JP2020176940A - 光学分析装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】サンプル測定とリファレンス測定とで光路長を同一に保つことを可能にして測定精度を向上する。【解決手段】透光性を有する配管Ｈを流れる試料を分析する光学分析装置１００であって、光源２１及び集光レンズ２２を有する光源ユニット２と、光源ユニット２の光を検出する光検出ユニット３と、光源ユニット２及び光検出ユニット３を移動可能に支持する支持機構４とを備え、支持機構４は、光源ユニット２及び光検出ユニット３を、サンプル測定位置Ｓとリファレンス測定位置Ｒとの間で移動させる。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体製造プロセス等に用いられる薬液等の成分濃度を測定する光学分析装置に関するものである。
従来、特許文献１に示すように、光学系を移動させることによって、リファレンス光強度信号を取得するリファレンス測定とサンプル光強度信号を取得するサンプル測定とを切り替えるものが考えられている。
この光学分析装置では、光源からの光を反射する一対の反射ミラーを有しており、光源及び光検出器を固定した状態で、一対の反射ミラーを、測定セルに光を当てるサンプル測定位置と、測定セルに光を当てないリファレンス測定位置とで移動可能に構成している。
特開２０１５−１３７９８３号公報
しかしながら、上記の光学分析装置のように一対の反射ミラーを移動させて光路を切り替える構成では、サンプル測定での光路長（光源から光検出器までの光学的距離）と、リファレンス測定での光路長とが異なってしまう。また、一対の反射ミラーの位置再現性により、サンプル測定位置又はリファレンス測定位置がずれてしまうと、サンプル測定毎に光路長が変化してしまい、また、リファレンス測定毎に光路長が変化してしまう。このように光路長が変化してしまうと、測定誤差を生じてしまい、薬液の所定成分の濃度を精度良く管理することが難しくなってしまう。
そこで、本発明は上記の問題点を解決すべくなされたものであり、サンプル測定とリファレンス測定とで光路長を同一に保つことを可能にして測定精度を向上することをその主たる課題とするものである。
すなわち、本発明に係る光学分析装置は、透光性を有する配管を流れる試料を分析する光学分析装置であって、光源及び集光レンズを有する光源ユニットと、前記光源ユニットの光を検出する光検出ユニットと、前記光源ユニット及び前記光検出ユニットを移動可能に支持する支持機構とを備え、前記支持機構は、前記光源ユニット及び前記光検出ユニットを、前記光源ユニットの光を前記配管を介して前記光検出ユニットに検出させるサンプル測定位置と、前記光源ユニットの光を前記配管を介さずに前記光検出ユニットに検出させるリファレンス測定位置との間で移動させるものであることを特徴とする。
この光学分析装置であれば、光源及び集光レンズを有する光源ユニットと光源ユニットの光を検出する光検出ユニットとをサンプル測定位置及びリファレンス測定位置の間で移動させるように構成しているので、従来のように一対の反射ミラーを移動させる構成に比べて、光路長の変化を低減することができる。その結果、サンプル測定とリファレンス測定とで光路長を同一に保つことを可能にして、測定精度を向上することができる。
近年では、薬液モニター等のように薬液が流れる配管に光学分析装置を取り付けて、薬液の所定成分の濃度を測定するインライン型のものが考えられている。ここで、薬液が流れる配管は円筒状であることが多く、角形セルのように平行光又はそれに近い光を照射すると、薬液等の液体試料の温度や濃度に応じて生じる屈折率の変化によって、光検出器により検出される光量が変化し易い。その結果、測定誤差を生じてしまい、薬液の所定成分の濃度を精度良く管理することが難しくなってしまう。
そこで、前記光源ユニットの集光レンズは、前記サンプル測定位置において、前記光源の光を前記配管の内部で集光させるものであることが望ましい。
この構成であれば、光源ユニットの集光レンズにより、サンプル測定位置において、光源の光を配管の内部で集光させているので、試料の温度変化や濃度変化により試料の屈折率が変化しても、配管及び試料を通過する際に生じる屈折の変化を小さくすることができる。その結果、試料の屈折率の変化の影響を受けにくくして、測定精度を向上させることができる。
