JP2014235036A

JP2014235036A - Ｃｆ４ガス濃度測定方法およびｃｆ４ガス濃度測定装置

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Publication number: JP2014235036A
Application number: JP2013115490A
Authority: JP
Inventors: 亮太佐野; Ryota SANO; 規一吉田; Norikazu Yoshida
Original assignee: Riken Keiki KK
Current assignee: Riken Keiki KK
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2014-12-15
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: JP6139985B2

Abstract

【課題】ＣＦ_４ガスおよびＣ_２Ｆ_６ガスを含む被検ガスにおけるＣＦ_４ガスの濃度を高い信頼性をもって容易に検出可能なＣＦ_４ガス濃度測定方法およびＣＦ_４ガス濃度測定装置を提供すること。
【解決手段】ＣＦ_４ガスおよびＣ_２Ｆ_６ガスを含む被検ガスについて赤外線検出手段によって得られる、中心波長が７８５０±５０ｎｍの第１の波長域の赤外線の光量に応じたガス検出出力を、（１）中心波長が９０３５±５０ｎｍの第２の波長域の赤外線の吸光度に基づいてＣ_２Ｆ_６ガスのガス濃度を取得する手順、（２）第１の波長域の赤外線の吸光度を測定することにより予め取得しておいた検量線に、取得されたＣ_２Ｆ_６ガス濃度を対照することにより得られるガス検出出力を補正用出力として取得する手順によって得られる補正用出力で補正することにより、ＣＦ_４ガスの濃度が測定される。ＣＦ_４ガス濃度測定装置は、上記方法が実行される信号処理手段を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、非分散型赤外線吸収法を利用した、ＣＦ_４ガス濃度測定方法およびＣＦ_４ガス濃度測定装置に関する。

現在、半導体製造工程では、その工程に応じて、各種のガスが利用されている。例えば、ドライエッチング工程や薄膜形成工程などにおいては、フッ素を含む化合物であるＰＦＣ（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）ガスが反応性ガスとして使用されている。ＰＦＣガスを含むなどの排ガスは、そのまま系外に排出することはできないため、各種の処理方法で処理され、無害化されて大気中に放出されている。

一方、これらのＰＦＣガスに関して、温暖化対策推進法により、ＰＦＣガスを一定量以上排出する事業は、排出量の報告が義務化されている。そのため、例えば半導体製造工場などにおいては、最終的に大気中に放出される排出ガス中のＰＦＣガスの濃度を監視することが行われている。ここに、規制の対象となるＰＦＣガスは、例えばＣＦ_４（パーフルオロメタン）ガス、ＳＦ_６ガス、ＮＦ_３ガス、Ｃ_２Ｆ_６（パーフルオロエタン）ガス、Ｃ_３Ｆ_８ガス、ＣＨＦ_３ガス等であり、これらのうちでも特に、ＣＦ_４ガスは、化合物そのものが安定しており、難分解性を示すものであることから、排ガス中のＣＦ_４ガスの濃度を測定することは重要になっている。

最終的に放出される排出ガス中のＰＦＣガスの濃度を測定する装置としては、例えば、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ：ＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍＩｎｆｒａｒｅｄａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）が広く採用されている。例えば特許文献１には、ＦＴ−ＩＲスペクトル法によって、上記の規制対象ガスの濃度が測定されることが記載されている。

特開２００２−０８２０４９号公報

しかしながら、ＦＴ−ＩＲスペクトル法では、各ガス成分の濃度を精度よく検出するために、各ガス成分間の干渉を除去するための信号処理が複雑なものとなるという不都合がある。

本発明は以上のような事情に基づいてなされたものであって、ＣＦ_４ガスおよびＣ_２Ｆ_６ガスを含む被検ガスにおけるＣＦ_４ガスの濃度を高い信頼性をもって容易に検出することのできるＣＦ_４ガス濃度測定方法およびＣＦ_４ガス濃度測定装置を提供することを目的とする。

