JP2016001135A

JP2016001135A - 光学測定セル及び光学分析計

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Publication number: JP2016001135A
Application number: JP2014120980A
Authority: JP
Inventors: 公彦有本; Kimihiko Arimoto
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2014-06-11
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2034-06-11
Also published as: JP6249886B2

Abstract

【課題】セル長の変動を抑えつつ、液へのコンタミネーションを防ぐ。【解決手段】光学窓を形成する透光部材と、透光部材を収容する収容部を有するセル本体２と、透光部材を押圧してセル本体２に固定する固定機構とを具備し、透光部材が、被検液に接触する接液面を有する接液部材と、接液部材を補強する補強部材とを備えており、固定機構が、少なくとも接液部材をセル本体に押圧するための押圧部材と、押圧部材及び接液部材の間に介在して設けられ、接液部材の接液面とは反対側の面において補強部材よりも外側に密着するシール部材とを備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば半導体等の製造工程においてフッ酸（ＨＦ）等の薬液の濃度等を測定するために用いられる光学測定セル及び当該光学測定セルを用いた光学分析計に関するものである。

この種の光学測定セルは、半導体製造装置の薬液配管に接続されて、内部空間を薬液が通過するものであり、当該内部空間を挟む一対の光学窓を有している。そして、この光学測定セルの一方の光学窓に測定光が照射されて、他方の光学窓から出た透過光が受光される。これによって光学測定セルを流れる薬液の透過光強度から当該薬液に含まれる所定成分の濃度等が算出されて、薬液の濃度制御が行われる。

従来、この光学測定セルにおいて、一対の光学窓を形成する透光部材には、サファイアや石英が用いられている。

ところが、サファイアを用いたものでは、フッ酸（ＨＦ）等の薬液に対して耐蝕性を有するものの、主成分である酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が薬液中に溶け出して酸化アルミニウムによるコンタミネーション（汚染）が生じてしまう。その結果、半導体製造装置には適さない場合がある。一方で、石英を用いたものでは、フッ酸（ＨＦ）等の薬液に対して耐蝕性が無く、それらの薬液の分析に用いることができない。

このため、透光部材にフッ素系樹脂を用いることが考えられている。フッ素樹脂を用いたものでは、フッ酸（ＨＦ）等の薬液に対して耐蝕性を有するとともに、薬液へのコンタミネーションを防ぐことができる。

しかしながら、フッ素系樹脂は機械的強度が低く、薬液等の被検液の温度又は圧力変動により変形してしまう。その結果、一対の光学窓間の光路長（セル長）が変化してしまい、測定誤差が発生してしまうという問題がある。

特開平８−６８７４６号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、光学窓を形成する透光部材の変形を抑えつつ、被検液へのコンタミネーションを防ぐことをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る光学測定セルは、被検液を収容する内部空間及び当該内部空間を挟む一対の光学窓を有する光学測定セルであって、前記一対の光学窓を形成する一対の透光部材と、前記一対の透光部材を収容する収容部を有し、当該収容部に収容された前記一対の透光部材とともに前記内部空間を形成するセル本体と、前記収容部に収容された前記一対の透光部材を前記セル本体に固定する固定機構とを具備し、前記一対の透光部材の少なくとも一方が、前記内部空間に収容された被検液に接触する接液面を有する接液部材と、前記接液部材の前記接液面とは反対側の反対面に接触して前記接液部材を補強する補強部材とを備えており、前記固定機構が、少なくとも前記接液部材を前記セル本体に押圧するための押圧部材と、前記押圧部材及び前記接液部材の間に介在して設けられ、前記接液部材の前記接液面とは反対側の面において前記補強部材よりも外側に密着するシール部材とを備えていることを特徴とする。

