JP3059262B2 - ガス中の微量水分分析装置 - Google Patents
ガス中の微量水分分析装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はガス中の微量な水分を分
析する装置に関し、詳しくは室温で波長１．３〜１．５
５μｍ帯で発振する波長可変半導体レーザーを用いた微
量水分分析装置に関する。
析する装置に関し、詳しくは室温で波長１．３〜１．５
５μｍ帯で発振する波長可変半導体レーザーを用いた微
量水分分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体産業等では、超高純度のガスが用
いられるが、近年、ＩＣ、ＬＳＩ、ＶＬＳＩと急速な高
集積化が進むにつれて、これら半導体の製造工程で使用
されるガスの超高純度化に対する要求がますます厳しく
なってきている。水分は大気中にも数％まで含まれうる
ものであって、これらのガスの不純物としてはきわめて
一般的なものである。そして、集積度の高い半導体の製
造プロセスでは、極く微量の水分でも有害であるとされ
ているので、水分の管理は工程管理項目のなかでも重要
なものである。
いられるが、近年、ＩＣ、ＬＳＩ、ＶＬＳＩと急速な高
集積化が進むにつれて、これら半導体の製造工程で使用
されるガスの超高純度化に対する要求がますます厳しく
なってきている。水分は大気中にも数％まで含まれうる
ものであって、これらのガスの不純物としてはきわめて
一般的なものである。そして、集積度の高い半導体の製
造プロセスでは、極く微量の水分でも有害であるとされ
ているので、水分の管理は工程管理項目のなかでも重要
なものである。
【０００３】ガス中の微量水分の分析には従来、水の相
転移や化学反応を用いた間接的な分析方法が行われてい
る。例えば試料を露点以下に冷却して、固体表面に液
滴化した水分の光錯乱を計測する露点法、水晶振動子
上の薄膜に吸収された水の重量を、振動子の振動数の変
化として計測する水晶振動子法、アルミナ・コンデン
サーなどに水分を吸着させてその電気容量の変化を計測
する静電容量法、五酸化リンに吸収された水分による
電解電流を計測する五酸化リン電解法、電界でイオン
化した水分子を磁場中で質量を計測する質量分析法など
があげられる。
転移や化学反応を用いた間接的な分析方法が行われてい
る。例えば試料を露点以下に冷却して、固体表面に液
滴化した水分の光錯乱を計測する露点法、水晶振動子
上の薄膜に吸収された水の重量を、振動子の振動数の変
化として計測する水晶振動子法、アルミナ・コンデン
サーなどに水分を吸着させてその電気容量の変化を計測
する静電容量法、五酸化リンに吸収された水分による
電解電流を計測する五酸化リン電解法、電界でイオン
化した水分子を磁場中で質量を計測する質量分析法など
があげられる。
【０００４】しかしながら、これらの方法は、センサー
部分を直接、被測定ガスに接触させるので、装置に腐食
等が起こる恐れがあり、測定できるガスが制限されてい
た。
部分を直接、被測定ガスに接触させるので、装置に腐食
等が起こる恐れがあり、測定できるガスが制限されてい
た。
【０００５】そこで、特公昭６３−４２８６５号公報な
どにＰｂＳｎＴｅやＰｂＳＳｎなどの鉛塩半導体レーザ
ーを光源とした吸収分光法が提案されている。この方法
は、分子の基本振動モードを直接計測するもので、本質
的には検出感度が高いものである。
どにＰｂＳｎＴｅやＰｂＳＳｎなどの鉛塩半導体レーザ
ーを光源とした吸収分光法が提案されている。この方法
は、分子の基本振動モードを直接計測するもので、本質
的には検出感度が高いものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、鉛塩半
導体レーザーは発振波長が３〜３０μｍと長いので、室
温では熱雑音の影響でエネルギーレベルの揺らぎが大き
い。そのため、正常に作動させるためには通常−２００
℃以下という低温にする必要があり、光源と検出器を液
体ヘリウムによる冷却装置に収容するなどしなければな
らない。そのためヘリウムコンプレッサや真空断熱など
の設備を必要とし、装置が大型で複雑なものとなる。さ
らに、ヘリウムコンプレッサを用いるので数ヘルツの振
動ノイズの発生が避けられず、これによる悪影響を排除
するための措置が必要である。また、鉛塩半導体レーザ
ーの発振は、一般に多モードであるため、モノクロメー
ターなどで波長を選択させる必要があり、出力の低下と
光学系の複雑化を招く。このように付帯設備が多く、大
がかりで複雑な装置になるので、この方法を用いて分析
を行う場合には、その場で計測することができず、被分
析試料をサンプリングして、得られたサンプルを搬送す
る必要がある。このため測定を行うのに手間と時間がか
かるという不都合があった。
導体レーザーは発振波長が３〜３０μｍと長いので、室
温では熱雑音の影響でエネルギーレベルの揺らぎが大き
い。そのため、正常に作動させるためには通常−２００
℃以下という低温にする必要があり、光源と検出器を液
体ヘリウムによる冷却装置に収容するなどしなければな
らない。そのためヘリウムコンプレッサや真空断熱など
の設備を必要とし、装置が大型で複雑なものとなる。さ
らに、ヘリウムコンプレッサを用いるので数ヘルツの振
動ノイズの発生が避けられず、これによる悪影響を排除
するための措置が必要である。また、鉛塩半導体レーザ
ーの発振は、一般に多モードであるため、モノクロメー
ターなどで波長を選択させる必要があり、出力の低下と
光学系の複雑化を招く。このように付帯設備が多く、大
がかりで複雑な装置になるので、この方法を用いて分析
を行う場合には、その場で計測することができず、被分
析試料をサンプリングして、得られたサンプルを搬送す
る必要がある。このため測定を行うのに手間と時間がか
かるという不都合があった。
【０００７】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、前記不都合がなく、しかもガス中微量な水分を適時
に測定できる装置を提供することを目的とする。
で、前記不都合がなく、しかもガス中微量な水分を適時