本発明のＣＦ_４ガス濃度測定方法は、ＣＦ_４ガスおよびＣ_２Ｆ_６ガスを含む被検ガスについて赤外線検出手段によって得られる、中心波長が７８５０±５０ｎｍの第１の波長域の赤外線の光量に応じたガス検出出力を、当該被検ガスにおけるＣ_２Ｆ_６ガスのガス濃度に応じた補正用出力で補正することにより、当該被検ガスに含まれるＣＦ_４ガスの濃度を測定する方法であって、
前記補正用出力は、下記（１）、（２）の手順によって、得られるものであることを特徴とする。

（１）中心波長が９０３５±５０ｎｍの第２の波長域の赤外線の吸光度に基づいて、前記被検ガスに含まれるＣ_２Ｆ_６ガスのガス濃度を取得する手順。
（２）前記第１の波長域の赤外線の吸光度を測定することにより予め取得しておいた、前記赤外線検出手段のガス検出出力とＣ_２Ｆ_６ガス濃度の関係を示す検量線に、前記手順（１）で得られたＣ_２Ｆ_６ガス濃度を対照することにより取得されるガス検出出力を、補正用出力として取得する手順。

本発明のＣＦ_４ガス濃度測定装置は、赤外線光源と、中心波長が７８５０±５０ｎｍの第１の波長域の赤外線を透過する第１のバンドパスフィルタおよび中心波長が９０３５±５０ｎｍの第２の波長域の赤外線を透過する第２のバンドパスフィルタを具えた赤外線検出手段と、信号処理手段とを具えてなり、
当該信号処理手段は、前記赤外線検出手段より得られる第１の波長域の赤外線の光量に応じたガス検出出力を、下記（１）、（２）の手順によって得られる補正用出力で補正することにより、ＣＦ_４ガスおよびＣ_２Ｆ_６ガスを含む被検ガスにおけるＣＦ_４ガス濃度を取得する機能を有することを特徴とする。

本発明によれば、ＣＦ_４ガスによる吸収が可及的に低い第２の波長域の赤外線についてのＣ_２Ｆ_６ガスによる吸光度に基づいてＣ_２Ｆ_６ガス濃度が検出されることにより、ＣＦ_４ガスおよびＣ_２Ｆ_６ガスを含む被検ガスにおけるＣ_２Ｆ_６ガス濃度を正確に検出することができる。そして、検出されたＣ_２Ｆ_６ガス濃度に応じた補正用出力によって、ＣＦ_４ガスに固有の吸収波長帯域およびＣ_２Ｆ_６ガスに係る他の吸収波長帯域を含む第１の波長域の赤外線についてのセンサ出力が補正されることにより、Ｃ_２Ｆ_６ガスによる影響（干渉）を排除することができるため、Ｃ_２Ｆ_６ガスが混在する環境下においても、ＣＦ_４ガス濃度を高い信頼性をもって検出することができる。
また、Ｃ_２Ｆ_６ガスだけに吸収が生ずる波長域が存在することを利用することにより、Ｃ_２Ｆ_６ガスのガス濃度およびＣＦ_４ガスのガス濃度を検量線により確定することができる。従って、赤外線検出手段より得られるガス検出信号についての信号処理を簡素化することができ、ＣＦ_４ガス濃度を極めて容易に検出することができる。

本発明のガス濃度測定装置の一例における構成の概略を示す説明図である。第２の赤外線センサのセンサ出力とＣ_２Ｆ_６ガス濃度との関係を示す検量線の一例を示す図である。第１の赤外線センサのセンサ出力とＣ_２Ｆ_６ガス濃度との関係を示す検量線の一例を示す図である。第１の赤外線センサのセンサ出力とＣＦ_４ガス濃度との関係を示す検量線の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明のガス濃度測定装置の一例における構成の概略を示す説明図である。
このガス濃度測定装置は、ガス検知部１０と、ガス検知部１０よりの出力信号に基づいて検知対象ガスであるＣＦ_４ガスのガス濃度を取得する機能を有する信号処理部３０と、ＣＦ_４ガスのガス濃度を取得するための情報が記録された記録部（図示せず）とを具えている。

