JP5584109B2 - 光学分析装置 - Google Patents
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Description
本発明は、分光分析装置などの光学分析装置に関するものである。
従来の分光分析装置としては、特許文献１に示すように、光源と、この光源からの光を集光する集光レンズと、多チャンネル検出器を有し前記光源からの光を分光分析する分光分析部と、集光レンズ及び分光分析部との間に配置される測定セルとを備えたものがある。
この分光分析装置における濃度測定には吸収分光法を用いている。この吸収分光法では、一般的に、校正により予め求めておいた検量線Ｍｉに吸光度スペクトルＡｂｓ（λｉ）を掛け合わせることによって濃度ｃを算出する（下記の式参照）。
ここで吸光度スペクトルＡｂｓ（λｉ）は、測定セルへの入射光の強度Ｉ０（λｉ）と測定セルからの透過光の強度Ｉｓ（λｉ）とにより次式で表せる。
ここで、入射光の強度Ｉ０（λｉ）を直接測定することは難しく、従来の分光分析装置では、集光レンズ及び分光分析部との間から測定セルを取り除いた状態（リファレンス光測定）で、分光分析部が測定する光の強度、つまりリファレンス光の強度Ｉｒ（λｉ）を代用している。
ところが、光路上に測定セルがある場合と測定セルが無い場合とで屈折率の違いから、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、分光分析部に入射する光の光束、具体的には焦点位置が変化してしまう。その結果、分光分析部により得られるリファレンス光の光量に誤差が生じ、吸光度スペクトルＡｂｓ（λｉ）が変化して算出濃度に誤差が出てしまうという問題がある。
そこで、特許文献１の分光分析装置では、測定セルの有無による焦点位置の変化を補正するために、リファレンス光測定において、当該集光レンズ及び分光分析部の間に屈折率補正部材を配置している（図６（Ｃ）参照）。この屈折率補正部材は、石英などの光学ガラスを用いて構成されている。
ところで、例えば上記の分光分析装置でフッ酸を含む薬液の濃度測定を行う場合、測定セルへの薬液の導入及び導出は、フッ酸に対して耐腐食性を有するフッ素樹脂配管が用いられている。
しかしながら、フッ素樹脂配管を流れる薬液中のフッ酸の一部が、配管の管壁を透過してフッ化水素ガスとして外部に放出してしまう。また、薬液を貯留している薬液タンクからもフッ化水素ガスが放出してしまう。そうすると、屈折率補正部材が配置される雰囲気下に腐食性ガスであるフッ化水素ガスが存在することになり、光学ガラスからなる屈折率補正部材の表面が腐食されてしまい白濁するという問題がある。これによりリファレンス光測定により得られるリファレンス光量が低下してしまい、吸光度が変化して算出濃度に誤差が生じてしまうという問題がある。
また、屈折率補正部材が腐食して白濁した場合に、当該部材を交換する必要があり、その交換時期を管理する必要があるという問題がある。さらに、別途新しい屈折率交換部材を用意する必要があったり、その交換作業が煩雑で作業工数がかかるといったことから、ランニングコストの増大を招いてしまうという問題がある。
そこで本発明は、焦点位置補正用のリファレンス補正部材に与える腐食性ガスの影響を低減することによって、光学分析装置の測定誤差を低減するとともに、リファレンス補正部材の交換に伴う種々の問題点を解決することその主たる所期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、光源から出る光を集光する集光光学系と、前記集光光学系により集光された光の光路上に設けられて、その光を検出する検出光学系と、前記集光光学系及び前記検出光学系の間における光路上に位置する測定位置、及びこの測定位置から退避した退避位置の間で移動可能な測定セルと、前記集光光学系及び前記検出光学系の間における光路上に位置するリファレンス位置、及びこのリファレンス位置から退避した退避位置との間で移動可能であり、前記リファレンス位置において通過した光の焦点位置が前記測定位置にある測定セルを通過した光の焦点位置と略同一となるように構成されたリファレンス補正部材と、前記測定セル及び前記リファレンス補正部材を移動させて、選択的に前記測定セルを前記測定位置又は前記リファレンス補正部材を前記リファレンス位置とする移動機構とを備え、前記リファレンス補正部材の少なくとも前記リファレンス位置で光路と交わる外面部分が、腐食性ガスに対して耐腐食性を有する耐腐食性材料から形成されていることを特徴とする。