に測定できる装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザー
を用いた微量水分分析装置は室温で波長１．３〜１．５
５μｍ帯で発振する波長可変なＤＦＢ半導体レーザーま
たはＤＢＲ半導体レーザーと、ここから発振されたレー
ザー光を分岐して測定用ガスセルに導き、しかるのち測
定用光検出器に送り込む測定ラインと、上記レーザー光
を分岐してリファレンス用セルに導き、しかるのちリフ
ァレンス用光検出器に送り込み、このリファレンス用光
検出器からの信号に基づき水の吸収ピーク位置の確認ま
たは水の最大吸収波長と無吸収波長の選定を行うリファ
レンスラインと、上記レーザー光を分岐してパワーモニ
ター用光検出器に送り込むパワーモニターラインを具備
し、上記各検出器として室温で１．３〜１．５５μｍ帯
に感度を有するＧｅまたはＩｎＧａＡｓ固体素子光検出
器を用い、上記リファレンスラインから得られる情報を
参照し、上記測定用光検出器からの信号に基づいて測定
ガス中の水分量を算出することを特徴としている。
を用いた微量水分分析装置は室温で波長１．３〜１．５
５μｍ帯で発振する波長可変なＤＦＢ半導体レーザーま
たはＤＢＲ半導体レーザーと、ここから発振されたレー
ザー光を分岐して測定用ガスセルに導き、しかるのち測
定用光検出器に送り込む測定ラインと、上記レーザー光
を分岐してリファレンス用セルに導き、しかるのちリフ
ァレンス用光検出器に送り込み、このリファレンス用光
検出器からの信号に基づき水の吸収ピーク位置の確認ま
たは水の最大吸収波長と無吸収波長の選定を行うリファ
レンスラインと、上記レーザー光を分岐してパワーモニ
ター用光検出器に送り込むパワーモニターラインを具備
し、上記各検出器として室温で１．３〜１．５５μｍ帯
に感度を有するＧｅまたはＩｎＧａＡｓ固体素子光検出
器を用い、上記リファレンスラインから得られる情報を
参照し、上記測定用光検出器からの信号に基づいて測定
ガス中の水分量を算出することを特徴としている。
【０００９】
【作用】水は、１．３８μｍ帯に強い吸収があるので、
室温で波長１．３〜１．５５μｍ帯で発振する波長可変
半導体レーザーと、前記波長に感度を有する光検出器を
用いることによって、室温でガス中の水分を分析するこ
とができる。この場合、前記波長を発する半導体レーザ
ーは、従来のものより波長が短かいので熱雑音を受けに
くく、冷却せずに室温のままで分析可能なので小型で簡
単な構造となる。また、発振が単モードなので波長の選
択が不要であり、光学系が簡単になるのでその場計測が
可能である。また、測定方法としては二波長差分法、あ
るいは周波数変調法などの吸収分光法を用いることがで
き、高感度および高精度に微量の水分を検出することが
できる。
室温で波長１．３〜１．５５μｍ帯で発振する波長可変
半導体レーザーと、前記波長に感度を有する光検出器を
用いることによって、室温でガス中の水分を分析するこ
とができる。この場合、前記波長を発する半導体レーザ
ーは、従来のものより波長が短かいので熱雑音を受けに
くく、冷却せずに室温のままで分析可能なので小型で簡
単な構造となる。また、発振が単モードなので波長の選
択が不要であり、光学系が簡単になるのでその場計測が
可能である。また、測定方法としては二波長差分法、あ
るいは周波数変調法などの吸収分光法を用いることがで
き、高感度および高精度に微量の水分を検出することが
できる。
【００１０】
【実施例】以下、本発明を詳しく説明する。図１に本発
明の水分分析装置の一実施例を示す。この水分分析装置
は測定部（Ｉ）、光学系部（II）および制御演算部（II
I)から概略構成されている。図１中、実線は電気信号、
破線はレーザー光を示す。
明の水分分析装置の一実施例を示す。この水分分析装置
は測定部（Ｉ）、光学系部（II）および制御演算部（II
I)から概略構成されている。図１中、実線は電気信号、
破線はレーザー光を示す。
【００１１】測定部（Ｉ）は、測定ガスを導入する測定
用ガスセル１からなり、この測定用ガスセル１としては
多重光路セルが好適に用いられ、電解研磨を施したステ
ンレス鋼や極高真空用アルミニウムならびにその合金な
ど、その表面における水分の吸着が少ない材料で好まし
く形成される。また、この測定用ガスセル１の外部には
ヒーター２が設けられ、ガスセル１は水分の吸着を防ぐ
ために１２０℃以上で連続的に加熱されている。また、
この測定用ガスセル１には、レーザー光を入射および出
射するための窓３，３がそれぞれ設けられている。この
窓材としては一般の可視域用光学ガラスが好適に用いら
れる。一般にレーザー光を用いた測定に用いられる測定
用ガスセルの窓材としては、赤外線透過性に優れたＫＢ
ｒやＮａＣｌなどを用いることができるが、これらは潮
解性が強いためガスセルの設置場所が制約される。本発
明の水分分析装置に用いられる波長帯は近赤外線であ
り、測定は大気中の湿度と室温という環境下で行われる
ので、これらの条件下で取り扱いが容易で安価な可視域
用光学ガラスを窓材に好適に用いることにより、測定用
ガスセル１の設置場所の制約を緩和することができる。
場合によっては、赤外吸収がない無水石英ガラスやサフ
ァイヤなどを、適宜使用することもできる。
用ガスセル１からなり、この測定用ガスセル１としては
多重光路セルが好適に用いられ、電解研磨を施したステ
ンレス鋼や極高真空用アルミニウムならびにその合金な
ど、その表面における水分の吸着が少ない材料で好まし
く形成される。また、この測定用ガスセル１の外部には
ヒーター２が設けられ、ガスセル１は水分の吸着を防ぐ
ために１２０℃以上で連続的に加熱されている。また、
この測定用ガスセル１には、レーザー光を入射および出
射するための窓３，３がそれぞれ設けられている。この
窓材としては一般の可視域用光学ガラスが好適に用いら
れる。一般にレーザー光を用いた測定に用いられる測定
用ガスセルの窓材としては、赤外線透過性に優れたＫＢ
ｒやＮａＣｌなどを用いることができるが、これらは潮
解性が強いためガスセルの設置場所が制約される。本発
明の水分分析装置に用いられる波長帯は近赤外線であ
り、測定は大気中の湿度と室温という環境下で行われる