ガス検知部１０は、被検ガスが導入される例えば筒状のセル１１と、このセル１１の軸方向一端側（図１において右端側）に設けられた一の赤外線光源１５と、セル１１の軸方向他端側（図１において左端側）に設けられた、第１の赤外線検出手段２０および第２の赤外線検出手段２５とを具えている。図１において、符号１２は被検ガスが導入されるガス導入部、１３はガス排出部である。

赤外線光源１５は、例えば、輝度が一定の周期で方形波状に変化するように変調する状態で、点滅駆動される。

第１の赤外線検出手段２０は、第１の赤外線センサ２１と、第１の赤外線センサ２１の光入射面側に設けられた第１のバンドパスフィルタ２２とにより構成されている。
第２の赤外線検出手段２５は、第２の赤外線センサ２６と、第２の赤外線センサ２６の光入射面側に設けられた第２のバンドパスフィルタ２７とにより構成されている。
第１の赤外線センサ２１および第２の赤外線センサ２６は、赤外線光源１５と対向して配置されている。

第１の赤外線検出手段２０における第１のバンドパスフィルタ２２は、ＣＦ_４ガスおよびＣ_２Ｆ_６ガスの両者の吸収波長帯域に応じた波長域の赤外線に対して高い透過率を有するものであって、中心波長が７８５０±５０ｎｍ、半値幅が１８５±２０ｎｍであるものにより構成されている。
第２の赤外線検出手段２５における第２のバンドパスフィルタ２７は、Ｃ_２Ｆ_６ガスのみの吸収波長帯域に応じた波長域の赤外線に対して高い透過率を有するものであって、中心波長が９０３５±５０ｎｍ、半値幅が１６０±２０ｎｍであるものにより構成されている。

記録部に記録された情報としては、第１の赤外線センサ２１および第２の赤外線センサ２６の各々について予め取得いておいた検量線などが挙げられる。
具体的には、検量線としては、第２の赤外線センサ２６のセンサ出力とＣ_２Ｆ_６ガス濃度との関係を示すもの（検量線Ｃ_１）、第１の赤外線センサ２１のセンサ出力とＣ_２Ｆ_６ガス濃度との関係を示すもの（検量線Ｃ_２）、第１の赤外線センサ２１のセンサ出力とＣＦ_４ガス濃度との関係を示すもの（検量線Ｃ_３）が記録されている。検量線Ｃ_１〜Ｃ_３の一例を図２〜図４に示す。ここに、図２〜図４においては、センサ出力として、後述するように、例えばフルスケール濃度を５００ｐｐｍとした測定レンジにおけるセンサ出力に換算した出力割合〔％〕を縦軸にとっている。

検量線Ｃ_１は、次のようにして設定されたものである。すなわち、Ｃ_２Ｆ_６ガスの濃度が既知であり、互いに濃度が異なる複数種のスパンガスの各々を、セル１１内に順次に供給することにより得られる第２の赤外線センサ２６のセンサ出力（出力割合）と、Ｃ_２Ｆ_６ガス濃度との関係を示す実測値（１０ポイント）を取得する。そして、得られた実測値を例えば多項式で曲線近似することにより、測定レンジの全濃度範囲における検量線Ｃ_１を得ることができる。スパンガスとしては、例えば、ゼロガスを含む、０〜５００ｐｐｍの濃度範囲（測定レンジ）内の例えば５０ｐｐｍ毎に設定された濃度の１０種類のものを用いることができる。また、検量線Ｃ_１を取得するに際しての温度条件は、特に限定されるものではなく、例えばガス濃度測定装置が使用される環境条件などによって適宜に設定することができる。
検量線Ｃ_２は、第１の赤外線センサ２１について、上記と同様の方法により得られたものである。また、検量線Ｃ_３は、スパンガスとしてＣＦ_４ガスを用い、第１の赤外線センサ２１について、上記と同様の方法により取得されたものである。
センサ出力は、赤外線センサよりのセンサ出力信号を赤外線光源１５の点滅周期よりも短い周期でデジタル変換して所定時間分のセンサ出力信号を積分することにより、出力単位としての面積値（積分値）を算出し、これにより得られた出力単位を、濃度５００ｐｐｍのスパンガスを導入したときに得られる出力単位を１００％とした測定レンジにおける値に換算することにより得られる。

