックグラウンド信号の原因である水分は、オプティカルチャンバ内の圧力にかかわらず、チャンバ壁や光学部品などからほぼ一定に脱離するものが支配的であるため、オプティカルチャンバ内の圧力が２倍になっても一定体積中の水分子数はほとんど変化せず、ローレンツ広がりにより吸収ピークの減少分だけ信号が小さくなる。
しかしながら実際は、バックグラウンド信号の原因である水分は、オプティカルチャンバ内の圧力にかかわらず、チャンバ壁や光学部品などからほぼ一定に脱離するものが支配的であるため、オプティカルチャンバ内の圧力が２倍になっても一定体積中の水分子数はほとんど変化せず、ローレンツ広がりにより吸収ピークの減少分だけ信号が小さくなる。
本発明はこの原理をさらに応用したものであり、定常状態（大気圧でも構わないし加圧された状態でもよい）から一時的に圧力を変化させるような構造にすることにより、バックグラウンド水分の影響の有無を確認するものである。
もしオプティカルチャンバ内に水分があれば、圧力変化に伴って吸収ピーク値が変化するが、水分がなければ変化しない。
そして、その圧力変化に伴う吸収ピーク値の変化が予め定めた閾値以下であれば水分によるバックグラウンドはないと判断するのである。
そして、その圧力変化に伴う吸収ピーク値の変化が予め定めた閾値以下であれば水分によるバックグラウンドはないと判断するのである。
この一時的な圧力変化はオプティカルチャンバ内の水分による変化を検知するためのものであるので、加圧でも減圧でも構わない。もし圧力を一時的に減圧方向に制御すれば、水分計の濃度指示は吸収ピークに比例するため、上述の原理により水分計の濃度指示は高くなる。また、圧力を一時的に加圧方向に制御すれば、水分計の濃度指示は反対に低くなる。
［実施例３］
図５は水分計のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
この水分計は、サンプルセル１１と、その両端に配置される二つのチャンバ１９ａ，１９ｂと、両チャンバ１９ａ，１９ｂを接続する圧力調整機構３３と、演算制御部３４から構成されている。
図５は水分計のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
この水分計は、サンプルセル１１と、その両端に配置される二つのチャンバ１９ａ，１９ｂと、両チャンバ１９ａ，１９ｂを接続する圧力調整機構３３と、演算制御部３４から構成されている。
サンプルセル１１には、レーザ光の入口用の窓材１３と、出口用の窓材１５が別々に配置されている。また、入口の窓材１３に隣接したチャンバ１９ａ内にはレーザ光源２１が配置され、出口の窓材１５に隣接したチャンバ１９ｂ内には光検出器２３が配置されている。
チャンバ１９ａにはＮ2等のドライガスを流通させるためのポート２５ａ、ポート２７ａが設けられ、チャンバ１９ｂにもＮ2等のドライガスを流通させるためのポート２５ｂ、ポート２７ｂが設けられている。
図５の構成例においては、ポート２５ａ，２５ｂに加圧機構が接続され、ポート２７ａ、ポート２７ｂには圧力調整機構３３が接続されている。また、圧力調整機構３３及び光検出器２３は演算制御部３４に接続されている。そのため、チャンバ１９ａ，１９ｂに流入するパージガスは一つの圧力調整機構３３で制御できるとともに、一つの演算制御部３４でバックグラウンド信号の有無の影響を検出することができる。
図５のサンプルセル１１は内部にミラーを持たないシングルパスタイプのものであるが、内部にミラーを備えた次の図４に示すマルチパスセルタイプのものも用いることもできる。
図５のサンプルセル１１は内部にミラーを持たないシングルパスタイプのものであるが、内部にミラーを備えた次の図４に示すマルチパスセルタイプのものも用いることもできる。
［実施例４］
図６は水分計のさらに他の実施例を示す概略図である。
この水分計は、サンプルセル１１が多重反射型セルで構成され、サンプルセル１１の両端にはオプティカルチャンバとしての二つのチャンバ１９ａ，１９ｂが配置されている。
サンプルセル１１内の両端には一対のミラー１７ａ，１７ｂが設けられている。また、サンプルセル１１とチャンバ１９ａ，１９ｂの間には、レーザ光の入口となる窓材１３と、レーザ光の出口となる窓材１５がそれぞれ配置されている。窓材１３に隣接したチャンバ１９ａ内にはレーザ光源２１が配置され、窓材１５に隣接したチャンバ１９ｂ内には光検出器２３が配置されている。