このような光学測定セルであれば、透光部材が、一枚構成では無く、接液部材及び補強部材を備えているので、接液部材に被検液に対して耐蝕性を有しコンタミネーション成分を生じない材質を用い、補強部材に接液部材の機械的強度を保つような材質を用いることによって、光学窓を形成する透光部材の変形を抑えつつ、被検液へのコンタミネーションを防ぐことができる。つまり、透光部材を少なくとも接液部材及び補強部材を有する複数枚構成にすることにより、光学窓を形成する透光部材の変形を抑えつつ、被検液へのコンタミネーションを防ぐように、材質の選択を行うことができる。
また、固定機構の押圧部材及び接液部材の間に介在して設けられたシール部材が、接液部材の接液面とは反対側の面において補強部材よりも外側に密着しているので、内部空間の被検液が接液部材及びセル本体の間から補強部材側に漏れ出た場合であっても、被検液が補強部材に接触することを防ぐことができる。これにより、補強部材が被検液により腐食されてしまうことを防ぐことができ、また、補強部材において、被検液に耐蝕性を有する材質を選択する必要が無くなる。

前記シール部材が、前記収容部の内周面において前記接液部材よりも前記補強部材側に密着することが望ましい。
これならば、内部空間の被検液が接液部材及びセル本体の間から補強部材側に漏れ出た場合であっても、セル外部への液リークを防ぐことができる。また、単一のシール部材により、補強部材の腐食及びセル外部への液リークの両方を防ぐことができ、部品点数を削減及び構造の簡略化が可能となる。

具体的な実施の態様としては、前記接液部材が、前記被検液に対して耐蝕性を有する材質からなり、前記補強部材が、前記接液部材よりも機械的強度が強い材質からなることが望ましい。
例えば、被検液がフッ酸（ＨＦ）の場合には、接液部材に、ＰＴＦＥやＰＦＡ等のフッ素樹脂といったフッ酸（ＨＦ）に対して耐蝕性を有する材質を用いることができ、補強部材に、サファイアや石英等のフッ酸（ＨＦ）に対して耐蝕性を有さない又はコンタミネーション成分を生じるが、接液部材よりも機械的強度が強い材質を用いることができる。

このように構成した本発明によれば、透光部材を、耐蝕性を有するとともにコンタミネーション成分を生じない材質からなる接液部材と、当該接液部材よりも機械的強度が強い補強部材とに分けて構成することができ、光学窓を形成する透光部材の変形を抑えつつ、被検液へのコンタミネーションを防ぐことができる。また、押圧部材及び接液部材の間に介在して設けられたシール部材が、接液部材の接液面とは反対側の面において補強部材よりも外側に密着しているので、被検液による補強部材の腐蝕を防ぐことができる。

本実施形態の薬液濃度測定装置（光学分析計）の構成を示す模式図。同実施形態の光学測定セルの構成を模式的に示す断面図。同実施形態の光学測定セルの構成を模式的に示す平面図。同実施形態の光学測定セルの構成を模式的に示す分解断面図。変形同実施形態の光学測定セルの構成を模式的に示す断面図。

以下に本発明に係る光学測定セルの一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態の光学測定セル１０は、図１に示すように、半導体製造装置に設けられた配管に接続されて、フッ酸（ＨＦ）等の薬液（被検液）の濃度等を測定する光学分析計に用いられる。

なお、図１に示す光学分析計１００は、光学測定セル１０と、光学測定セル１０に対して光を照射する光照射部１１と、光学測定セル１０を透過した光を検出する光検出部１２とを有する。ここで、光照射部１１は、光源１１ａと、当該光源１１ａからの光を光学測定セル１０に導く光ファイバ１１ｂ及び集光レンズ１１ｃ等を有する導光機構とを有する。また、光検出部１２は、光検出器１２ａと、光学測定セル１０を透過した光を光検出器１２ａに導く光ファイバ１２ｂ及び集光レンズ１２ｃ等を有する導光機構とを有する。そして、光検出器１２ａからの光強度信号を受信した演算部１３により、被検液に含まれる所定成分の濃度が算出される。このようにして得られる濃度を用いて、薬液の濃度等が制御される。

光学測定セル１０は、図２に示すように、被検液が流れる流路（内部空間Ｓ）を挟んで互いに対向する一対の光学窓Ｍ１、Ｍ２を有するフローセルである。この光学測定セル１０において、前記光照射部１１からの光が一方の光学窓Ｍ１から被検液に照射され、他方の光学窓Ｍ２から出た光が光検出部１２により検出される。