サンプル測定及びリファレンス測定の光路長の変化を可及的に小さくするためには、前記支持機構は、前記光源ユニット及び前記光検出ユニットの相対位置を変化させることなく、前記サンプル測定位置と前記リファレンス測定位置との間で移動させるものであることが望ましい。
光源ユニット及び光検出ユニットの相対位置を一定にするための実施の態様としては、前記支持機構は、固定して設けられたベース部材と、前記光源ユニット及び前記光検出ユニットを連結する連結部材と、前記ベース部材に設けられ、前記連結部材により連結された前記光源ユニット及び前記光検出ユニットを、前記ベース部材に対してスライド移動させるスライド駆動部とを備えることが考えられる。
この構成であれば、光源ユニットと光検出ユニットとを連結部材により一体にしているので、１つのスライド駆動部により一挙に光源ユニット及び光検出ユニットをスライド移動させることができる。その結果、光学分析装置を小型化することが可能となる。
ここで、光検出ユニットは、分光器を有するものであることが考えられる。この場合、光検出ユニットは、光源ユニットよりも重くなる。
このとき、連結部材により一体とされた光源ユニット及び光検出ユニットを安定してスライド移動させるためには、前記スライド駆動部は、前記ベース部材及び前記光検出ユニットの間に介在して設けられたリニアガイドを有し、前記光源ユニット及び前記光検出ユニットは、前記リニアガイドにより前記ベース部材に対して移動可能に支持されることが望ましい。
試料の吸光度を正確に測定するためには、前記サンプル測定位置にある前記光源ユニットの光軸上に前記配管の中心が位置するように位置決めする位置決め部をさらに備えることが望ましい。
異なるサイズの配管であっても確実に位置決めできるようにするためには、前記位置決め部は、前記配管の径に応じて交換可能に構成されていることが望ましい。
以上に述べた本発明によれば、サンプル測定とリファレンス測定とで光路長を同一に保つことを可能にするだけでなく、試料の屈折率の変化の影響を受けにくくして、測定精度を向上することができる。
本発明の一実施形態に係る光学分析装置のサンプル測定の状態を示す全体模式図である。 同実施形態に係る光学分析装置のリファレンス測定の状態を示す全体模式図である。 同実施形態の支持機構の詳細を示す断面図である。 同実施形態の焦点位置を示す断面図である。 同実施形態の位置決め部の詳細を示す平面図である。
以下、本発明の一実施形態に係る光学分析装置について、図面を参照しながら説明する。
＜１．装置構成＞
本実施形態の光学分析装置１００は、例えば半導体製造プロセス等に用いられる薬液等の成分濃度を測定するものである。ここで、薬液としては、ＳＣ−１（アンモニア過酸化水素水溶液）、ＳＣ−２（塩酸過酸化水素水溶液）、ＳＰＭ（硫酸過酸化水素水溶液）、ＦＰＭ（フッ酸過酸化水素水溶液）、ＢＨＦ（バッファードフッ酸溶液）等を挙げることができる。なお、光学分析装置１００により得られた濃度を用いて薬液の濃度等が制御される。
具体的に光学分析装置１００は、透光性を有する例えば円筒状の配管Ｈに着脱可能に取り付けられて、当該配管Ｈを流れる液体試料の成分濃度を分光分析法を用いて測定するものである。なお、配管Ｈは、耐薬品性に優れたフッ素系樹脂（ＰＦＡ）から形成されている。
そして、光学分析装置１００は、図１〜図３に示すように、光源ユニット２と、光源ユニット２の光を検出する光検出ユニット３と、光源ユニット２及び光検出ユニット３を移動可能に支持する支持機構４とを備えている。
光源ユニット２は、光源２１及び集光レンズ２２を備えている。また、光源２１及び集光レンズ２２の間には、光源２１の光を遮断するシャッタ機構２３が設けられている。
光源２１は、ＬＥＤである。このＬＥＤとしては、例えば近赤外領域の波長の光を発する近赤外ＬＥＤ、又は可視領域の波長の光を発する可視ＬＥＤであり、測定対象である液体試料の種類に応じて適宜選択されるものである。また、集光レンズ２２は、光源２１の光を集光して配管Ｈに照射するものである。
光検出ユニット３は、集光レンズ３１及び分光器３２を有している。
集光レンズ３１は、光源ユニット２の光を集光して分光器３２の入射スリット３２１Ｓに集光するものである。
分光器３２は、入射スリット３２Ｓから入射した光を分光して、その分光スペクトル（波長毎の光量）を検出するものである。この分光器３２により得られた分光スペクトルデータ（光強度信号）は、情報処理装置ＣＯＭの演算部に出力される。そして、情報処理装置ＣＯＭの演算部は、分光器３２により得られた分光スペクトルから、液体試料の吸光度スペクトルを算出し、この吸光度スペクトルを用いて液体試料に含まれる成分の濃度を算出する。