図６は水分計のさらに他の実施例を示す概略図である。
この水分計は、サンプルセル１１が多重反射型セルで構成され、サンプルセル１１の両端にはオプティカルチャンバとしての二つのチャンバ１９ａ，１９ｂが配置されている。
サンプルセル１１内の両端には一対のミラー１７ａ，１７ｂが設けられている。また、サンプルセル１１とチャンバ１９ａ，１９ｂの間には、レーザ光の入口となる窓材１３と、レーザ光の出口となる窓材１５がそれぞれ配置されている。窓材１３に隣接したチャンバ１９ａ内にはレーザ光源２１が配置され、窓材１５に隣接したチャンバ１９ｂ内には光検出器２３が配置されている。
チャンバ１９ａにはＮ2等のドライガスを流通させるためのポート２５ａ、ポート２７ａが設けられ、チャンバ１９ｂにもＮ2等のドライガスを流通させるためのポート２５ｂ、ポート２７ｂが設けられている。
また、ポート２７ａには圧力調整機構３３ａが設けられ、ポート２７ｂには圧力調整機構３３ｂが設けられており、両圧力調整機構３３ａ，３３ｂ及び光検出器２３は演算制御部３４に接続されている。
また、ポート２７ａには圧力調整機構３３ａが設けられ、ポート２７ｂには圧力調整機構３３ｂが設けられており、両圧力調整機構３３ａ，３３ｂ及び光検出器２３は演算制御部３４に接続されている。
図６の構成例においては、チャンバ１９ａ，１９ｂに流入するパージガスの輸送はそれぞれ別々に行なうことができる。そのような場合、バックグラウンド信号の影響確認は二つのチャンバ１９ａ，１９ｂで同時又は別々に行なえばよい。別々に行なう場合、圧力調整機構は２つ必要になるが、演算制御部は１つの装置で実施することができる。
次に、上述の図３、図５、図６の構成例における動作を図７を参照しながら説明する。
図７は水分量のバックグラウンド信号を得るための操作・演算処理手順を説明するフロー図である。
以下にこのフローを詳細に説明する。
まず、バックグラウンド信号の影響は水分計の濃度指示として現れるため、サンプルガス中の水分濃度がある程度安定している必要がある。サンプル中の水分濃度が急激に変化していなければ、水分濃度値ａを記録する。
図７は水分量のバックグラウンド信号を得るための操作・演算処理手順を説明するフロー図である。
以下にこのフローを詳細に説明する。
まず、バックグラウンド信号の影響は水分計の濃度指示として現れるため、サンプルガス中の水分濃度がある程度安定している必要がある。サンプル中の水分濃度が急激に変化していなければ、水分濃度値ａを記録する。
その後、チャンバ部の圧力を手動又は自動により一時的に変化させる。このフローの例では、＋１００ｋＰａの加圧としている。圧力を＋１００ｋＰａに加圧させて水分濃度が安定したら、この時の水分濃度値ｂを記録する。
ここで、仮にバックグラウンド信号由来となる水分が充分少ない場合は（水分濃度値ａ−水分濃度値ｂ）が装置の検出限界より小さくなる。そうなると、バックグラウンド信号の影響が無くなったと判定できる。
一方、（水分濃度値ａ−水分濃度値ｂ）が装置の検出限界より小さくならない場合は、バックグラウンド信号の影響があると判定できる。
ここで、仮にバックグラウンド信号由来となる水分が充分少ない場合は（水分濃度値ａ−水分濃度値ｂ）が装置の検出限界より小さくなる。そうなると、バックグラウンド信号の影響が無くなったと判定できる。
一方、（水分濃度値ａ−水分濃度値ｂ）が装置の検出限界より小さくならない場合は、バックグラウンド信号の影響があると判定できる。
［実施例５］
図８は上述の図７に示したフローを、自動的に且つ正確に行なう装置構成例を示した実施例である。
この水分計は、図３の実施例で示した構成とほぼ同じであり、サンプルガスが流れるサンプルセル１１と、サンプルセル１１に隣接するオプティカルチャンバ１９と、チャンバ内の圧力を調整する圧力調整機構３３と、バックグラウンド信号の影響の有無を検出する演算制御部３４とにより構成されている。
図８は上述の図７に示したフローを、自動的に且つ正確に行なう装置構成例を示した実施例である。
