JP3608183B2

JP3608183B2 - 珪素化合物ガス中のシロキサンの分析方法とその装置

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Publication number: JP3608183B2
Application number: JP04659497A
Authority: JP
Inventors: 拓也池田; 豊彦阿部
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2017-02-28
Also published as: JPH10239223A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコン半導体の製造に使用される、シラン、ジシラン、これらのハロゲン化物、四塩化珪素及び四弗化珪素等の珪素化合物ガス中に混在していると、製造製品の品質上好ましくないシロキサンの分析方法とこの分析を行うための装置で、使用に供する珪素化合物ガスの品質評価に有効に使用するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シラン、ジシラン、これらのハロゲン化物、更には四塩化珪素、四弗化珪素等の珪素化合物ガスは半導体製造において、エピタキシャル成長や珪素の酸化膜および窒化膜の成長の際の原料として有効に使用されている。これらの珪素化合物ガス中には製造される半導体の品質に悪影響を及ぼすシロキサンが混在しているのが実状であり、これを除去して使用している。そして半導体の高集積化に伴いそのシロキサン含有量を極力低減した高純度の珪素化合物ガスの出現が望まれてきている。これと共に当該珪素化合物ガス中のシロキサンの検出の下限感度が益々微少（数ｐｐｂ以下）である分析技術の開発が必要不可欠となってきている。
【０００３】
しかるに、従来の珪素化合物ガス中のシロキサンは、熱伝導度型ガスクロマトグラフィ（以下「ＴＣＤ−ＧＣ」という。）を検出器として使用して分析されている。そしてこの方法では、分離カラムとしてステンレス鋼製の管にジビニルベンゼン（ＤＶＢ）等の多孔質高分子剤よりなるポラパックＰやポラパックＱ（いずれも米国Ｗａｔｅｒｓ社製商品名）を充填して、これにより各成分を分離して測定するものである。この方法によるとシロキサンの検出感度はせいぜい０．５〜１ｐｐｍ（５００〜１０００ｐｐｂ）であって、上記した必要とされる数ｐｐｂの検出は不可能であった。
【０００４】
即ち従来のＴＣＤ−ＧＣによる分析方法では、シロキサンの分析にあたり分離カラムを７０〜８０℃の温度に加熱する必要があることから、この加熱温度に検出限界の原因があると着目し、カラム温度を変化させこの温度の変化による分離カラムからの導出ガスを質量分析計に導きシロキサン含有量の変動を測定した。その結果を図６のグラフに図示する。なお使用した分離剤はポラパックＰで、使用したガスはモノシランガスで各温度で同一ガスを５ｃｃ捕集し分析した。
【０００５】
図６で明らかなように、同一のガスを流しても分離カラムの温度によって、カラムより導出されてくるシロキサンの量が異なっている。即ち温度が高いとその量は増加し、前記ＴＣＤーＧＣによる当該ガスの分析で用いる分離カラムの温度７０〜８０℃ではシロキサンの含有量は約７００〜１２００ｐｐｂとなり、更に１００℃の温度では約７０００ｐｐｂに達することが確認された。また、これらより低い温度６０℃では約３００ｐｐｂ、４０℃では約６０ｐｐｂと低い含量値を示した。これは分離カラムの高分子分離剤に付着残存する微量な水分と導入されて来る珪素化合物と反応してシロキサンを生成し、そしてその生成量が高温になると増加することに起因するものと考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように加熱する分離カラムを使用する従来のＴＣＤ−ＧＣによる珪素化合物ガス中のシロキサンの分析では、分離カラムの温度によってカラムより導出されるシロキサンの量が異なり真値が判断し得ず、またこの分析法で使用される分離カラムの加熱温度７０〜８０℃では、シロキサンの量が７００ｐｐｂ以上の値となり、今後当該分野で必要不可欠とされる珪素化合物ガス中のシロキサン含有量を数ｐｐｂの微量な値まで検出することが不可能であった。