具体的に光学測定セル１０は、図２〜図４に示すように、セル本体２と、一対の透光部材３、４と、固定機構５とを備えている。なお、透光部材３は、光照射部１１からの光が入射する入射側透光部材であり、透光部材４は、内部空間Ｓを通過した光を外部に射出する射出側透光部材である。

セル本体２は、一対の透光部材３、４を収容して、当該一対の透光部材３、４とともに内部空間Ｓを形成する収容部２１を有している。本実施形態のセル本体２は、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を用いて形成されている。また、セル本体２には、前記収容部２１の内側周面に連通する液導入部６及び液導出部７が設けられている。

本実施形態の収容部２１は、特に図２及び図４に示すように、各透光部材３、４を収容する２つの収容凹部２１１、２１２と、それら２つの収容凹部２１１、２１２の底壁を貫通するように形成された中間部２１３とからなる。２つの収容凹部２１１、２１２は、セル本体２の互いに対向する対向面にそれぞれ設けられている。

各収容凹部２１１、２１２は、透光部材３、４を内部に収容するためのものである。そして収容凹部２１１、２１２は、互いに略同一形状をなすものであり、図３に示すように、略円筒形（平面視において略円形状）である。具体的に収容凹部２１１、２１２は、断面円形の内側周面と、当該内側周面に直交する平坦面である底面とを有している。

そして液導入部６及び液導出部７は、中間部２１３の内側周面に連通するように設けられている。液導入部６は、内部空間Ｓに被検液を導入するためのものであり、外部配管（不図示）が接続される。また、液導出部７は、内部空間Ｓから被検液を導出するためのものであり、外部配管（不図示）が接続される。なお、図２等においては、液導入部６及び液導出部７が上下方向において互いに対向して設けられているが、それらの位置は図２等に限られない。

一対の透光部材３、４は、セル本体２の収容凹部２１１、２１２に収容されて所定の距離で対向配置されて光学セル１００の一対の光学窓Ｍ１、Ｍ２を形成するものである。具体的には、一方の透光部材３が一方の収容凹部２１１に収容されるとともに、他方の透光部材４が他方の収容凹部２１２に収容されることによって、所定の距離で配向配置されることになる。つまり、一方の透光部材３が一方の収容凹部２１１の底面に接触し、他方の透光部材４が他方の収容凹部２１２の底面に接触することによって、一対の透光部材３、４が所定の距離で対向配置されることになる。このように本実施形態では、２つの収容凹部２１１、２１２の間に位置する底壁がスペーサ７として機能し、当該スペーサ７が収容部２１の内側周面から内側に突出して一体形成された場合を示している。なお、このスペーサ７により、一対の透光部材３、４の対向面（接液面）同士が平行となり、所定の距離で配置されることになる。

一対の透光部材３、４は、平面視において互いに略同一形状をなすものであり、図３に示すように、それぞれ収容凹部２１１、２１２に嵌る略円板形状をなすものである。

具体的に各透光部材３、４は、図２〜図４に示すように、内部空間Ｓに収容された被検液に接触する接液面８ａを有する接液部材８と、当該接液部材８の接液面８ａとは反対側の面（外面）８ｂに接触して接液部材８を補強する補強部材９とを有する。

接液部材８は、略円板形状をなすものであり、補強部材９よりも収容凹部２１１、２１２の底面側に位置して、当該収容凹部２１１、２１２の底面に接触するものである。接液部材８の接液面８ａは、接液部材８における収容凹部２１１、２１２の底面側の面であり、具体的には、セル本体２の収容部２１（具体的には中間部２１３）の内側周面とともに内部空間Ｓを形成する面である。

この接液部材８は、フッ酸（ＨＦ）等の被検液に対して耐蝕性を有し、且つ、コンタミネーション成分を生じない材質から形成されており、本実施形態では、ＰＴＦＥやＰＦＡ等のフッ素樹脂から形成されている。