このようなものであれば、リファレンス光測定においてリファレンス補正部材が光路上に設けられることから、測定セルの有無による焦点位置の変化を補正して、測定結果の誤差を低減することができる。特に、リファレンス位置で光路と交わる外面部分が、耐腐食性材料から形成されていることから、リファレンス光測定においてリファレンス補正部材が腐食性ガスから受ける影響を低減することができる。これにより、腐食性ガスの存在に関わらず、リファレンス光測定の誤差を低減することができ、当該リファレンス光測定の結果を用いた光学分析装置の測定結果の誤差を低減することができる。また、リファレンス光測定におけるリファレンス補正部材の腐食を無視することができるので、リファレンス補正部材の交換を必ずしも行う必要が無く、リファレンス補正部材の交換に伴う従来の種々の問題点を解決することができる。さらに、測定セル及びリファレンス補正部材を集光光学系及び検出光学系に対して進退移動させることにより、集光光学系及び検出光学系を共通化しているので、複数の光路を設ける場合に比べて、光源の位置ずれや集光レンズの曇りが及ぼす影響を少なくすることができる。加えて、集光光学系を１つのみ用意すれば良いことや、光源からの光を検出光学系に導くまでの構造が比較的シンプルで、低コストで製作することが可能である。
リファレンス補正部材全体を耐腐食性材料から形成すると、耐腐食性材料の種類（例えばサファイア）によっては極めて高価になってしまう恐れがある。このような場合には、前記リファレンス補正部材が、光学ガラスと、当該光学ガラスの光入射面及び光射出面それぞれに対向して設けられた前記耐腐食性材料からなる耐腐食性板材と、前記光学ガラス及び前記耐腐食性板材の間を封止するシール部材とを有することが望ましい。
リファレンス補正部材の構成部品の部品点数を可及的に少なくしながらも腐食性ガスに対して耐腐食性を持たせるためには、前記リファレンス補正部材が、光学ガラスを少なくとも光入射面及び光射出面に耐腐食性材料をコーティングすることによって構成されていることが望ましい。
リファレンス補正部材の構成部品の種類を少なくするとともに、種々の測定セルの焦点位置に対応可能にするためには、前記リファレンス補正部材が、複数枚の耐腐食性材料からなる耐腐食性板材をスペーサを介して重ね合わせることによって構成されていることが望ましい。
このように構成した本発明によれば、リファレンス補正部材に与える腐食性ガスの影響を低減することによって、光学分析装置の測定誤差を低減するとともに、リファレンス補正部材の交換に伴うランニングコストの増大を防止することができる。
以下に、本発明に係る光学分析装置の一例として分光分析装置に適用した場合の一実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る分光分析装置１００は、例えば半導体製造装置に設けられたフッ酸等の薬液を供給する薬液配管に介在して設けられ、そのフッ酸等の薬液（試料液）の濃度等を吸光度測定法を用いて測定するものである。なお、このようにして得られた濃度を用いて、薬液の濃度等が制御される。
具体的にこのものは、図１に示すように、光源２と、この光源２から出る光を集光する集光光学系３と、この集光光学系３により集光された光の光路Ｌ上に設けられて、その光を検出する検出光学系４と、集光光学系３及び検出光学系４の間における光路Ｌ上に移動可能な測定セル５と、同じく集光光学系３及び検出光学系４の間における光路Ｌ上に移動可能なリファレンス補正部材６と、測定セル５及びリファレンス補正部材６を移動させる移動機構７とを備えている。なお、この分光分析装置１００には、装置全体を制御したり、後述の多チャンネル検出器４５からの出力に基づいて濃度計算などを行う演算制御部としてのコンピュータ（図示せず）が設けられている。
光源２は、例えばハロゲンランプなどよりなる連続スペクトル光源である。
集光光学系３は、前記光源２の光射出方向に設けられて、当該光源２から射出された光を集光させるものであり、本実施形態では集光レンズを用いて構成されている。