本発明は、上記事情に鑑み珪素化合物ガス中のシロキサン含有量を数ｐｐｂの微量を測定し得る高感度の分析方法とその装置の提供を目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、従来分離のため使用していた分離用高分子剤を使用することなく珪素化合物ガスとシロキサンを分離することに着目したもので、本発明の請求項１に記載の分析方法では、加熱前処理した後の試料採取管に珪素化合物ガスを流通して該ガスを採取し、ついで試料採取管をシロキサンの沸点以下の温度に冷却した後昇温して試料採取管より導出するガスを質量分析計に導き、該質量分析計でシロキサン量を測定することを特徴とする珪素化合物ガス中のシロキサンの分析方法であり、また請求項２に記載の分析方法は、加熱前処理した後の試料採取管をシロキサンの沸点以下の温度まで冷却し、ついで該温度下で前記試料採取管に珪素化合物ガスを流通して該ガスを採取した後、試料採取管を昇温して試料採取管より導出するガスを質量分析計に導いてシロキサン量を測定することを特徴とする珪素化合物ガス中のシロキサンの分析方法である。
請求項３に記載の分析方法は、加熱前処理温度が１００℃以上の温度であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の珪素化合物ガス中のシロキサンの分析方法である。
そして請求項４に記載の分析方法は、試料採取管の冷却温度がー１５℃〜ー１４４℃であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の珪素化合物ガス中のシロキサンの分析方法である。
また請求項５に記載の分析方法は、試料採取管がステンレス鋼よりなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の珪素化合物ガス中のシロキサンの分析方法であり、更に請求項６に記載の分析方法にあっては、試料採取管がステンレス鋼製筒体内にステンレス鋼製またはガラス製の充填物の少なくとも一つの充填物が充填されてなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の珪素化合物ガス中のシロキサンの分析方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の珪素化合物ガス中のシロキサンの分析方法の実施態様を図１、図２に一例を例示して説明する。図１及び図２において１は被測定ガスである珪素化合物ガスＳが充填してある容器、２は試料採取管でステンレス鋼製またはガラス製で、冷却時または加熱時に付与する熱の伝達を効果的にするため内部にステンレス鋼製のチップやガラスビーズ等の充填物を充填することが好ましい。該試料採取管２にはこれを冷却するための冷却器で、例えば液体窒素の如き液化ガスを冷媒とし管３Ａより弁３Ｃを介して供給され、冷却した後管３Ｂより導出される。また４は試料採取管２を加熱するための加熱器である。そしてこれら試料採取管２、冷却器３、及び加熱器４は断熱箱５内に収容するとより好ましい。
【００１０】
６は質量分析計であり、７は試料採取管２で捕集した試料ガスを質量分析計６に導くためのヘリウムガスよりなるキャリアーガス源Ｈｅと連通しているキャリアーガス導入管であり、８は流量計Ｆを介して一側の管端８Ｂが除害して大気に放気する除害筒（図示せず。）に連結するガス排出管である。そしてこれらの機器は６方位置切り替え弁９を介して、後述する試料採取工程、分析測定工程等の工程に応じて連結または遮断し得るよう連結している。
【００１１】