支持機構４は、光源ユニット２及び光検出ユニット３を、サンプル測定位置Ｓとリファレンス測定位置Ｒとの間で移動させるものである。
ここで、サンプル測定位置Ｓは、光源ユニット２及び光検出ユニット３の間に配管Ｈが位置しており、光源ユニット２の光を配管Ｈを介して光検出ユニット３に検出させる位置である。また、リファレンス測定位置Ｒは、光源ユニット２及び光検出ユニット３の間に配管Ｈが位置しておらず、光源ユニット２の光を配管Ｈを介さずに光検出ユニット３に検出させる位置である。本実施形態では、サンプル測定位置Ｓにおける光路長と、リファレンス測定位置Ｒにおける光路長とは同一である。
具体的に支持機構４は、光源ユニット２及び光検出ユニット３の相対位置を変化させることなく、サンプル測定位置Ｓとリファレンス測定位置Ｒとの間で移動させるものである。
本実施形態では、サンプル測定位置Ｓでの光源ユニット２及び光検出ユニット３の相対位置及びリファレンス測定位置Ｒでの光源ユニット２及び光検出ユニット３の相対位置を同じにするだけでなく、それらの位置を移動する間（Ｓ→Ｒ、Ｒ→Ｓ）においても、光源ユニット２及び光検出ユニット３の相対位置が同じとなるように構成されている。
そして、支持機構４は、装置本体側に固定して設けられたベース部材４１と、光源ユニット２及び光検出ユニット３を連結する連結部材４２と、ベース部材４１に設けられ、連結部材４２により連結された光源ユニット２及び光検出ユニット３を、ベース部材４１に対してスライド移動させるスライド駆動部４３とを備えている。
ベース部材４１は、平板状をなすものであり、配管Ｈが位置決めされるものであり、その端縁部に配管Ｈを取り囲むための切り欠き部４１Ｋが形成されている。
また、ベース部材４１には、リファレンス測定位置Ｒにある光源ユニット２及び光検出ユニット３の間に位置するリファレンス光学部材５が設けられている。このリファレンス光学部材５は、配管Ｈを通過した光が光検出ユニットの集光レンズ３１に集光された際の焦点位置と略同一となるように、光源ユニット２の光の焦点位置を変化させるものである。また、リファレンス光学部材５は、リファレンス測定において光検出ユニット３での検出光量を調整するものであってもよい。なお、リファレンス光学部材５を設けない構成としてもよい。
連結部材４２は、光源ユニット２の集光レンズ２２と光検出ユニット３の集光レンズ３１とが所定間隔を空けて対向するように、光源ユニット２及び光検出ユニット３を連結するものである。
本実施形態では、例えば平板状をなすものであり、連結部材４２の一端部が光源ユニット２における光源２１及び集光レンズ２２を保持する保持体２４に接続されている。また、連結部材４２の他端部が光検出ユニット３の分光器３２の筐体に接続されている。これにより、光源ユニット２から光検出ユニット３までの光路は直線となる。具体的に連結部材４２は、保持体２４及び分光器３２のリファレンス測定位置Ｒ側で接続されており、各ユニット２、３がサンプル測定位置Ｓに移動した際に、リファレンス光学素子５と干渉しないように例えば貫通孔等の光学部材避け部４２１が形成されている。これにより、支持機構４の移動方向における寸法を小型化することができる。
スライド駆動部４３は、ベース部材４１及び光検出ユニット３の間に介在して設けられたリニアガイド４３１と、当該リニアガイド４３１に沿って光検出ユニット３をスライド移動させるアクチュエータ４３２とを備えている。
リニアガイド４３１は、光源ユニット２及び光検出ユニット３を、それらがサンプル測定位置Ｓ及びリファレンス測定位置Ｒの間で直線移動するように支持する。リニアガイド４３１のスライダは、光検出ユニット３の分光器３２の筐体に接続されている。これにより、光源ユニット２及び光検出ユニット３は、リニアガイド４３１によりベース部材４１に対して移動可能に支持される。
アクチュエータ４３２は、例えばエアシリンダを用いて構成されている。その他、モータとモータの回転を直線移動に変換する例えばボールねじ機構等の回転−直線変換機構とを用いたものであってもよい。
サンプル測定位置Ｓにおいて光学ユニット２の集光レンズ２２は、図４に示すように、配管Ｈ内で光を集光している。つまり、円筒状をなす配管Ｈの外側面に入射する光の入射角度は、配管Ｈに平行光を照射する場合に比べて、その入射位置における外側面の接線とのなす角度が小さくなるようになる。
そして、本実施形態の光学分析装置１００は、特に図５に示すように、サンプル測定位置Ｓにある光源ユニット２の光軸上に配管Ｈの中心が位置するように位置決めする位置決め部６をさらに備えている。