ので、これらの条件下で取り扱いが容易で安価な可視域
用光学ガラスを窓材に好適に用いることにより、測定用
ガスセル１の設置場所の制約を緩和することができる。
場合によっては、赤外吸収がない無水石英ガラスやサフ
ァイヤなどを、適宜使用することもできる。
【００１２】光学系部（II）はチャンバー１８内に収容
される半導体レーザー４（ＬＤ）、パワーモニター用光
検出器Ｐ、リファレンス用セル１５、リファレンス用光
検出器Ｒ、および測定用光検出器Ｍから概略構成されて
いる。そしてこのチャンバー１８内は乾燥窒素などのガ
スでパージされている。半導体レーザー４は室温で発振
波長１．３〜１．５５μｍで作動する波長可変半導体レ
ーザーであり、ＩｎＧａＡｓＰ系のＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒ
ｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋ）半導体レーザーを好適
に用いることができる。ＤＦＢ半導体レーザーは回折格
子が電流注入領域内にあり、また単一モード発振である
ためモノクロメーターなどの分光器を必要としないので
光量の損失も小さく、これを用いることにより装置も小
型化できる。あるいは、同様に単一発振モードであり、
回折格子が電流注入域外にあるＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂ
ｕｔｅｄ ＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）半導体レー
ザーを用いることもできる。この半導体レーザー４は、
測温用のサーミスターを埋め込んだ銅ブロックにマウン
トされ、ペルチエ素子５で安定度０．０１℃に温度制御
されている。パワーモニター用光検出器Ｐ、リファレン
ス用光検出器Ｒ、および測定用光検出器Ｍはいずれも室
温で作動し、１．３〜１．５５μｍに感度を有する光検
出器であって、例えばＧｅやＩｎＧａＡｓなどで構成さ
れる固体素子光検出器を好適に用いることができる。リ
ファレンス用セル１５は石英セルが好適に用いられ、こ
れを純水分に調整することによって、水分分析の参照と
される。
される半導体レーザー４（ＬＤ）、パワーモニター用光
検出器Ｐ、リファレンス用セル１５、リファレンス用光
検出器Ｒ、および測定用光検出器Ｍから概略構成されて
いる。そしてこのチャンバー１８内は乾燥窒素などのガ
スでパージされている。半導体レーザー４は室温で発振
波長１．３〜１．５５μｍで作動する波長可変半導体レ
ーザーであり、ＩｎＧａＡｓＰ系のＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒ
ｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋ）半導体レーザーを好適
に用いることができる。ＤＦＢ半導体レーザーは回折格
子が電流注入領域内にあり、また単一モード発振である
ためモノクロメーターなどの分光器を必要としないので
光量の損失も小さく、これを用いることにより装置も小
型化できる。あるいは、同様に単一発振モードであり、
回折格子が電流注入域外にあるＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂ
ｕｔｅｄ ＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）半導体レー
ザーを用いることもできる。この半導体レーザー４は、
測温用のサーミスターを埋め込んだ銅ブロックにマウン
トされ、ペルチエ素子５で安定度０．０１℃に温度制御
されている。パワーモニター用光検出器Ｐ、リファレン
ス用光検出器Ｒ、および測定用光検出器Ｍはいずれも室
温で作動し、１．３〜１．５５μｍに感度を有する光検
出器であって、例えばＧｅやＩｎＧａＡｓなどで構成さ
れる固体素子光検出器を好適に用いることができる。リ
ファレンス用セル１５は石英セルが好適に用いられ、こ
れを純水分に調整することによって、水分分析の参照と
される。
【００１３】半導体レーザー４から発振されたレーザー
光は、平面ミラー（図示せず）で一度折り返されて近軸
光源に近づけられ、続いてコリメーター６で平行光とさ
れる。このコリメーター６としては、戻り雑音を避ける
ために、凹面鏡、放物面鏡、楕円鏡などを用いることが
でき、収差を考慮に入れると放物面鏡、楕円鏡が好まし
い。平行光とされたレーザー光は焦点レンズが異なるレ
ンズ７，７でビーム径が調整されるとともに、絞り８が
焦点位置に設けられて、これにより戻り光や迷光が除去
される。径が調整されたレーザー光は、ビームスプリッ
ター９によって分岐され、一方は波長計１０に導かれ、
ここで半導体レーザー４の発振波長が常時モニターされ
る。また他方はチョッパー１１で振幅変調を受けた後、
表側が誘電体多層膜で裏側に反射防止膜が施されたウエ
ッジ付きビームスプリッタ１２，１２によって、パワー
モニターライン１３、リファレンスライン１４および測
定ライン１６の３ラインに分岐される。パワーモニター
ライン１３に分岐されたレーザー光はレンズで集光され
てパワーモニター用光検出器Ｐへ導かれて電気信号とな
る。リファレンスライン１４に分岐されたレーザー光は
リファレンス用セル１５を通り、レンズで集光されてリ
ファレンス用光検出器Ｒへ導かれて電気信号となる。測
定ライン１６に分岐されたレーザー光はミラー１７を用
いるなどして測定用ガスセル１に入射され、これを通っ
て測定用光検出器Ｍへ導かれて電気信号となる。これら
の光学系部（II）は、光ファイバを用いて構成すること
もでき、単一の基板上に構成するなど、さらに装置を小
型化することもできる。
光は、平面ミラー（図示せず）で一度折り返されて近軸
光源に近づけられ、続いてコリメーター６で平行光とさ
れる。このコリメーター６としては、戻り雑音を避ける
ために、凹面鏡、放物面鏡、楕円鏡などを用いることが
でき、収差を考慮に入れると放物面鏡、楕円鏡が好まし
い。平行光とされたレーザー光は焦点レンズが異なるレ