このガス濃度測定装置においては、赤外線光源１５がその点滅周期が制御された状態で点滅駆動され、赤外線光源１５から放射された赤外線は、第１のバンドパスフィルタ２２により特定の波長域以外の赤外線が除去された状態で、第１の赤外線センサ２１に周期的に受光されると共に、第２のバンドパスフィルタ２７により特定の波長域以外の赤外線が除去された状態で、第２の赤外線センサ２６に周期的に受光される。これにより、第１の赤外線センサ２１および第２の赤外線センサ２６により検出される赤外線量に応じたセンサ出力信号が信号処理部３０に出力される。そして、信号処理部３０において、下記（１）〜（３）の手順によって、被検ガスに含まれるＣＦ_４ガスの濃度の検出が行われる。

手順（１）：中心波長が９０３５±５０ｎｍの第２の波長域の赤外線の吸光度に基づいて、被検ガスに含まれるＣ_２Ｆ_６ガスのガス濃度を取得する。

この手順（１）においては、先ず、上述したように、第２の赤外線センサ２６よりのセンサ出力信号を赤外線光源１５の点滅周期よりも短い周期でデジタル変換した後、所定時間分のセンサ出力信号を積分することにより出力単位としての面積値（積分値）Ｓｂ_２を取得する。そして、当該出力単位Ｓｂ_２の、第２の赤外線センサ２６に係るゼロガス導入時に取得された出力単位Ｓ_０２に対する出力単位変化量ΔＳｂ_２（＝Ｓｂ_２−Ｓ_０２）を算出し、下記式（１）より、第２の赤外線センサ２６についてのセンサ出力（出力割合）Ｒｂ_２を算出する。

式（１）Ｒｂ_２＝（ΔＳｂ_２／ΔＳ_ｐ２）×Ｒ_ｐｂ２
上記式（１）において、ΔＳ_ｐ２は、Ｃ_２Ｆ_６ガスの濃度が５００ｐｐｍのスパンガス（フルスケール）を導入したときに第２の赤外線センサ２６により得られる出力単位Ｓ_ｐｂ２の、出力単位Ｓ_０２に対する出力単位変化量（Ｓ_ｐｂ２−Ｓ_０２）であって、Ｒ_ｐｂ２は、Ｃ_２Ｆ_６ガスの濃度が５００ｐｐｍのスパンガス（フルスケール）を導入したときの出力割合（１００％）である。

次いで、図２に示すように、上記のようにして得られたセンサ出力Ｒｂ_２を検量線Ｃ_１に対照することにより、被検ガスに含まれるＣ_２Ｆ_６ガスのガス濃度Ｄｂを取得する。

手順（２）：上記手順（１）で得られたＣ_２Ｆ_６ガスのガス濃度Ｄｂに基づいて、第１の赤外線センサ２１により得られるセンサ出力を補正すべき補正用出力を取得する。具体的には、第１の赤外線センサ２１により得られる出力単位を補正すべき出力単位補正量を取得する。

この手順（２）においては、先ず、図３に示すように、上記手順（１）で得られたＣ_２Ｆ_６ガスのガス濃度Ｄｂを検量線データＣ_２に対照することにより、当該ガス濃度Ｄｂに相当する、第１の波長域の赤外線に係るＣ_２Ｆ_６ガスについての第１の赤外線センサ２１のセンサ出力（出力割合）Ｒｂ_１を取得する。
次いで、得られたセンサ出力Ｒｂ_１に応じた第１の赤外線センサ２１に係るＣ_２Ｆ_６ガスについての出力単位Ｓｂ_１を、下記式（２）および式（３）より算出する。

式（２） ΔＳｂ_１＝（Ｒｂ_１／Ｒ_ｐｂ１）×ΔＳ_ｐｂ１
式（３）Ｓｂ_１＝ΔＳｂ_１＋Ｓ_０１
上記式（２）および式（３）において、ΔＳｂ_１は、ガス濃度ＤｂのＣ_２Ｆ_６ガスについて、第１の赤外線検出手段２０における赤外線センサ２１により得られるものと想定される出力単位変化量である。ΔＳ_ｐｂ１は、Ｃ_２Ｆ_６ガスの濃度が５００ｐｐｍのスパンガス（フルスケール）を導入したときに第１の赤外線センサ２１により得られる出力単位Ｓ_ｐｂ１の、ゼロガスを導入したときに第１の赤外線センサ２１により得られる出力単位Ｓ_０１に対する出力単位変化量（Ｓ_ｐｂ１−Ｓ_０１）である。Ｒ_ｐｂ１は、Ｃ_２Ｆ_６ガスの濃度が５００ｐｐｍのスパンガス（フルスケール）を導入したときの出力割合（１００％）である。