補強部材９は、略円板形状をなすものであり、平面視において前記接液部材８の直径よりも直径が小さい形状をなしている（図３参照）。この補強部材９は、接液部材８と同心状に設けられ、その一方の面の略全体が前記接液部材８の外面８ｂと面接触するものである。また、補強部材９は、平面視において、収容凹部２１１、２１２の底面（スペーサ７）との間で接液部材８を挟む込む程度の大きさを有し、つまり、中間部２１３の内側周面の直径よりも大きい直径を有するものである（図３参照）。言い換えれば、補強部材９は、接液部材８の外面８ｂにおいて、少なくとも光学窓となる領域全体に接触するように構成されている。なお、接液部材８及び補強部材９はともに、それらの中央部が光学窓Ｍ１、Ｍ２となる。また、補強部材９は、接液部材８の外面８ｂの光学窓となる領域の一部、具体的には、光が通過する部分に接触するように構成されていても良い。

この補強部材９は、接液部材８よりも機械的強度が強い材質から形成されており、本実施形態では、石英又はサファイアから形成されている。このように、補強部材９は、被検液の温度変化や圧力変動に対して、所望の測定精度を確保できるものであれば良く、フッ酸（ＨＦ）等の薬液に対して耐蝕性を有さない又はコンタミネーション成分を生じるものであっても良い。

固定機構５は、一対の透光部材３、４を押圧してセル本体２に固定するものである。具体的に固定機構５は、特に図２に示すように、一方の収容凹部２１１に配置された接液部材８及び補強部材９を当該収容凹部２１１の底面に向かって押圧して密着させ、他方の収容凹部２１２に配置された接液部材８及び補強部材９を当該収容凹部２１２の底面に向かって押圧して密着させることにより、一対の接液部材３、４の間に内部空間Ｓを形成するものである。

この固定機構５は、セル本体２を挟む第１挟持板５１及び第２挟持板５２と、第１挟持板５１及び第１透光部材３の間に介在する押圧部材たる第１傾斜リング５３と、第２挟持板５２及び第２透光部材４の間に介在する押圧部材たる第２傾斜リング５４と、各挟持板５１、５２を連結するための例えばボルトである連結部材５７とを備えている。

第１挟持板５１は、セル本体２における一方の収容凹部２１１側の側面に設けられて、一方の収容凹部２１１に収容された各部材を押さえるものである。第１挟持板５１には、一方の光学窓Ｍ１に光を導入するための貫通孔５１ｈと、連結部材５７を挿通させる複数の挿通孔（不図示）とが設けられている。貫通孔５１ｈは、一方の光学窓Ｍ１に対応する位置に設けられている。

第２挟持板５２は、セル本体２における他方の収容凹部２１２側の側面に設けられて、他方の収容凹部２１２に収容された各部材を押さえるものである。第２挟持板５２には、他方の光学窓Ｍ２から出た光を導出するための貫通孔５２ｈと、連結部材５７を螺合させるための複数の雌ねじ孔（不図示）とが設けられている。

第１傾斜リング５３は、第１挟持板５１及び第１透光部材３それぞれに接触して、第１挟持板５１から第１透光部材３に押圧力を伝えるためのものである。具体的にこの第１傾斜リング５３は、概略円筒形状であり、その外側周面と第１透光部材３に接する端面との一部を、斜めに切り欠いて形成されたテーパ状の傾斜面５３ｘを有している。また、一方の収容凹部２１１に、第１透光部材３及び第１傾斜リング５３を順次収容した高さが、収容凹部２１１の深さよりも高くなるように、第１傾斜リング５３の厚みが設定されている。つまり、第１傾斜リング５３の一部が、収容凹部２１１からはみ出るように設定されている。なお、第１傾斜リング５３の中央部には、一方の光学窓Ｍ１に光を導入するための貫通孔５３ｈが設けられている。

第２傾斜リング５４は、第２挟持板５２及び第２透光部材４それぞれに接触して、第２挟持板５２から第２透光部材４に押圧力を伝えるためのものである。具体的にこの第２傾斜リング５４は、概略円筒形状であり、その外側周面と第２透光部材４に接する端面との一部を、斜めに切り欠いて形成されたテーパ状の傾斜面５４ｘを有している。また、他方の収容凹部２１２に、第２透光部材４及び第２傾斜リング５４を順次収容した高さが、第２収容凹部５４の深さよりも高くなるように、第２傾斜リング５４の厚みが設定されている。つまり、第２傾斜リング５４の一部が、収容凹部２１２からはみ出るように設定されている。なお、第２傾斜リング５４の中央部には、他方の光学窓Ｍ２から出た光を導出するための貫通孔５４ｈが設けられている。