ンズ７，７でビーム径が調整されるとともに、絞り８が
焦点位置に設けられて、これにより戻り光や迷光が除去
される。径が調整されたレーザー光は、ビームスプリッ
ター９によって分岐され、一方は波長計１０に導かれ、
ここで半導体レーザー４の発振波長が常時モニターされ
る。また他方はチョッパー１１で振幅変調を受けた後、
表側が誘電体多層膜で裏側に反射防止膜が施されたウエ
ッジ付きビームスプリッタ１２，１２によって、パワー
モニターライン１３、リファレンスライン１４および測
定ライン１６の３ラインに分岐される。パワーモニター
ライン１３に分岐されたレーザー光はレンズで集光され
てパワーモニター用光検出器Ｐへ導かれて電気信号とな
る。リファレンスライン１４に分岐されたレーザー光は
リファレンス用セル１５を通り、レンズで集光されてリ
ファレンス用光検出器Ｒへ導かれて電気信号となる。測
定ライン１６に分岐されたレーザー光はミラー１７を用
いるなどして測定用ガスセル１に入射され、これを通っ
て測定用光検出器Ｍへ導かれて電気信号となる。これら
の光学系部（II）は、光ファイバを用いて構成すること
もでき、単一の基板上に構成するなど、さらに装置を小
型化することもできる。
【００１４】制御演算部（III）は、パワーモニター用
光検出器Ｐ、リファレンス用光検出器Ｒ、および測定用
光検出器Ｍからの電気信号をロックイン増幅器１９で増
幅し、これらの増幅信号および波長計からの信号をコン
ピューターシステム２０で演算処理し、ＬＤ電流調整器
２１に波長設定信号を送ることによってこれを制御する
とともに、ペルチエ温度調整器２２を制御するように構
成されている。また、コンピューターシステム２０には
ディスプレー２３、およびキーボード２４が接続されて
いる。
光検出器Ｐ、リファレンス用光検出器Ｒ、および測定用
光検出器Ｍからの電気信号をロックイン増幅器１９で増
幅し、これらの増幅信号および波長計からの信号をコン
ピューターシステム２０で演算処理し、ＬＤ電流調整器
２１に波長設定信号を送ることによってこれを制御する
とともに、ペルチエ温度調整器２２を制御するように構
成されている。また、コンピューターシステム２０には
ディスプレー２３、およびキーボード２４が接続されて
いる。
【００１５】この水分分析装置を用いてガス中の水分を
分析する際には、まずサンプルガスを測定用ガスセル１
に導入し、半導体レーザー４からレーザー光を発振させ
る。パワーモニター用光検出器Ｐからの出力を基準と
し、これとリファレンス用光検出器Ｒあるいは測定用光
検出器Ｍで得られる出力との比較により、リファレンス
用セル１５および測定用ガスセル１を透過したレーザー
光の相対強度が得られる。そして水分の測定方法として
は、共鳴波長と、非共鳴波長の透過率の差より、ガス中
の水分濃度を求める二波長差分吸収法を用いることがで
きる。このとき、リファレンス用光検出器Ｒから得られ
る値により水の吸収ピーク位置の確認や最大吸収波長と
無吸収波長の固定を行うことができる。
分析する際には、まずサンプルガスを測定用ガスセル１
に導入し、半導体レーザー４からレーザー光を発振させ
る。パワーモニター用光検出器Ｐからの出力を基準と
し、これとリファレンス用光検出器Ｒあるいは測定用光
検出器Ｍで得られる出力との比較により、リファレンス
用セル１５および測定用ガスセル１を透過したレーザー
光の相対強度が得られる。そして水分の測定方法として
は、共鳴波長と、非共鳴波長の透過率の差より、ガス中
の水分濃度を求める二波長差分吸収法を用いることがで
きる。このとき、リファレンス用光検出器Ｒから得られ
る値により水の吸収ピーク位置の確認や最大吸収波長と
無吸収波長の固定を行うことができる。
【００１６】あるいは、チョッパー１１の位置をウエッ
ジ付きビームスプリッタ１２で分岐された後のパワーモ
ニターライン１３上に変えることにより、波長設定信号
にサイン波を重畳させる周波数変調法を用いて水分を測
定することができる。周波数変調法は、周波数ν’をν
＝ν’＋ａ・ｓｉｎ（ωｔ）によりνに変調して、濃度
（Ｎ）、吸収係数（σ）、光路長（ｌ）の積（Ｎ・σ・
ｌ）に比例する量を直接検出することができる。この方
法は感度に優れ、ｐｐｂレベルの低濃度の水分も測定可
能である。このとき、リファレンス用光検出器Ｒから得
られる値により水の吸収ピーク位置を確認するととも
に、吸収ピークに波長を一致させることができる。
ジ付きビームスプリッタ１２で分岐された後のパワーモ
ニターライン１３上に変えることにより、波長設定信号
にサイン波を重畳させる周波数変調法を用いて水分を測
定することができる。周波数変調法は、周波数ν’をν
＝ν’＋ａ・ｓｉｎ（ωｔ）によりνに変調して、濃度
（Ｎ）、吸収係数（σ）、光路長（ｌ）の積（Ｎ・σ・
ｌ）に比例する量を直接検出することができる。この方
法は感度に優れ、ｐｐｂレベルの低濃度の水分も測定可
能である。このとき、リファレンス用光検出器Ｒから得
られる値により水の吸収ピーク位置を確認するととも
に、吸収ピークに波長を一致させることができる。
【００１７】（参考例） 図１の装置を用いて水の吸収スペクトルおよび水分含有
窒素ガスの吸収スペクトルを測定した。測定用ガスセル
１としては、鏡間距離 ８０cm、最大光路長１００ｍの
多重光路セルを用い、この中には水分を約３０ｐｐｍ含
む全圧１気圧の窒素ガスを導入した。また、リファレン
ス用セル１５としては、光路長 １０ｃｍ、全圧５Ｔｏ
ｒｒの純水分に調整されている石英セルを用いた。半導
体レーザー４への注入電流を変化させることによってレ
ーザー発振波長をスキャンさせ、水の吸収スペクトルお
よび水分含有窒素ガスの吸収スペクトルを測定した。そ
の結果を図２（ａ）および（ｂ）に示す。図２中縦軸
は、（ａ）はリファレンス用光検出器Ｒの出力をパワー
モニター用光検出器Ｐの出力で除した値を示し、（ｂ）
は測定用光検出器Ｍの出力をパワーモニター用光検出器
Ｐの出力で除した値を示す。また、横軸はいずれも、上
横軸が半導体レーザー４への注入電流を示し、下横軸が
その注入電流に対応する発振波長を示す。図２より、図
２（ａ）で得られた水分の吸収スペクトルに比較して、
（ｂ）で得られた測定ガスの吸収スペクトルは全圧が１