検出光学系４は、集光光学系３により集光された光を各波長に分光して、それら各波長成分ごとに検出するものである。具体的に検出光学系４は、前記集光光学系３の光の焦点位置近傍に設けられた入射スリット４１と、当該入射スリット４１から入射した光を平行光束とする凹面鏡からなるコリメート鏡４２と、このコリメート鏡４２からの平行光束を受けて波長毎に分光する回折格子４３と、当該回折格子４３により分光された各波長の光を集光する凹面鏡からなるカメラ鏡４４と、当該カメラ鏡４４により集光された各波長の光を検出する多チャンネル検出器４５とを備えている。この多チャンネル検出器４５により得られた光強度信号に基づいて吸光度スペクトルＡｂｓ（λｉ）が得られる。
測定セル５は、フローセルタイプのものであり、図２及び図３に示すように、内部に薬液を収容する収容空間５Ｓが形成されるセル本体５１と、当該セル本体５１に設けられて前記収容空間５Ｓに薬液を導入するための液導入部５２と、前記収容空間５Ｓから薬液を導出するための液導出部５３とを備えている。なお、液導入部５２及び液導出部５３には、フッ素樹脂配管Ｈが接続されている。
セル本体５１は、特に図３に示すように、収容凹部５１１ａが形成された本体部５１１と、当該収容凹部５１１ａ内に収容される一対の透光部材５１２と、この一対の透光部材５１２の間に介在するスペーサ５１３と、前記一対の透光部材５１２及びスペーサ５１３を収容凹部５１１ａ内に固定するための固定部材５１４とを備えている。このように構成されたセル本体５１において、一対の透光部材５１２及びスペーサ５１３等により収容空間５Ｓが形成される。また収容空間５ＳはＯリング等のシール部材により液密性が確保されている。
一対の透光部材５１２は、フッ酸等の薬液に対して耐腐食性を有する耐腐食性材料から形成されている。本実施形態の透光部材５１２は、フッ酸に対して耐腐食性を有すると共に紫外領域に対して高透光率を示すサファイアを用いて形成されたサファイア板材である。そして、測定セル５が後述の測定位置Ｐにある場合に、この透光部材５１２が前記集光光学系３により集光された光の光路Ｌと交わる。なお、紫外領域での分光分析以外の用途においては、フッ素樹脂等の耐腐食性材料を用いることもできる。
このように構成された測定セル５は、後述する移動機構７により、前記集光光学系３及び前記検出光学系４の間における光路Ｌ上に位置する測定位置Ｐ、及びこの測定位置Ｐから退避した退避位置Ｑの間で移動可能である（図４参照）。
リファレンス補正部材６は、リファレンス光測定において、集光光学系３により集光された光の焦点位置の変化を補正するものである。このリファレンス補正部材６は、図２及び図３に示すように、前記測定セル５と一体に設けられており、前記セル本体５１の本体部５１１に設けられた第２の収容凹部５１１ｂに収容されている。そしてこのリファレンス補正部材６は、後述のリファレンス位置Ｒにおいて通過した光の焦点位置が前記測定位置Ｐにある測定セル５を通過した光の焦点位置と略同一となるように構成されている。なお、リファレンス補正部材６の詳細は後述する。
また、リファレンス補正部材は、後述する移動機構７により、前記集光光学系３及び前記検出光学系４の間における光路Ｌ上に位置するリファレンス位置Ｒ、及びこのリファレンス位置Ｒから退避した退避位置Ｓとの間で移動可能である（図４参照）。
移動機構７は、測定セル５及びリファレンス補正部材６を移動させて、選択的に測定セル５を測定位置Ｐ又はリファレンス補正部材６をリファレンス位置Ｒにするものである。本実施形態の測定セル５及びリファレンス補正部材６は集光光学系３により集光された光の光路Ｌに対して並列的に一体とされており、移動機構７は、測定セル５及びリファレンス補正部材６を光路Ｌに対して直交する方向に一体に進退移動させる。なお、移動機構７の構成としては、図示しないが、例えば、駆動モータと、このモータの駆動軸の回転運動を直進運動に変換するラックアンドピニオン機構とを備えたものである。
ここで、測定セル５の測定位置Ｐ及び退避位置Ｑと、リファレンス補正部材６のリファレンス位置Ｒ及び退避位置Ｓとの位置関係について図４を参照して説明する。測定セル５の測定位置Ｐとリファレンス補正部材６のリファレンス位置Ｒとは集光レンズ３に対して略同じ位置である。また測定セル５が測定位置Ｐにある場合、リファレンス補正部材６は退避位置Ｓにあり（図４の上段参照）、リファレンス補正部材６がリファレンス位置Ｒにある場合、測定セル５は退避位置Ｑにある（図４の下段参照）。なお、測定セル５の測定位置Ｐはサンプル光測定を行うための位置であり、リファレンス補正部材のリファレンス位置Ｒはリファレンス光測定を行うための位置である。