そして、この固定機構５において、第１傾斜リング５３及び第１透光部材３の間及び第２傾斜リング５４及び第２透光部材４の間にシール部材５５、５６が設けられている。Ｏリング等のシール部材５５、５６は、接液部材８の接液面８ａとは反対側の面８ｂにおいて補強部材９の外側、つまり、平面視において補強部材９の周囲を囲むように位置している（図２及び図４参照）。

具体的には、第１傾斜リング５３の傾斜面５３ｘと、接液部材８の外面８ｂと、収容凹部２１１の内側周面との間に、Ｏリング等のシール部材５５が配置される（図２参照）。また、第２傾斜リング５４の傾斜面５４ｘと、接液部材８の外面８ｂと、収容凹部２１２の内側周面との間に、Ｏリング等のシール部材５６が配置される（図２参照）。

なお、シール部材５５、５６であるＯリングは、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等を用いて形成される。

そして、第１傾斜リング５３が、一方の収容凹部２１１の底面に向かって押圧されると、傾斜面５３ｘがＯリング５５に密着して（図２のＡ位置）、Ｏリング５５がつぶれる。この状態において、Ｏリング５５及び接液部材８の外面８ｂが気密されるように密着する（図２のＢ位置）。また、Ｏリング５５及び一方の収容凹部２１１の内側周面が気密されるように密着する（図２のＣ位置）。また、第２傾斜リング５４が、他方の収容凹部２１２の底面に向かって押圧されると、前記第１傾斜リング５３と同様に、傾斜面５４ｘがＯリング５６に密着してＯリング５６がつぶれる。この状態において、Ｏリング５６及び接液部材８の外面８ｂが気密されるように密着する。また、Ｏリング５６及び他方の収容凹部２１２の内側周面が気密されるように密着する。これにより、接液部材８により仕切られた内部空間Ｓと、内部空間Ｓとは反対側の空間とが気密に仕切られる。つまり、接液部材８の周縁部と補強部材９の周縁部との間が、Ｏリング５５、５６により気密に仕切られることになり、内部空間Ｓから接液部材８の外側、つまり収容凹部２１１、２１２に漏れ出た被検液の漏れ経路上に補強部材９が位置しないように構成している。

その結果、流路を流れる被検液が、各透光部材３、４及びスペーサ７の間から収容凹部２１１、２１２の内側周面まで漏れ出した場合であっても、図２に示すＣ位置によって気密にシールされているので、セル外部への液リークを防ぐことができるとともに、図２に示すＢ位置によって気密にシールされているので、被検液が補強部材９に接触して補強部材９が腐食してしまうことを防ぐことができる。

このように構成した光学測定セル１０によれば、透光部材３、４が、接液部材８及び補強部材９を備えているので、接液部材８に被検液に対して耐蝕性を有しコンタミネーション成分を生じない材質を用い、補強部材９に接液部材の機械的強度を保つような材質を用いることによって、光学窓Ｍ１、Ｍ２を形成する透光部材３、４の変形を抑えつつ、被検液へのコンタミネーションを防ぐことができる。

また、固定機構５の傾斜リング５３、５４及び接液部材３、４の間に介在して設けられたシール部材５５、５６が、接液部材８の接液面８ａとは反対側の面８ｂにおいて補強部材９よりも外側に密着しているので、内部空間Ｓの被検液が接液部材８及びセル本体２（具体的には収容凹部２１１、２１２）の間から補強部材９側に漏れ出た場合であっても、被検液が補強部材９に接触することを防ぐことができる。これにより、補強部材９が被検液により腐食されてしまうことを防ぐことができ、また、補強部材９において、被検液に耐蝕性を有する材質を選択する必要が無くなる。