この水分計は、図３の実施例で示した構成とほぼ同じであり、サンプルガスが流れるサンプルセル１１と、サンプルセル１１に隣接するオプティカルチャンバ１９と、チャンバ内の圧力を調整する圧力調整機構３３と、バックグラウンド信号の影響の有無を検出する演算制御部３４とにより構成されている。
パージガス出口であるポート２７には圧力調整機構３３が接続されており、圧力調整機構３３は、外部出力機能を備えた圧力計３５と、外部からの制御信号により制御可能な排気バルブ３７を備えている。演算制御部３４は光検出器２３と圧力調整機構３３に接続されている。
次に同実施例の動作を説明する。
まず、上述の説明同様、サンプルガス中の水分が安定し、オプティカルチャンバ内の圧力が一定状態における場合の水分濃度ａを記録する。
その後、圧力計からの出力信号を得て、一時的に圧力を変化させる制御信号を圧力調整機構３３に送信する。このフローを例にとると、圧力計の値から＋１００ｋＰａの値を圧力調整機構に設定する。
まず、上述の説明同様、サンプルガス中の水分が安定し、オプティカルチャンバ内の圧力が一定状態における場合の水分濃度ａを記録する。
その後、圧力計からの出力信号を得て、一時的に圧力を変化させる制御信号を圧力調整機構３３に送信する。このフローを例にとると、圧力計の値から＋１００ｋＰａの値を圧力調整機構に設定する。
この制御で、圧力計が＋１００ｋＰａ変化した時の水分濃度ｂを記録する。これにより(水分濃度ａ−水分濃度ｂ）を演算・比較して自動的にバックグラウンド信号の影響を判定することができる。
このようにチャンバ１９内の圧力を電気的に把握・制御できれば、自動的に図５のフローを実施することができ、バックグラウンド信号をチェックすることが可能となる。
また、上述の説明は図５，６に示す水分計においても同様に実施できるものである。
このようにチャンバ１９内の圧力を電気的に把握・制御できれば、自動的に図５のフローを実施することができ、バックグラウンド信号をチェックすることが可能となる。
また、上述の説明は図５，６に示す水分計においても同様に実施できるものである。
以上のように、上述の実施例は、サンプルガスが流れるサンプルセルと、サンプルセルにレーザ光を入射・出射させるための窓材を介して隣接し、光学素子、光学部品ごとドライガスによりパージさせるためのオプティカルチャンバとから構成される水分計である。そして、ドライガスをオプティカルチャンバに流通させる入口又は出口部分に圧力調整機構を用いて、チャンバ内の圧力を一定圧力状態から一時的に加圧・減圧させる機構を備え、その圧力変化における水分濃度変化を検知することで、バックグラウンド信号の影響が装置の最小検出限界以下になったかどうかを確認することができるものである。
装置の立ち上げ時や装置稼動中の時に、水分濃度を測定しながらオプティカルチャンバ内の圧力を定常状態から圧力調整機構により加圧（又は減圧）させると、仮にオプティカルチャンバ内の水分が吸収スペクトルに寄与していた場合、加圧（減圧）させた空間に存在する水分子による吸収スペクトルピークは小さく（大きく）なるため、得られる水分濃度値は小さく（大きく）なる。そのため、定常状態と加圧(減圧)状態との水分濃度信号を比較することで、バックグラウンド信号の影響が装置の最小検出限界以下になったかどうかを確認する事ができる。
この発明によって、水分計の初期立ち上げ時のドライガスによるパージ時間を、必要最低限にすることができ、バックグラウンドの影響の有無を正確に把握することができる。また、半導体プロセス内に組み込まれた水分をin-situで測定するような環境では、定期的にゼロガスを流してバックグラウンド信号の影響を確認するという手法をとることができなかったが、本発明によって、サンプルガス中の水分濃度が短時間でも安定してくれさえいれば、バックグラウンド信号の影響を知ることが可能となり、測定精度の信頼性が向上する。
上述の実施例５は実施例１〜４に適用することが可能であり、実施例１〜４も実施例５に適用することが可能である。例えば、実施例１の加圧機構は実施例５の圧力調整機構として用いることができる。
また、実施例１に示すようにオプティカルチャンバ内を定常的に加圧状態にした上で、その加圧状態から一時的に加圧又は減圧するようにしてもよい。
また、実施例１に示すようにオプティカルチャンバ内を定常的に加圧状態にした上で、その加圧状態から一時的に加圧又は減圧するようにしてもよい。