しかして本実施形態のリファレンス補正部材６は、少なくともリファレンス位置Ｒで光路Ｌと交わる外面部分６Ａが、腐食性ガスであるフッ化水素ガスに対して耐腐食性を有する耐腐食性材料から形成されている。
具体的にリファレンス補正部材６は、特に図３に示すように、光学ガラス６１と、当該光学ガラス６１の光入射面６１ａ及び光射出面６１ｂのそれぞれに対向して設けられた耐腐食性材料からなる耐腐食性板材６２と、光学ガラス６１及び耐腐食性板材６２の間を気密封止するＯリング等のシール部材６３とを有する。これらの構成要素６１〜６３は、第２の収容凹部５１１ｂに収容された状態で固定部材８により固定される。本実施形態の耐腐食性板材６２は、フッ酸に対して耐腐食性を有すると共に紫外領域に対して高透光率を示すサファイアを用いて形成されたサファイア板材である。
本実施形態では、光学ガラス６１の光入射面６１ａ及び光射出面６１ｂの略全体をサファイア板材６２で覆うことにより、リファレンス補正部材６の光入射面及び光射出面全体を耐腐食性材料により形成している。これにより、リファレンス補正部材６の外面部分６Ａに耐腐食性を持たせることができるとともに、光学ガラス６１がフッ化水素ガスにより腐食されて白濁することを防止することができる。なお、サファイア板材６２及びシール部材６３は、光学ガラス６１における光路と交わる部分を囲むように光学ガラス６１と気密に設けられていればよい。つまり、リファレンス位置Ｒにおいて光学ガラス６１が光路Ｌと交わる外面部分を気密的に覆うようにサファイア板材６２及びシール部材６３が設けられていればよい。
このように構成したリファレンス補正部材６によって焦点位置を補正するためには、サファイア板材６２の厚みを考慮しつつ、光学ガラス６１の厚みを調整することによって行う。厚さ数ｍｍのサファイア板材は需要が少なく一般的に高価であるため、需要が多く安価である厚さの薄いサファイア板材を用いることが好ましい。ここで、測定セル５の構成にも依るが、例えば１枚のサファイア板材６２の厚みを０．５ｍｍとした場合、光学ガラス６１の厚みは例えば６ｍｍ〜１５ｍｍ程度である。つまり焦点位置の補正における大部分を光学ガラス６１で補正していることになる。
＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る分光分析装置１００によれば、リファレンス測定においてリファレンス補正部材６が光路Ｌ上に設けられることから、測定セル５の有無による焦点位置の変化を補正して、測定結果の誤差を低減することができる。
このように構成した本実施形態に係る分光分析装置１００によれば、リファレンス測定においてリファレンス補正部材６が光路Ｌ上に設けられることから、測定セル５の有無による焦点位置の変化を補正して、測定結果の誤差を低減することができる。
特に、リファレンス位置Ｒで光路と交わる外面部分６Ａが、サファイア板材から形成されていることから、リファレンス測定においてリファレンス補正部材６がフッ化水素ガスから受ける影響を低減することができる。これにより、フッ化水素ガスの存在に関わらず、リファレンス測定の誤差を低減することができ、当該リファレンス測定の結果を用いた分光分析装置１００の測定結果の誤差を低減することができる。また、リファレンス光測定におけるリファレンス補正部材６の腐食を無視することができるので、リファレンス補正部材６の交換を必ずしも行う必要が無く、リファレンス補正部材６の交換に伴う従来の種々の問題点を解決することができる。
また、測定セル５及びリファレンス補正部材６を集光光学系３及び検出光学系４に対して進退移動させることにより、集光光学系３及び検出光学系４を共通化しているので、複数の光路を設ける場合に比べて、光源２の位置ずれや集光レンズ３の曇りが及ぼす影響を少なくすることができる。さらに、集光光学系３を１つのみ用意すれば良いことや、光源２からの光を検出光学系４に導くまでの構造が比較的シンプルであることが、低コストで製作することが可能である。
＜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。
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、リファレンス補正部材６としては、図５（Ａ）に示すように、光学レンズ６１の少なくとも光入射面６１ａ及び光射出面６１ｂに耐食性材料によりコーティングしても良い。なお、図５（Ａ）は光学ガラス６１の外面全体をコーティングした場合を示している。これならば、リファレンス補正部材の構成部品の部品点数を削減することができ、組み立て作業を簡単化できる。