即ち、６方位置切り替え弁９は、図３に示す如く弁箱９１と該弁箱９１に気密にかつ回転可能に装着される弁体９２よりなっている。そして前記弁箱９１は図３の（ａ）に図示するように、珪素化合物ガスＳの貯蔵容器１と連結している減圧弁１０を有する試料導入管１１の管端開口１１Ａ、試料採取管２の一側２Ａと連結している管１２の管端開口１２Ａ、質量分析計６と連結している管１３の管端開口１３Ａ、キャリアーガス源Ｈｅと連通しているキャリアーガス導入管７の管端開口７Ａ、前記試料採取管２の他側２Ｂに連結している管１４の管端開口１４Ａ、そして一側８Ｂが除害筒（図示せず。）に連結しているガス排出管８の他側管端開口８Ａ等の６ケの管端開口がこの順序に従って円周上に沿って配列されて設けられている。
【００１２】
また上記弁箱９１に気密にかつ回転可能に装着される弁体９２は図３の（ｂ）に図示するように、上記弁箱９１に配した６ケの管端開口に弁体９２の回転による移動でも常に係合するように、弁箱に設けた管端開口の配置と同一円周上に沿って配置した６ケの連結口９３ａ、９３ｂ、９３ｃ、９３ｄ、９３ｅ、そして９３ｆが設けられ、そしてこれら６ケの連結口９３は隣り合う連結口と、９３ａー９３ｂ、９３ｃ−９３ｄ、９３ｅ−９３ｆの如く対をなして管路９４、９５、９６でそれぞれ連通せしめて、３組の管路を形成している。
【００１３】
このような構造よりなる弁箱９１と弁体９２とは図３の（ｃ）に図示する如く、弁体９２が弁箱９１に回転可能にかつ気密を保って装着され一体となって６方位置切り替え弁９を形成し、図１、図２に図示する如き前記各機器を切り替え可能な管路で連設せしめて本発明の珪素化合物ガス中のシロキサンの分析装置を構成している。なお、９７は弁体９２を回転操作するハンドルである。
【００１４】
上記した装置を使用して、珪素化合物ガス中のシロキサンを分析する方法を説明する。まず６方位置切り替え弁９を図１に示す如く、弁体９２の連結口９３ａが弁箱９１に設けた珪素化合物ガスＳを貯蔵する容器１に連結する導入管１１の管端開口１１Ａに係合するよう設定する。すると弁体９２のその他の連結口と弁箱９１の管端開口とは、９３ｂ−１２Ａ、９３ｃ−１３Ａ、９３ｄ−７Ａ、９３ｅ−１４Ａ、９３ｆ−８Ａの如くに自ずと係合する。そして、貯蔵容器１−試料採取管２−流量計Ｆ−大気放出の流通管路と、キャリア−ガス源Ｈｅ−質量分析計６の流通管路との２つの流通管路が形成される。
【００１５】
このような状態でキャリアーガス導入管７より質量分析計６にキャリアーガス源Ｈｅからヘリウムガスを流し、一方試料採取管２を１００℃以上の温度に加熱器４で加熱すると共に、管２０より弁２１を介して試料導入管１１にヘリウムガスや窒素ガスの如き不活性ガスを供給し、そしてこの不活性ガスを試料採取管２内に流通せしめて流量計Ｆを介して大気放出する。このようにして試料採取管２内を充分加熱洗浄した後、加熱を停止しついで冷却器３に管端３Ａより弁３Ｃを介して液体窒素の如き冷媒を流して試料採取管２を冷却する。冷却温度は分析対象であるシロキサンを完全に捕獲することが必要であることから、シロキサンの沸点であるー１５℃と融点ー１４４℃の間の温度が好ましい。ー１５℃以上の温度ではシロキサンが凝縮せずガス状で試料採取管２を流通して大気に放出され真値が得られない。またー１４４℃以下の温度ではシロキサンが凝固し、次工程の分析時にこれを気化するのに時間を要するばかりか、冷却のための費用も嵩む等の不都合が生じる。
【００１６】
ついで弁２１を閉じて不活性ガスの供給を停止するとともに、貯蔵容器１の弁を開いて容器１内の珪素化合物ガスＳを減圧弁１０、試料導入管１１、管１２を経て試料採取管２に導入し、そして管１４、ガス排出管８、流量計Ｆを経て管端開口８Ｂより除害筒（図示せず。）を介して大気に放出される。この間試料採取管２は前記冷却温度に継続して保持されている。またこの間に試料採取管２に流通せしめた珪素化合物ガスＳの流量を流量計Ｆにて計量する。
【００１７】