さらに、固定機構５のシール部材５５、５６が、収容凹部２１１、２１２の内側周面において接液部材８の補強部材９が設けられている側に密着しているので、内部空間Ｓの被検液が接液部材８から補強部材９側に漏れ出した場合であっても、外部への液リークを防ぐことができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では、スペーサがセル本体に一体形成されたものであったが、セル本体と別の部材としても良い。この場合、セル本体の１つの収容凹部を設け、当該収容凹部に第１透光部材、スペーサ及び第２透光部材をこの順で収容して、固定機構により収容凹部の底面に向かって押圧して固定しても良い。なお、収容凹部の底壁には、光を通過させるための貫通孔を形成する。

また、前記実施形態では、一対の透光部材の両方が接液部材及び補強部材を有する構成としているが、何れか一方の透光部材が接液部材及び補強部材を有する構成としても良い。

さらに、前記実施形態では、傾斜リングを用いることで、１つのＯリングにより、収容凹部の内側周面に密着し、接液部材の外面に密着する構成としているが、複数のＯリングを用いて、収容凹部の内側周面を密着するものと、接液部材の外面に密着するものと、それぞれ別々に設けても良い。

その上、前記実施形態では、単一の傾斜リングにより、接液部材及び補強部材の両方を押圧する物であったが、傾斜リングが接液部材のみを押圧し、前記傾斜リングとは別の部材により補強部材を押圧する構成としても良い。

前記実施形態は、平板状をなす一対の透光部材を用いて収容空間が形成されるものであったが、管形状をなす透光部材により収容空間を形成するものであっても良い。

加えて、前記実施形態では、押圧部材である傾斜リングが接液部材をセル本体に押圧する構造であったが、図６に示す構造であっても良い。
つまり、補強部材９及びシール部材１４がセル本体２の収容凹部２１１、２１２に固定されており、接液部材８が収容凹部２１１、２１２に対して移動自在に設けられたものであっても良い。そして、内部空間Ｓに試料が流れることによって、試料の圧力によって接液部材８の接液面８ａが外側に押されることにより、接液部材８が補強部材９及びシール部材１４側に移動する。そして、接液部材８の外面８ｂがシール部材１４に押圧されることにより接液部材８の外面８ｂとシール部材１４とが気密に密着する。なお、シール部材１４は、収容凹部２１１、２１２の内側周面とも気密に密着している。

また、前記実施形態の試料が液体であったが、ガスであっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・薬液濃度測定装置（光学分析計）
１０・・・光学測定セル
２・・・セル本体
２１・・・収容部
Ｍ１、Ｍ２・・・光学窓
Ｓ・・・内部空間
３、４・・・透光部材
５・・・固定機構
５３、５４・・・押圧部材（傾斜リング）
５５、５６・・・シール部材
８・・・接液部材
８ａ・・・接液面
８ｂ・・・接液面とは反対側の面
９・・・補強部材

Claims

試料を収容する内部空間及び当該内部空間を挟む一対の透光部材と、
前記一対の透光部材を収容する収容部を有し、当該収容部に収容された前記一対の透光部材とともに前記内部空間を形成するセル本体と、
前記収容部に収容された前記一対の透光部材を前記セル本体に固定する固定機構とを具備し、
前記一対の透光部材の少なくとも一方が、
前記内部空間に収容された被検液に接触する接液面を有する接液部材と、
前記接液部材の前記接液面とは反対側の面に接触して前記接液部材を補強する補強部材とを備えており、
前記固定機構が、
少なくとも前記接液部材を前記セル本体に押圧するための押圧部材と、
前記押圧部材及び前記接液部材の間に介在して設けられ、前記接液部材の前記接液面とは反対側の面において前記補強部材よりも外側に接触するシール部材とを備えている光学測定セル。
前記シール部材が、前記収容部の内周面において前記接液部材よりも前記補強部材側に密着する請求項１記載の光学測定セル。
前記接液部材が、前記被検液に対して耐腐食性を有する材質からなり、
前記補強部材が、前記接液部材よりも機械的強度が強い材質からなる請求項１又は２記載の光学測定セル。
請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学測定セルと、
前記光学測定セルに対して光を照射する光照射部と、
前記光学測定セルを透過した光を検出する光検出部とを有する光学分析計。