気圧と高いために吸収ピークの形がブロードになってい
るが、吸収ピークの最低値が得られる波長はよく一致し
ていることが認められた。この結果より、この装置を用
いてガス中の水分を検出できることが認められた。
窒素ガスの吸収スペクトルを測定した。測定用ガスセル
１としては、鏡間距離 ８０cm、最大光路長１００ｍの
多重光路セルを用い、この中には水分を約３０ｐｐｍ含
む全圧１気圧の窒素ガスを導入した。また、リファレン
ス用セル１５としては、光路長 １０ｃｍ、全圧５Ｔｏ
ｒｒの純水分に調整されている石英セルを用いた。半導
体レーザー４への注入電流を変化させることによってレ
ーザー発振波長をスキャンさせ、水の吸収スペクトルお
よび水分含有窒素ガスの吸収スペクトルを測定した。そ
の結果を図２（ａ）および（ｂ）に示す。図２中縦軸
は、（ａ）はリファレンス用光検出器Ｒの出力をパワー
モニター用光検出器Ｐの出力で除した値を示し、（ｂ）
は測定用光検出器Ｍの出力をパワーモニター用光検出器
Ｐの出力で除した値を示す。また、横軸はいずれも、上
横軸が半導体レーザー４への注入電流を示し、下横軸が
その注入電流に対応する発振波長を示す。図２より、図
２（ａ）で得られた水分の吸収スペクトルに比較して、
（ｂ）で得られた測定ガスの吸収スペクトルは全圧が１
気圧と高いために吸収ピークの形がブロードになってい
るが、吸収ピークの最低値が得られる波長はよく一致し
ていることが認められた。この結果より、この装置を用
いてガス中の水分を検出できることが認められた。
【００１８】（実施例） 図１の装置を用いて濃度既知のサンプルガスについて、
水分分析を行った。まず、水晶発振式水分計を用いて、
水分をそれぞれ２０ｐｐｍ、および４０ｐｐｍ含有する
１気圧の窒素ガスを調製し、上記参考例と同様にしてサ
ンプルガスの吸収スペクトルを測定した。その結果を図
３に示す。図３中、実線は２０ｐｐｍ水分含有窒素ガ
ス、破線は４０ｐｐｍ水分含有窒素ガスの吸収スペクト
ルをそれぞれ示す。尚、座標軸は上記参考例と同様であ
る。また、図３で得られた水分濃度と吸収ピーク強度と
の関係より、図４に示すような検量線が得られた。この
検量線を用いて、二波長差分吸収法により濃度未知のサ
ンプル中の水分を測定することができることが認められ
た。
水分分析を行った。まず、水晶発振式水分計を用いて、
水分をそれぞれ２０ｐｐｍ、および４０ｐｐｍ含有する
１気圧の窒素ガスを調製し、上記参考例と同様にしてサ
ンプルガスの吸収スペクトルを測定した。その結果を図
３に示す。図３中、実線は２０ｐｐｍ水分含有窒素ガ
ス、破線は４０ｐｐｍ水分含有窒素ガスの吸収スペクト
ルをそれぞれ示す。尚、座標軸は上記参考例と同様であ
る。また、図３で得られた水分濃度と吸収ピーク強度と
の関係より、図４に示すような検量線が得られた。この
検量線を用いて、二波長差分吸収法により濃度未知のサ
ンプル中の水分を測定することができることが認められ
た。
【００１９】以上、本発明の一実施例として窒素ガス中
の水分分析について述べてきたが、本発明の水分分析装
置は測定ガスの主成分が窒素ガスである場合に限らず、
種々のガス成分が混合されていても同様に測定すること
ができる。一般に、アルゴン（Ａｒ）のような元素ガス
や、窒素（Ｎ2）のような二原子ガスなどは、赤外線の
吸収そのものが実質的にないので、本発明の装置におけ
る水の光吸収を妨げない。さらに、炭酸ガスのような化
合物であっても、本発明の装置で使用される波長の近傍
には吸収波長がない。あるいは近傍に吸収波長のあるガ
スであっても、レーザー光を使用するためそのスペクト
ルの幅が狭く、分離が容易である。また赤外線の吸収ス
ペクトルはバンド状に拡らず吸収ピークが極めて鋭く、
このピークが本発明の装置で得られるピークと重なるこ
とはない。したがって、本発明の装置は実質的にあらゆ
る種類のガス成分中の水分分析に適用することができ
る。
の水分分析について述べてきたが、本発明の水分分析装
置は測定ガスの主成分が窒素ガスである場合に限らず、
種々のガス成分が混合されていても同様に測定すること
ができる。一般に、アルゴン（Ａｒ）のような元素ガス
や、窒素（Ｎ2）のような二原子ガスなどは、赤外線の
吸収そのものが実質的にないので、本発明の装置におけ
る水の光吸収を妨げない。さらに、炭酸ガスのような化
合物であっても、本発明の装置で使用される波長の近傍
には吸収波長がない。あるいは近傍に吸収波長のあるガ
スであっても、レーザー光を使用するためそのスペクト
ルの幅が狭く、分離が容易である。また赤外線の吸収ス
ペクトルはバンド状に拡らず吸収ピークが極めて鋭く、
このピークが本発明の装置で得られるピークと重なるこ
とはない。したがって、本発明の装置は実質的にあらゆ
る種類のガス成分中の水分分析に適用することができ
る。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように本発明の微量水分分
析装置によれば、光源として用いられているＤＦＢ半導
体レーザーまたはＤＢＲ半導体レーザーは、室温で雑音
のないレーザー光を発振できるとともに、回析格子を内
蔵しているので内部で波長を分光でき、分光器を必要と
しないので光量の損失も小さく、装置を小型化できる。
また注入電流または温度によって、Ｈ2Ｏの吸収波長が
ある１．３８μｍ帯の波長領域を掃引できるものであ
る。一方光検出器も、室温で作動し１．３８μｍ帯に感
度を有するものである。したがって、レーザー光の波長
を１．３８μｍ付近で掃引させることにより、測定用光
検出器では測定ガス中の水分による吸収スペクトルが室
温で得られる。また本発明の微量水分分析装置は、測定
ラインの他に、リファレンスラインとパワーモニターラ
インとを備えているので、測定ラインで測定ガスによる
吸収スペクトルを得ると同時に、リファレンスラインで
はＨ2Ｏによる正確な吸収スペクトルが得られる。また
それと同時にパワーモニターラインでは、測定用ガスセ
ル以外の光路中に存在するガスによる吸収スペクトルが
得られる。したがって、測定ラインで得られた吸収スペ
クトルとリファレンスラインで得られた吸収スペクトル