所定の流量を流した後、６方位置切り替え弁９を回転操作（例えば時計と同方向）して、図２に図示した如く９３ａ−８Ａ、９３ｂー１１Ａ、９３ｃー１２Ａ、９３ｄー１３Ａ、９３ｅ−７Ａ、９３ｆー１４Ａ等の位置に弁体９２の各連結口と弁箱９１の各管端開口とを係合せしめる。その結果、貯蔵容器１ー流量計Ｆー大気放出の流通管路とキャリアガス源Ｈｅー試料採取管２ー質量分析計６の流通管路との２つの流通管路を形成するように切り替えられ、試料採取管２に導入されていた珪素化合物ガスは容器１より流量計Ｆを通り管端開口８Ｂより除害筒で除害された後大気に放出される。一方キャリアーガス源Ｈｅからヘリウムガスがキャリアーガス導入管７より管１４を経て試料採取管２に導入され、該採取管２を流通して管１２、管１３を経て質量分析計６に導入される。そして弁３Ｃを閉じて冷却器３への冷媒の供給を停止して、試料採取管２の冷却を止めるとともに、加熱器４を作動して試料採取管２加熱する。
【００１８】
この結果、前記冷却工程で試料採取管２で凝縮して液化されていたり、凝固して固化されていた成分が、温度の上昇とともに各成分特有の融点に従い融解したり、各成分特有の沸点に従い気化したりする。なおシロキサン、及び珪素化合物ガスの沸点と融点を表１に示す。
【表１】

【００１９】
表１に示したようにシロキサンの沸点はー１５℃であり、他の珪素化合物ガスの沸点はシロキサンより低温度であったり、高い温度であったりして、その沸点温度にシロキサンと差がある。従って、シロキサンの沸点（ー１５℃）より低い沸点温度の組成分は先の工程での冷却温度ー１４４℃より加熱して温度を徐々に上昇させて行く間にシロキサンの沸点に達するまでに既に気化し、試料採取管に導入されるキャリアガスに同伴されて先んじて質量分析計６に搬送される。また一方、シロキサンの沸点（ー１５℃）より高い沸点の組成分はシロキサンの気化するー１５℃の温度近辺の温度では未だ気化せず液体状態を保持している。従ってー１０〜ー１５℃の温度に達すると試料採取管２内に保持されているシロキサンの凝縮液のみが気化し始め、この気化したシロキサンは試料採取管２に導入されているキャリアーガスに同伴されて質量分析計６に搬送される。
【００２０】
かくして、珪素化合物ガスとこれに混在しているシロキサンは完全に分離されて質量分析計６に導入され、通常の質量分析計による分析操作でシロキサンの量が測定される。そしてこれで得られたシロキサンの量（ｍ）を試料採取時に試料採取管２に流した珪素化合物ガスＳの流量（Ｍ）に対する割合ｍ／Ｍを算出することにより珪素化合物ガスＳ中のシロキサンの含有濃度が得られる。
【００２１】
なお、上記実施態様における試料採取管２の試料珪素化合物ガスＳの採取にあたっては、試料採取管２を所定温度に冷却した状態で珪素化合物ガスＳを流して、含有するシロキサンを試料採取管２内で凝縮して捕獲し、そしてその間に試料採取管２に流した珪素化合物ガスＳの流量を計測して試料を採取するする方法について説明した。しかし本発明はこれに限定されるものでなく、試料採取にあたって試料採取管２を低温に冷却することなく常温状態として珪素化合物ガスＳを流して該ガスを採取し、その後試料採取管２を所定の温度に冷却しても良く、この場合試料採取管２は定容量の管とし、そして採取量が定量の管で定まっているので流量の計測は必要ない。
【００２２】
また、上記６方位置切り替え弁９の切り替え操作による管路の切り替えは、上記工程、即ち試料採取工程、質量分析計による分析測定工程の２つの工程の順序を繰り返しで切り替えられ、極めて簡便かつ効率よく使用することができる。
【００２３】
【実施例】
次に本発明の珪素化合物ガス中のシロキサンの分析を上記図１、図２に図示した装置を使用して行った実施例について説明する。
実施例１：試料採取管２としてステンレス鋼製、容積２ｃｃ（管内径５ｍｍ）に８０メッシュのステンレス鋼製のチップを充填して使用した。そして、６方位置切り替え弁９を図１に示す如く試料採取工程の位置にして、試料採取に先だって試料採取管２を１５０℃に加熱するとともに管２０より不活性ガスとしてヘリウムガスを流し３０分間加熱処理をして採取管２内の水分を排除した。続いて試料採取管２の加熱を停止して、冷却器３を作動して試料採取管２をー１１０℃に冷却した。ついでヘリウムガスの供給を停止し、貯蔵容器１より珪素化合物ガスＳとしてモノシランガスを導出し試料採取管２に導きこれに１０００ｃｃ流通せしめた（流量計Ｆで測定）。