この位置決め部６は、ベース部材４１に設けられている。具体的には、上述したベース部材４１の切り欠き部４１Ｋに接続されている。具体的に位置決め部６は、配管Ｈを収容する収容部６１と、当該収容部６１に収容された配管Ｈを固定する固定部６２とを有している。
収容部６１は、ここでは断面が概略Ｕ字形状をなすのであり、配管Ｈにおけるその軸方向に沿った一部を収容するものである。この収容部６１の内面における曲面部分６１ａは、配管Ｈの外側面に対応した曲率を有している。
本実施形態の収容部６１は、サンプル測定位置Ｓにある光源ユニット２及び光検出ユニット３の間に設けられており、収容部６１には、光源ユニット２からの光を配管Ｈに導くための光通過窓Ｗ１と、配管Ｈを通過した光を光検出ユニット３に導くための光通過窓Ｗ２とが形成されている。これら２つの光通過窓Ｗ１及びＷ２は、収容部６１の互いに対向する側壁に形成されている。この収容部６１は、配管Ｈの外側面が収容部６１の曲面部分６１ａに接触することによって、配管Ｈの中心軸が光路上に位置するように構成されている。
また、収容部６１は、ベース部材４１に対して例えばねじにより着脱可能に構成されている。これにより、配管Ｈの径に応じた収容部６１に交換することで、配管Ｈの径に関わらず、当該配管Ｈの中心軸を光路上に位置させるようにすることができる。
固定部６２は、収容部６１に取り付けられた状態で、配管Ｈを収容部６１に押圧するものである。固定部６２は、配管Ｈの外側面の一部に接触して、配管Ｈを収容部６１の曲面部分６１ａに押圧する。本実施形態の固定部６２は、収容部６１に着脱可能に取り付けられる構成としているが、収容部６１以外の部材に着脱可能に取り付けられることによって、配管Ｈを収容部６１に押圧するものであっても良い。
そして、本実施形態では、上記の各構成２〜１０は、図１等に示すように、ケーシング１１に収容されている。ケーシング１１は、配管Ｈを収容部６１に収容できるように収容部６１の開口部分を除いて上記の各構成２〜６を収容している。また、当該ケーシング１１に前記支持機構４のベース部材４１が固定される。このケーシング１１は、図示しないブラケットを介して配管Ｈの周辺部材に固定される。なお、ケーシング１１は、信号ケーブルにより情報処理部ＣＯＭと接続されている。
＜２．光学分析装置１００を用いた分析方法＞
次に、本実施形態の光学分析装置１００を用いた分析方法について説明する。
まず光学分析装置１００を配管Ｈの近傍に設置する。そして、光学分析装置１００の収容部６１に配管Ｈを収容して固定部６２を取り付ける。これにより、配管Ｈが光学分析装置１００に位置決めされる。
この状態において光学分析装置１００は、リファレンス測定（図２参照）及びサンプル測定（図１参照）を行う。リファレンス測定では、情報処理装置ＣＯＭの制御部により光学ユニット２及び光検出ユニット３がリファレンス測定位置Ｒとなるように支持機構４のスライド駆動部４３が制御され、光源ユニット２の光はリファレンス光学素子５を通り光検出ユニット３に検出される（図２参照）。一方、サンプル測定では、情報処理装置ＣＯＭの制御部により光学ユニット２及び光検出ユニット３がリファレンス測定位置Ｒとなるように支持機構４のスライド駆動部４３が制御され、光源ユニット２の光は配管Ｈを通り光検出ユニット３に検出される（図１参照）。
その他、光源ユニット２に設けられたシャッタ機構２３が情報処理装置ＣＯＭの制御部により制御されることにより、光源ユニット２の光源２１の光が遮断されて、無光状態での光検出ユニット３の検出信号を取得するダーク測定が行われる。ダーク測定により得られた検出信号は、リファレンス測定及びサンプル測定により得られた光検出ユニット３の検出信号を補正するのに用いられる。
＜３．本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態の光学分析装置１００によれば、光源２１及び集光レンズ２２を有する光源ユニット２と光源ユニット２の光を検出する光検出ユニット３とをサンプル測定位置Ｓ及びリファレンス測定位置Ｒの間で移動させるように構成しているので、従来のように一対の反射ミラーを移動させる構成に比べて、光路長の変化を低減することができる。また、光源ユニット２の集光レンズ２２により、サンプル測定位置Ｓにおいて、光源２１の光を配管Ｈの内部で集光させているので、液体試料の温度変化や濃度変化により液体試料の屈折率が変化しても、配管Ｈ及び液体試料を通過する際に生じる屈折の変化を小さくすることができる。その結果、サンプル測定とリファレンス測定とで光路長を同一に保つことを可能にするだけでなく、液体試料の屈折率の変化の影響を受けにくくして、測定精度を向上することができる。