また、リファレンス補正部材６としては、光学ガラス以外の光学素子を用いても良いし、また、図５（Ｂ）に示すように、複数枚の耐腐食性材料からなる耐腐食性板材（例えばサファイア板材）６２をスペーサ６４を介して重ね合わせることによって構成しても良い。これならば、重ね合わせるサファイア板材の枚数を調整することによって種々の測定セルの焦点位置に対応させることができる。
さらに、前記実施形態では紫外領域での吸光度スペクトルを得るために耐腐食性材料としてサファイアを用いたものであったが、その他、紫外領域以外の用途で用いるも場合には、サファイアの他、フッ素樹脂を用いても良い。
加えて、前記実施形態では測定セル及びリファレンス補正部材を一体に設けているが、その他、別部材として構成するとともに、移動機構により選択的に測定位置又はリファレンス位置に移動させるようにしても良い。
その上、フッ化水素ガスの他、例えば塩素ガス等の腐食性ガスに対して耐腐食性を有するように構成しても良い。
さらにその上、前記実施形態では吸光度測定法を用いた分光分析装置について説明したが、その他のリファレンス光測定を行う光学分析装置にも適用可能である。
さらにその上、前記実施形態では吸光度測定法を用いた分光分析装置について説明したが、その他のリファレンス光測定を行う光学分析装置にも適用可能である。
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・・・分光分析装置（光学分析装置）
２ ・・・光源
３ ・・・集光レンズ（集光光学系）
４ ・・・検出光学系
Ｐ ・・・測定位置
Ｑ ・・・退避位置
５ ・・・測定セル
Ｒ ・・・リファレンス位置
Ｓ ・・・退避位置
６ ・・・リファレンス補正部材
６Ａ ・・・光路と交わる外面部分
６１ ・・・光学ガラス
６２ ・・・サファイア板材（耐腐食性板材）
６３ ・・・シール部材
７ ・・・移動機構
２ ・・・光源
３ ・・・集光レンズ（集光光学系）
４ ・・・検出光学系
Ｐ ・・・測定位置
Ｑ ・・・退避位置
５ ・・・測定セル
Ｒ ・・・リファレンス位置
Ｓ ・・・退避位置
６ ・・・リファレンス補正部材
６Ａ ・・・光路と交わる外面部分
６１ ・・・光学ガラス
６２ ・・・サファイア板材（耐腐食性板材）
６３ ・・・シール部材
７ ・・・移動機構
Claims (4)
- 光源から出る光を集光する集光光学系と、
前記集光光学系により集光された光の光路上に設けられて、その光を検出する検出光学系と、
前記集光光学系及び前記検出光学系の間における光路上に位置する測定位置、及びこの測定位置から退避した退避位置の間で移動可能に構成され、試料液が通る配管が接続される測定セルと、
前記集光光学系及び前記検出光学系の間における光路上に位置するリファレンス位置、及びこのリファレンス位置から退避した退避位置との間で移動可能であり、前記リファレンス位置において通過した光の焦点位置が前記測定位置にある測定セルを通過した光の焦点位置と略同一となるように構成されたリファレンス補正部材と、
前記測定セル及び前記リファレンス補正部材を移動させて、選択的に前記測定セルを前記測定位置又は前記リファレンス補正部材を前記リファレンス位置とする移動機構とを備え、
前記リファレンス補正部材の少なくとも前記リファレンス位置で光路と交わる外面部分が、腐食性ガスに対して耐腐食性を有する耐腐食性材料から形成されている光学分析装置。 - 前記リファレンス補正部材が、光学ガラスと、当該光学ガラスの光入射面及び光射出面それぞれに対向して設けられた前記耐腐食性材料からなる耐腐食性板材と、前記光学ガラス及び前記耐腐食性板材の間を封止するシール部材とを有する請求項１記載の光学分析装置。
- 前記リファレンス補正部材が、光学ガラスを少なくとも光入射面及び光射出面に前記耐腐食性材料をコーティングすることによって構成されている請求項１記載の光学分析装置。
- 前記リファレンス補正部材が、前記耐腐食性材料からなる複数枚の耐腐食性板材をスペーサを介して重ね合わせることによって構成されている請求項１記載の光学分析装置。
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