本発明は、半導体の製造ラインにおいてエッチングガスなどのプロセスガス中の水分濃度を一定値以下に抑えるために水分濃度を常時モニターする微量水分の測定装置に利用することができる。
１１ サンプルセル
１３，１５ 窓材
１７ａ，１７ｂ ミラー
１９，１９ａ，１９ｂ チャンバ
２１ レーザ
２３ 光検出器
２５，２５ａ，２５ｂ，２７，２７ａ，２７ｂ ポート
２９ サンプルガス導入口
３１ サンプルガス排出口
３３，３３ａ，３３ｂ 圧力調整機構
３４ 演算制御部
１３，１５ 窓材
１７ａ，１７ｂ ミラー
１９，１９ａ，１９ｂ チャンバ
２１ レーザ
２３ 光検出器
２５，２５ａ，２５ｂ，２７，２７ａ，２７ｂ ポート
２９ サンプルガス導入口
３１ サンプルガス排出口
３３，３３ａ，３３ｂ 圧力調整機構
３４ 演算制御部
Claims (11)
- レーザ光が通過する窓材を少なくとも一つ備え、内部に測定対象ガスが導入されるサンプルセルと、
前記サンプルセルとは前記窓材を隔てて隣接し、パージ用ドライガスを流通させるための入口ポート及び出口ポート、レーザ光を前記窓材から前記サンプルセル内に照射するレーザ光源並びに前記窓材を経てサンプルセルから戻ったレーザ光の減衰を検出する光検出器を備えたオプティカルチャンバと、
前記オプティカルチャンバ内の圧力を調整することにより、バックグラウンド信号の影響を変化させるバックグラウンド信号制御手段と、
前記光検出器の検出値に基づいて水分濃度値を求める演算制御部と、を備えた水分計。 - 前記バックグラウンド信号制御手段はオプティカルチャンバ内を大気圧に対して定常的に加圧状態とする加圧機構である請求項１に記載の水分計。
- 前記加圧機構は、前記オプティカルチャンバ内にガスを導入するガス供給機構と、前記オプティカルチャンバ内の圧力を調整する圧力調整バルブからなるものである請求項２に記載の水分計。
- 前記オプティカルチャンバ内の圧力は大気圧に対して定常的に０．５気圧以上加圧されている請求項２又は３に記載の水分計。
- 前記バックグラウンド信号制御手段は前記オプティカルチャンバ内の圧力を定常状態から一時的に加圧又は減圧する圧力調整機構であり、
前記演算制御部は、前記光検出器の検出値に基づいて水分濃度値を求めるとともに、定常状態での水分濃度値と一時的に圧力を変化させた時の水分濃度値とを比較し、その差に基づいてバックグラウンド信号の影響の有無を検出するものである請求項１に記載の水分計。 - 前記圧力調整機構は前記オプティカルチャンバ内の圧力変化を外部に伝達する圧力計と、外部からの制御信号により圧力を制御する圧力調整バルブ又はプレッシャレギュレータとからなるものである請求項５に記載の水分計。
- 前記オプティカルチャンバにガスを導入するガス供給機構を備えている請求項６に記載の水分計。
- 前記サンプルセル内には前記オプティカルチャンバから入射したレーザ光を多重反射させるための一対の対向ミラーが備えられている請求項１から７のいずれか一項に記載の水分計。
- 前記オプティカルチャンバのチャンバは前記サンプルセルの両端にそれぞれ窓材を介して対向して２つ備えられ、一方のチャンバには前記レーザ光源が配置され、他方のチャンバには前記光検出器が配置されている請求項１から８のいずれか一項に記載の水分計。
- 前記サンプルセルはＨｅｒｒｉｏｔｔタイプの多重反射型セルであり、前記窓材及び前記オプティカルチャンバのチャンバはそれぞれ一つによって構成されている請求項１から８のいずれか一項に記載の水分計。
- 前記オプティカルチャンバ内のレーザ光源は波長可変レーザ光源であり、
前記演算制御部は、レーザ光源からのレーザ光波長を、試料ガス中の対象ガスが吸収をもつ波長を含む波長範囲を一定の走査周波数で走査するとともに、走査周波数よりも高い変調周波数で変調して出力するレーザ制御部、及び前記変調周波数の２倍の周波数をもつレーザ光検出信号に基づいて２次高調波測定法により水分濃度を求める演算部を備えたものである請求項１から１０のいずれか一項に記載の水分計。
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Cited By (11)
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