【００２４】
ついで、６方位置切り替え弁９を操作して図２に示す如く管路を質量分析計６による分析測定工程に切り替えるとともに、冷却器３による冷却を停止し加熱器４を作動せしめて試料採取管２を約１０℃／分の昇温速さで徐々に昇温した。この結果、キャリアーガス導入管７より供給されるキャリアーガス源Ｈｅからヘリウムガスが試料採取管２に導入され、そして前記徐々なる試料採取管２の昇温により、その温度が特定成分の固有の沸点に達するとこれに相当する沸点を有する成分が気化し、しかも低い沸点の成分の順に気化し、ヘリウムガスに同伴されて質量分析計６に搬送される。
【００２５】
そこで本実施例では、質量分析器９の質量数をシロキサンの質量数７７に固定し、試料採取管２をー１１０℃から約１０℃／分の昇温速度で１５０℃まで昇温して質量分析計６に搬送されてきた質量数７７の成分（シロキサン）を分析した結果を昇温時間［分］に対する質量数７７のシロキサンの相対量を図４のグラフで図示する。この相対量を既知の標準ガスにより値付けしたところ、４．９６×１０^ー５ｃｃとなり、採取試料が１０００ｃｃであることからその濃度は４．９６×１０^ー８であり即ち４９．６ｐｐｂの値を得た。
【００２６】
実施例の別の例として、試料採取を実施例１では低温で試料採取を行ったのに代えて、定量の試料採取管を使用して常温状態で行う方法について、珪素化合物ガスＳに四弗化珪素ガスを使用して行った。
実施例２：ステンレス鋼製の両端に開閉弁Ｖｓ（図示せず。）が設けられている１０００ｃｃ（管の内径８ｃｍ、長さ１９．９ｃｍ）の定量試料採取管２を図１の如き装着し開閉弁Ｖｓを開とし、実施例１と同様に６方位置切り替え弁９を先ず図１の如く試料採取工程の位置として、不活性ガスを流しながら試料採取管２を１００℃以上の温度に加熱して採取管内の水分を排除する。ついで試料採取管２を常温まで冷却した後不活性ガスの導入を停止するとともに、貯蔵容器１より常温で四弗化珪素ガス導出して試料採取管２に流通せしめ、時期をみて開閉弁Ｖｓを閉じて試料採取する。引き続き開閉弁Ｖｓを閉じたまま冷却器３を作動して試料採取管２をー１１０℃まで冷却するとともに、６方位置切り替え弁９を図２の如き位置にして分析測定工程に切り替える。ー１１０℃の温度になると四弗化珪素は固化される。
【００２７】
ついで、冷却を停止し、加熱器４を作動して試料採取管２を１０℃／分の昇温速度で加熱するとともに試料採取管２に備え付けの開閉弁Ｖsを開く。するとキャリアーガス導入管７から供給されているキャリアーガス源Ｈｅからヘリウムガスが試料採取管２に導入され、該管２内で気化したガスはヘリウムガスに同伴されて質量分析計６に搬送される。この実施例２では、ー９５℃の温度になると固化した四弗化珪素が融解することなしに昇華現象を起こし直ちに気化し、ヘリウムガスに同伴されて質量分析計６を経て大気に排除される。そして更に昇温を続けるとー１５℃の温度になると凝縮していたシロキサンが気化し始めヘリウムガスに伴われて質量分析計６に搬送され質量数７７の質量数位置でシロキサンの含量が測定される。この結果を図５にグラフで図示する。ここで質量分析計６の質量数をシロキサンに質量数７７に固定し、試料採取管２の開閉弁Ｖs開いてー１１０℃から１０℃／分の昇温速度で昇温し始めてからの昇温時間（分）に伴う質量数７７の相対的検出量を表示した。
【００２８】
上記図５のグラフで得られた結果を、既知の含量の標準ガスより検量した結果、１．１３×１０^ー５ｃｃの含量を得た。従って１０００ｃｃの四弗化珪素中のシロキサン含有濃度は１１．３ｐｐｂとなる。
また上記二つのの実施例１及び実施例２で得られた分析結果の図４、図５のグラフで、曲線のノイズ幅を感度を高めて測定し、前記グラフの感度目盛りに換算したところノイズ幅は０．３６ｍｍであった。この値より前記実施例１、及び実施例２の図１、及び図２のグラフの曲線と濃度の関係を勘案して、本発明の分析方法の検出下限界値を求めた結果、安全率Ｓ／Ｎ＝２としてその検出下限界値は０．３ｐｐｂであった。