とを比較することにより、測定ガスによる吸収スペクト
ルが正確にＨ2Ｏ吸収によるものであるかどうかを確認
することができる。また測定ラインで得られた吸収スペ
クトルから、パワーモニターラインで得られた測定用ガ
スセル以外の光路中のガスによる吸収スペクトルを差し
引くことにより、測定ガスによる吸収スペクトルを正確
に得ることができる。
析装置によれば、光源として用いられているＤＦＢ半導
体レーザーまたはＤＢＲ半導体レーザーは、室温で雑音
のないレーザー光を発振できるとともに、回析格子を内
蔵しているので内部で波長を分光でき、分光器を必要と
しないので光量の損失も小さく、装置を小型化できる。
また注入電流または温度によって、Ｈ2Ｏの吸収波長が
ある１．３８μｍ帯の波長領域を掃引できるものであ
る。一方光検出器も、室温で作動し１．３８μｍ帯に感
度を有するものである。したがって、レーザー光の波長
を１．３８μｍ付近で掃引させることにより、測定用光
検出器では測定ガス中の水分による吸収スペクトルが室
温で得られる。また本発明の微量水分分析装置は、測定
ラインの他に、リファレンスラインとパワーモニターラ
インとを備えているので、測定ラインで測定ガスによる
吸収スペクトルを得ると同時に、リファレンスラインで
はＨ2Ｏによる正確な吸収スペクトルが得られる。また
それと同時にパワーモニターラインでは、測定用ガスセ
ル以外の光路中に存在するガスによる吸収スペクトルが
得られる。したがって、測定ラインで得られた吸収スペ
クトルとリファレンスラインで得られた吸収スペクトル
とを比較することにより、測定ガスによる吸収スペクト
ルが正確にＨ2Ｏ吸収によるものであるかどうかを確認
することができる。また測定ラインで得られた吸収スペ
クトルから、パワーモニターラインで得られた測定用ガ
スセル以外の光路中のガスによる吸収スペクトルを差し
引くことにより、測定ガスによる吸収スペクトルを正確
に得ることができる。
【００２１】したがって、二波長差分吸収法、あるいは
周波数変調法などの吸収分光法を用いて、測定ガス中に
含まれるｐｐｂオーダーの微量な水分を、室温で、高感
度および高精度に測定することができる。また、サンプ
ルの物理化学的操作を必要としないので迅速かつ簡便に
測定でき、装置も小型のもので済むので、現場で測定を
行い、直ちに工程にフィードバックすることができる。
周波数変調法などの吸収分光法を用いて、測定ガス中に
含まれるｐｐｂオーダーの微量な水分を、室温で、高感
度および高精度に測定することができる。また、サンプ
ルの物理化学的操作を必要としないので迅速かつ簡便に
測定でき、装置も小型のもので済むので、現場で測定を
行い、直ちに工程にフィードバックすることができる。
【００２２】本発明の水分分析装置を半導体などの製造
工程で用いる際には、測定用ガスセルを配管に直接取り
付けることによって、サンプリング用に配管を分岐した
り、ガスをサンプリングして測定器へ搬送するなどの手
間を省き、簡便に高感度の測定を行うことができる。ま
た、感度を調整することによって、ｐｐｂオーダーから
％オーダーの水分まで精度よく測定することができる。
工程で用いる際には、測定用ガスセルを配管に直接取り
付けることによって、サンプリング用に配管を分岐した
り、ガスをサンプリングして測定器へ搬送するなどの手
間を省き、簡便に高感度の測定を行うことができる。ま
た、感度を調整することによって、ｐｐｂオーダーから
％オーダーの水分まで精度よく測定することができる。
【００２３】また、半導体産業その他の分野で使用され
る超高純度ガスから一般のガス中の水分の現場計測を含
む分析を行うことできるだけでなく、気象観測用のバル
ーンや衛星などに搭載可能な水分分析手段として利用可
能である。さらにその場で測定できるという利点から、
例えば、加熱過程における固体表面の温度と脱離水量を
連続的に測定することができ、固体表面の水分子の、物
理吸着水、化学吸着水、構造水の分類などの研究にも寄
与することができる。
る超高純度ガスから一般のガス中の水分の現場計測を含
む分析を行うことできるだけでなく、気象観測用のバル
ーンや衛星などに搭載可能な水分分析手段として利用可
能である。さらにその場で測定できるという利点から、
例えば、加熱過程における固体表面の温度と脱離水量を
連続的に測定することができ、固体表面の水分子の、物
理吸着水、化学吸着水、構造水の分類などの研究にも寄
与することができる。
【図１】本発明の水分分析装置の一実施例を示す概略構
成図である。
成図である。
【図２】図１の装置を用いて測定した（ａ）水の吸収ス
ペクトル、および（ｂ）水分含有窒素ガスの吸収スペク
トルの例である。
ペクトル、および（ｂ）水分含有窒素ガスの吸収スペク
トルの例である。
【図３】図１の装置を用いて測定した水分含有窒素ガス
の吸収スペクトルの例である。
の吸収スペクトルの例である。
【図４】水分濃度と吸収ピーク強度との関係を示す検量
線の例である。
線の例である。
１ 測定用ガスセル ４ 半導体レーザー １３ パワーモニターライン １４ リファレンスライン １５ リファレンス用セル １６ 測定ライン Ｐ パワーモニター用光検出器 Ｒ リファレンス用光検出器 Ｍ 測定用光検出器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 増崎 宏 神奈川県川崎市幸区塚越４−320 日本 酸素株式会社内 (56)参考文献 特開 昭64−73239（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−147568（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−262441（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−40537（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−129660（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭61−17797（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭60−29060（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭63−42865（ＪＰ，Ｂ２) 特表 平２−504676（ＪＰ，Ａ) 国際公開90／732（ＷＯ，Ａ１)