このようにして得られた、第１の赤外線センサ２１に係るＣ_２Ｆ_６ガスについての出力単位Ｓｂ_１が、第１の赤外線センサ２１により得られる出力単位Ｓａを補正すべき出力単位補正量として取得される。

手順（３）：第１の赤外線センサ２１により得られるセンサ出力を補正して、ＣＦ_４ガスおよびＣ_２Ｆ_６ガスを含む被検ガスにおけるＣＦ_４ガスのガス濃度を取得する。

この手順（３）においては、先ず、第１の赤外線センサ２１よりのセンサ出力信号を赤外線光源１５の点滅周期よりも短い周期でデジタル変換した後、所定時間分のセンサ出力信号を積分することにより出力単位としての面積値（積分値）Ｓａを取得する。上述したように、第１の赤外線センサ２１により受光される赤外線は、ＣＦ_４ガスおよびＣ_２Ｆ_６ガスの両者の吸収波長帯域に応じた波長を有するものである。従って、取得される出力単位Ｓａには、Ｃ_２Ｆ_６ガスの濃度に応じた干渉分が含まれているため、実際のＣＦ_４ガスの濃度に応じた出力単位よりも小さい値となっている。
そのため、取得された出力単位Ｓａに、上記手順（２）で取得された出力単位Ｓｂ_１を加算することにより補正して補正出力単位Ｓａ_１を取得する。そして、第１の赤外線センサ２１に係るゼロガス導入時における出力単位Ｓ_０１に対する出力単位変化量ΔＳａ_１（＝Ｓａ_１−Ｓ_０１）を算出し、下記式（４）より、第１の赤外線センサ２１についてのＣＦ_４ガスに係るセンサ出力（出力割合）Ｒａを算出する。

式（４）Ｒａ＝（ΔＳａ_１／ΔＳ_ｐａ）×Ｒ_ｐａ
上記式（４）において、ΔＳ_ｐａは、ＣＦ_４ガスの濃度が５００ｐｐｍのスパンガス（フルスケール）を導入したときに第１の赤外線センサ２１により得られる出力単位Ｓ_ｐａの、出力単位Ｓ_０１に対する出力単位変化量（Ｓ_ｐａ−Ｓ_０１）であって、Ｒ_ｐａは、ＣＦ_４ガスの濃度が５００ｐｐｍのスパンガス（フルスケール）を導入したときの出力割合（１００％）である。

次いで、図４に示すように、上記のようにして得られたセンサ出力Ｒａを検量線データＣ_３に対照することにより、被検ガスに含まれるＣＦ_４ガスのガス濃度Ｄａを取得する。