なお上記実施例１及び実施例２では珪素化合物ガスＳとしてモノシラン、四弗化珪素を例示して該各ガス中のシロキサンについて説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、前記表１に示したシロキサンが生成混入される恐れがある珪素化合物ガス中のシロキサンの分析にも勿論適用し得る。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は上記した通り、分析すべき珪素化合物ガス中のシロキサンを分離するため、従来の如き分離剤を使用したカラムを使用せずにそれぞれの成分の保有する沸点の差により分離するようにし、かつ試料採取管を試料採取前に充分加熱するとともに不活性ガスを流して水分を排除し洗浄するので、従来の如き分離にあたって温度による分離量が変動する等の影響が無く、上記成分の分離を極めて正確に遂行し得、シロキサンの適確な分析が可能となった。しかも従来検出不可能であった数ｐｐｂの微量のシロキサンの検出も可能となり、今後益々必要とされる不純物含量が微量な高純度の半導体製造の材料ガスの品質管理に極めて有効に活用し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の分析装置の試料採取工程にある系統略図である。
【図２】本発明の分析装置の分析測定工程にある系統略図である。
【図３】本発明の分析装置に使用する６方位置切り替え弁の組立図である。
【図４】本発明の分析方法の実施例１の結果を示すグラフである。
【図５】本発明の分析方法の実施例２の結果を示すグラフである。
【図６】従来の分析方法で得られる分離剤カラムの加熱温度の変化に伴うシロキサンの分析値の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１貯蔵容器、２試料採取管、３冷却器、４加熱器、
６質量分析計、７キャリアーガス導入管、８ガス排出管、
９６方位置切り替え弁、１１試料導入管、
１２、１４試料採取管に連結する管、１３質量分析計に連結する管、
９１６方位置切り替え弁の弁箱、９２６方位置切り替え弁の弁体、
９３ａ、９３ｂ、９３ｃ、９３ｄ、９３ｅ、９３ｆ連結口、
９４、９５、９６管路、Ｓ珪素化合物ガス、Ｈｅキャリアーガス源
Ｆ流量計

Claims

加熱前処理した後の試料採取管に珪素化合物ガスを流通して該ガスを採取し、ついで試料採取管をシロキサンの沸点以下の温度に冷却した後に昇温して試料採取管より導出するガスを質量分析計に導き、該質量分析計でシロキサン量を測定することを特徴とする珪素化合物ガス中のシロキサンの分析方法
加熱前処理した後の試料採取管をシロキサンの沸点以下の温度まで冷却し、ついで該温度下で前記試料採取管に珪素化合物ガスを流通して該ガスを採取した後、試料採取管を昇温して試料採取管より導出するガスを質量分析計に導いてシロキサン量を測定することを特徴とする珪素化合物ガス中のシロキサンの分析方法。
加熱前処理温度が１００℃以上の温度であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の珪素化合物ガス中のシロキサンの分析方法。
試料採取管の冷却温度が−１５℃〜−１４４℃であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の珪素化合物ガス中のシロキサンの分析方法。
試料採取管がステンレス鋼よりなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の珪素化合物ガス中のシロキサンの分析方法。
試料採取管がステンレス鋼製筒体内にステンレス鋼製またはガラス製の充填物の少なくとも１つの充填物が充填されてなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の珪素化合物ガス中のシロキサンの分析方法。