Claims (1)
- 【請求項１】 室温で波長１．３〜１．５５μｍ帯で発
振する波長可変なＤＦＢ半導体レーザーまたはＤＢＲ半
導体レーザーと、これ から発振されたレーザー光を分岐して、測定ガスが
導入されている測定用ガスセルに導き、しかるのち測定
用光検出器に送り込む測定ラインと、 上記レーザー光を分岐して、純水分が導入されているリ
ファレンス用セルに導き、しかるのちリファレンス用光
検出器に送り込み、このリファレンス用光検出器からの
信号に基づき水の吸収ピーク位置の確認または水の最大
吸収波長と無吸収波長の選定を行うリファレンスライン
と、 上記レーザー光を分岐してパワーモニター用光検出器に
送り込むパワーモニターラインを具備し、 上記各光検出器として室温で１．３〜１．５５μｍ帯に
感度を有するＧｅまたはＩｎＧａＡｓ固体素子光検出器
を用い、上記リファレンスラインから得られる情報を参照し、上
記測定用光検出器からの信号に基づいて測定ガス中の水
分量を算出すること を特徴とする半導体レーザーを用い
たガス中の微量水分分析装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26085991A JP3059262B2 (ja) | 1991-10-08 | 1991-10-08 | ガス中の微量水分分析装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26085991A JP3059262B2 (ja) | 1991-10-08 | 1991-10-08 | ガス中の微量水分分析装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0599845A JPH0599845A (ja) | 1993-04-23 |
| JP3059262B2 true JP3059262B2 (ja) | 2000-07-04 |
Family
ID=17353749
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26085991A Expired - Lifetime JP3059262B2 (ja) | 1991-10-08 | 1991-10-08 | ガス中の微量水分分析装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3059262B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06262623A (ja) * | 1993-03-15 | 1994-09-20 | Matsushita Electric Works Ltd | ラミネート材積層シートモールディングコンパウンドの製造方法 |
| JP3242209B2 (ja) * | 1993-06-04 | 2001-12-25 | 鶴見曹達株式会社 | ガス中の水分の定量方法 |
| KR100186272B1 (ko) * | 1994-03-25 | 1999-05-15 | 츠찌야 히로오 | 가스의 적외선 분광 분석방법 및 이것에 사용되는 장치 |
| JPH0868751A (ja) * | 1994-08-30 | 1996-03-12 | Sumitomo Metal Mining Co Ltd | 果実の糖度の非破壊測定方法 |
| JP3114959B2 (ja) * | 1994-09-29 | 2000-12-04 | 東京電力株式会社 | ガス濃度検出方法及びその装置 |
| JP3889817B2 (ja) * | 1994-12-02 | 2007-03-07 | 鶴見曹達株式会社 | ガス中の水分の定量方法及び試料容器 |
| EP0809284B8 (en) * | 1995-12-28 | 2007-06-13 | Taiyo Nippon Sanso Corporation | Method and system for transporting substrate wafers |
| KR100300140B1 (ko) | 1996-02-21 | 2001-10-27 | 후나키 토시유키 | 광전식스위치장치및스위칭방법 |
| JP3190260B2 (ja) * | 1996-07-29 | 2001-07-23 | 日本無線株式会社 | 光学吸収セル |
| JP3901265B2 (ja) * | 1996-11-26 | 2007-04-04 | 大陽日酸株式会社 | 薄板状基体の搬送方法及び搬送装置 |
| JPH10281988A (ja) * | 1997-04-09 | 1998-10-23 | Nippon Sanso Kk | ガス分析方法及びガス分析装置 |
| TW460942B (en) | 1999-08-31 | 2001-10-21 | Mitsubishi Material Silicon | CVD device, purging method, method for determining maintenance time for a semiconductor making device, moisture content monitoring device, and semiconductor making device with such moisture content monitoring device |
| JP3495965B2 (ja) * | 2000-02-28 | 2004-02-09 | 三菱住友シリコン株式会社 | 水分モニタリング装置およびこれを備えた半導体製造装置 |