而して、このような方法によりＣＦ_４ガスのガス濃度を取得する上記のガス濃度測定装置によれば、ＣＦ_４ガスによる吸収が可及的に低い第２の波長域の赤外線のＣ_２Ｆ_６ガスによる吸光度に基づいてＣ_２Ｆ_６ガス濃度が検出されることにより、ＣＦ_４ガスおよびＣ_２Ｆ_６ガスを含む被検ガスにおけるＣ_２Ｆ_６ガス濃度を正確に検出することができる。そして、ＣＦ_４ガスに固有の吸収波長帯域およびＣ_２Ｆ_６ガスに係る他の吸収波長帯域を含む第１の波長域の赤外線についての第１の赤外線センサ２１によるセンサ出力が、検出されたＣ_２Ｆ_６ガス濃度に基づいて、補正されることにより、Ｃ_２Ｆ_６ガスによる影響（干渉）を排除することができるため、Ｃ_２Ｆ_６ガスが混在する環境下においても、ＣＦ_４ガス濃度を高い信頼性をもって検出することができる。
また、Ｃ_２Ｆ_６ガスだけに吸収が生ずる波長域が存在することを利用することにより、Ｃ_２Ｆ_６ガスのガス濃度およびＣＦ_４ガスのガス濃度を、それぞれ、検量線Ｃ_１〜Ｃ_３により確定することができる。従って、第１の赤外線センサ２１、第２の赤外線センサ２６より得られるセンサ出力信号についての信号処理を簡素化することができ、ＣＦ_４ガス濃度を極めて容易に検出することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、上記の実施例においては、中心波長が７８５０±５０ｎｍ、半値幅が１８５±２０ｎｍの赤外線に係るセンサ出力信号、および中心波長が９０３５±５０ｎｍ、半値幅が１６０±２０ｎｍの赤外線に係るセンサ出力信号を同時に検出した構成とされているが、ガスの濃度の変化が緩やかな場合には、単一の赤外線センサと、２つのバンドパスフィルタとを用い、赤外線センサにいずれか一方のバンドパスフィルタを透過した特定波長の赤外線が入射するよう、赤外線センサおよびバンドパスフィルタの一方が他方に対して相対的に移動される構成とされていてもよい。

１０ガス検知部
１１セル
１２ガス導入部
１３ガス排出部
１５赤外線光源
２０第１の赤外線検出手段
２１第１の赤外線センサ
２２第１のバンドパスフィルタ
２５第２の赤外線検出手段
２６第２の赤外線センサ
２７第２のバンドパスフィルタ
３０信号処理部
Ｃ_１〜Ｃ_３検量線データ

Claims

ＣＦ_４ガスおよびＣ_２Ｆ_６ガスを含む被検ガスについて赤外線検出手段によって得られる、中心波長が７８５０±５０ｎｍの第１の波長域の赤外線の光量に応じたガス検出出力を、当該被検ガスにおけるＣ_２Ｆ_６ガスのガス濃度に応じた補正用出力で補正することにより、当該被検ガスに含まれるＣＦ_４ガスの濃度を測定する方法であって、
前記補正用出力は、下記（１）、（２）の手順によって、得られるものであることを特徴とするＣＦ_４ガス濃度測定方法。
（１）中心波長が９０３５±５０ｎｍの第２の波長域の赤外線の吸光度に基づいて、前記被検ガスに含まれるＣ_２Ｆ_６ガスのガス濃度を取得する手順。
（２）前記第１の波長域の赤外線の吸光度を測定することにより予め取得しておいた、前記赤外線検出手段のガス検出出力とＣ_２Ｆ_６ガス濃度の関係を示す検量線に、前記手順（１）で得られたＣ_２Ｆ_６ガス濃度を対照することにより取得されるガス検出出力を、補正用出力として取得する手順。
赤外線光源と、中心波長が７８５０±５０ｎｍの第１の波長域の赤外線を透過する第１のバンドパスフィルタおよび中心波長が９０３５±５０ｎｍの第２の波長域の赤外線を透過する第２のバンドパスフィルタを具えた赤外線検出手段と、信号処理手段とを具えてなり、
当該信号処理手段は、前記赤外線検出手段より得られる第１の波長域の赤外線の光量に応じたガス検出出力を、下記（１）、（２）の手順によって得られる補正用出力で補正することにより、ＣＦ_４ガスおよびＣ_２Ｆ_６ガスを含む被検ガスにおけるＣＦ_４ガス濃度を取得する機能を有することを特徴とするＣＦ_４ガス濃度測定装置。
（１）中心波長が９０３５±５０ｎｍの第２の波長域の赤外線の吸光度に基づいて、前記被検ガスにおけるＣ_２Ｆ_６ガスのガス濃度を取得する手順。
（２）前記第１の波長域の赤外線の吸光度を測定することにより予め取得しておいた、前記赤外線検出手段のガス検出出力とＣ_２Ｆ_６ガス濃度の関係を示す検量線に、前記手順（１）で得られたＣ_２Ｆ_６ガス濃度を対照することにより取得されるガス検出出力を、補正用出力として取得する手順。