＜４．その他の変形実施形態＞
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、支持機構４のリニアガイド４３が光検出ユニット３側のみに設けられていたが、光検出ユニット３及び光源ユニット２の両方に設けても良い。また、支持機構４のリニアガイド４３を光源ユニット２側のみに設けても良い。
また、前記実施形態の支持機構４では、光源ユニット３及び光検出ユニット４を連結部材４２により連結してそれらが同じスライド駆動部４３により移動する構成であったが、光源ユニット２及び光検出ユニット３それぞれにスライド駆動部４３を設けて、光源ユニット２及び光検出ユニット３が独立して移動するように構成しても良い。
さらに、前記実施形態の支持機構４は、サンプル測定位置Ｓ及びリファレンス測定位置Ｒだけでなく、その移動途中においても、光源ユニット２及び光検出ユニット３の相対位置を変化させることなく移動させるものであったが、サンプル測定位置Ｓ及びリファレンス測定位置Ｒにおけるそれらの相対位置が同じであれば、移動途中においてはそれらの相対位置が変化するものであっても良い。
前記実施形態では、薬液等の液体試料を分析するものについて説明したが、ガス試料を分析するものであっても良い。
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や組み合わせを行っても構わない。
１００・・・光学分析装置
Ｈ ・・・配管
２ ・・・光源ユニット
２１ ・・・光源
２２ ・・・集光レンズ
３ ・・・光検出ユニット
４ ・・・支持機構
Ｓ ・・・サンプル測定位置
Ｒ ・・・リファレンス測定位置
４１ ・・・ベース部材
４２ ・・・連結部材
４３ ・・・スライド駆動部
４３１・・・リニアガイド
６ ・・・位置決め部

Claims (7)

  1. 透光性を有する配管を流れる試料を分析する光学分析装置であって、
    光源及び集光レンズを有する光源ユニットと、
    前記光源ユニットの光を検出する光検出ユニットと、
    前記光源ユニット及び前記光検出ユニットを移動可能に支持する支持機構とを備え、
    前記支持機構は、前記光源ユニット及び前記光検出ユニットを、前記光源ユニットの光を前記配管を介して前記光検出ユニットに検出させるサンプル測定位置と、前記光源ユニットの光を前記配管を介さずに前記光検出ユニットに検出させるリファレンス測定位置との間で移動させるものである、光学分析装置。
  2. 前記光源ユニットの集光レンズは、前記サンプル測定位置において、前記光源の光を前記配管の内部で集光させるものである、請求項１記載の光学分析装置。
  3. 前記支持機構は、前記光源ユニット及び前記光検出ユニットの相対位置を変化させることなく、前記サンプル測定位置と前記リファレンス測定位置との間で移動させるものである、請求項１又は２記載の光学分析装置。
  4. 前記支持機構は、
    固定して設けられたベース部材と、
    前記光源ユニット及び前記光検出ユニットを連結する連結部材と、
    前記ベース部材に設けられ、前記連結部材により連結された前記光源ユニット及び前記光検出ユニットを、前記ベース部材に対してスライド移動させるスライド駆動部とを備える、請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学分析装置。
  5. 前記スライド駆動部は、前記ベース部材及び前記光検出ユニットの間に介在して設けられたリニアガイドを有しており、
    前記光源ユニット及び前記光検出ユニットは、前記リニアガイドにより前記ベース部材に対して移動可能に支持される、請求項４記載の光学分析装置。
  6. 前記サンプル測定位置にある前記光源ユニットの光軸上に前記配管の中心が位置するように位置決めする位置決め部をさらに備える、請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学分析装置。
  7. 前記位置決め部は、前記配管の径に応じて交換可能に構成されている、請求項６記載の光学分析装置。
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