| TW476996B (en) | 2000-02-28 | 2002-02-21 | Mitsubishi Material Silicon | Semiconductor manufacturing method and semiconductor manufacturing apparatus |
| JP2001235421A (ja) * | 2000-12-27 | 2001-08-31 | Idec Izumi Corp | 光電スイッチ |
| JP2003028392A (ja) * | 2001-05-10 | 2003-01-29 | Mitsui Chemicals Inc | 半導体製造用高純度塩化水素 |
| JP3694291B2 (ja) * | 2002-11-21 | 2005-09-14 | 倉敷紡績株式会社 | 血糖値の無侵襲測定装置 |
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| JP2010190824A (ja) | 2009-02-20 | 2010-09-02 | Shimadzu Corp | 半導体製造プロセス用吸光分析装置 |
| WO2013005332A1 (ja) * | 2011-07-07 | 2013-01-10 | 三菱重工業株式会社 | 水素濃度計測装置及び水素濃度計測方法 |
| US9459209B2 (en) | 2012-06-04 | 2016-10-04 | Shimadzu Corporation | Gas analysis device |
| US10337988B2 (en) | 2012-06-04 | 2019-07-02 | Shimadzu Co. | Device for measuring moisture in a gas |
| JP6044136B2 (ja) * | 2012-07-02 | 2016-12-14 | 株式会社島津製作所 | ガス分析装置 |
| US9007592B2 (en) | 2012-07-18 | 2015-04-14 | Shimadzu Corporation | Gas analyzer |
| US8891085B2 (en) | 2012-11-02 | 2014-11-18 | Shimadzu Corporation | Gas analyzer |
| JP2016033484A (ja) * | 2014-07-31 | 2016-03-10 | 横河電機株式会社 | 参照光分岐用光学系 |
| JP6836028B2 (ja) * | 2016-07-29 | 2021-02-24 | 大陽日酸株式会社 | ガス濃度検出ユニット及びガス濃度測定方法 |
| DE112022003190T5 (de) * | 2021-06-23 | 2024-05-02 | Horiba, Ltd. | Analysevorrichtung und analyseverfahren |
| CN114199820A (zh) * | 2021-12-07 | 2022-03-18 | 北京华亘安邦科技有限公司 | 一种气体浓度的检测方法和装置 |
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|---|---|---|---|---|
| JPS5917328A (ja) * | 1982-07-20 | 1984-01-28 | ミクロン機器株式会社 | アプライトキネシロジー用診断装置 |
| JPS6029060A (ja) * | 1983-07-19 | 1985-02-14 | Pioneer Electronic Corp | ディジタル・アナログ変換器 |
| JPS60129660U (ja) * | 1984-02-09 | 1985-08-30 | 三菱重工業株式会社 | 湿り度計測装置 |
| JPS6117797A (ja) * | 1984-07-03 | 1986-01-25 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | タンク屋根の浮上工法 |
| JPS61147568A (ja) * | 1984-12-21 | 1986-07-05 | Hamamatsu Photonics Kk | 赤外線イメ−ジセンサ |
| JPS6473239A (en) * | 1987-09-14 | 1989-03-17 | Fujitsu Ltd | Gas concentration measurement for laser type gas sensor |
| JPH01262441A (ja) * | 1988-04-13 | 1989-10-19 | Miyawaki:Kk | 蒸気配管内の空気検出方法及び装置並びに蒸気配管用空気検出ユニット |
| DE3819531A1 (de) * | 1988-06-08 | 1989-12-14 | Reiner Dipl Phys Szepan | Signalprozess- und betriebstechnik zur laserspektroskopischen mengenbestimmung von ammoniak in gasgemischen |
| SE8802536D0 (sv) * | 1988-07-07 | 1988-07-07 | Altoptronic Ab | Metod och apparat for spektroskopisk metning av koncentrationen av en gas i ett prov |
| JPH0240537A (ja) * | 1988-07-29 | 1990-02-09 | Nec Corp | 屈折率変化測定装置 |
-
1991
- 1991-10-08 JP JP26085991A patent/JP3059262B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0599845A (ja) | 1993-04-23 |
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