JPS62198733A - シランガス濃度計測方法および装置 - Google Patents

シランガス濃度計測方法および装置

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JPS62198733A
JPS62198733A JP61040829A JP4082986A JPS62198733A JP S62198733 A JPS62198733 A JP S62198733A JP 61040829 A JP61040829 A JP 61040829A JP 4082986 A JP4082986 A JP 4082986A JP S62198733 A JPS62198733 A JP S62198733A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、測定地点が遠く離れている場所でのシランガ
ス濃度測定に好適なガス濃度測定方法およびその装置に
関するものである。
[発明の背景] 半導体産業の急成長に伴ない、デバイス製造の原料の一
つである半導体用ガスの使用量も急速に増大している。
中でもモノシランを主体とするシランガスの使用量は最
大であり、その主な用途としては、酸化膜、窒素ケイ素
膜の成長用及びエピタキシャル成長用、太陽電池、複写
感光体用ドラムなどのアモルファスシリコンへの利用な
どである。
このような状況下、シランガスの製造規模も年々増大し
ており、しかも、ガスの使用状況も従来低濃度で用いら
れていたものが容器の交換頻度を少なくするなどの理由
から高濃度(〜100%)で用いられるようになってき
た。
一方、シランガスをはじめとする半導体用ガスは、その
多くが危険性(可燃性および毒性)の高いものであり、
大量使用すればそれだけ車数発生の確率も高くなり、万
一の災害の規模も大きくなる。
そのため、安全対東上ガスの漏洩については。
許容限界内で速やかにかつ確実に検知警報し、事前に事
故を防止できるよう十分な管理が要求されている。この
ような要求に対してガスの検知という観点からみると1
種々の手法が考察され、その一部は既に市販されるよう
になっている。
しかしながら、シランガスについては、適切な検知警報
装置が今までは無く、その早期出現が待たれていた。そ
して、最近になってようやく、融成電極式や半導体式の
計測器が開発され利用されはじめたものの、使用規模の
拡大に伴なう、検知器の能力や、木質的な安全性確保と
いう面ては十分とはいえず、さらに適用性が高い、計測
装置の開発が期待されていた。
このシランガスは、危険性(可燃性および毒性)の高い
ものであるため、安全対策上、ガスの漏洩については、
速やかにかつ確実に検知、警報し、事前に事故を防止で
きるような計測方法ないし装置の開発が期待されていた
[発明の目的] そこて本発明者は、光ファイバーのもつ無誘導性、高絶
縁性、無放電性、耐熱性、耐酸性、可撓性、細径、軽量
などの種々の優れた特性や、電気的、また物理、化学的
に不安定な状態の下での測定可能なことなどの長所に着
目し、低損失光ファイバーを用いた遠隔地点における全
光学的な検出方法に基づくシランガス濃度測定方法およ
び装置を明らかにすることを目的とする。
[発明の構成] 上記目的を達成するための本発明に係るシランガス濃度
計測方法は、シランガスの濃度計測に用いる発光光源か
らの光を光ファイバーにより、シランガスの存在する空
間に導き、この空間を透過した光を、光ファイバーによ
り分光器に導き、この分光された光を、光検出塁により
電気信号に変換し、演算処理して、シランガスの光吸収
度な求め、これからガス濃度を検出することを特徴とす
る。
また上記目的を達成するための本発明に係るシランガス
濃度計測装置は、シランガスの固有吸収波長を含む光を
発する光源と、この光をシランガスの吸収セルまで導く
光ファイバーと、上記吸収セルを透過した光を導く光フ
ァイバーと、この光を分光する分光器と、この出力信号
によりシランガスの光吸収度を求め濃度を算出する演算
処理器とを具備したことを特徴とする。
本発明の好ましい実施態様は、■シランガスが5InH
tn+g (n = 1〜3 )であること、■シラン
ガスの濃度計測に用いる発光光源からの光が1−B終−
〜2.1斗■帯内、  2.21L−〜2.4p層帯内
、4.3ルlI〜4.8井■帯内、又は10.IIL■
〜I2゜57Lm帯内にあるシランガスの固有吸収波長
を含むことである。
[発明の利点] 本発明は、低損失光ファイバーを光の往復の伝送路とし
て用い、シランガスの固有の波長における光吸収を遠隔
的に検出して濃度分析を行うものである。従って従来市
販されているガスセンサーと金属ケーブルを用いた電気
的な方法に比べて防爆で安全度が高いなどの利点がある
さらに、レーザー光を大気中に放射するレーザー・レー
ダ方式では光源の高出力化や人体・肉眼などへの危険性
が実用上の問題点となるのに対し、本発明に係る方法な
いし装置は全く安全で。
しかも信頼性と経済性に優れたりモートセンシング技術
である。
[実施例] 以下1図面を参照しながら本発明のシランガス濃度の測
定方法およびその装置の詳しい内容を説明する。
本発明は、近年光通信用として開発された例えば石英系
光ファイバーもしくはフッ化物ガラス系ファイバーのよ
うな超低損失のファイバーを利用するものである。
このような光ファイバーは1.0〜2.0の波長域て光
の伝送損失が低く、またフッ化物ガラス系光ファイバー
は2〜4pL謙、カルコゲナイドガラス系光ファイバー
は1〜10終■、ハロゲン化物結晶系光ファイバーは1
−111Li+の波長域で光の伝送損失が低い、又、シ
ランガスは1.9 JLII帯、2.3 p、m帯、4
.5ル謹帯、10終鳳帯に固有の吸収帯がある。
本発明は以上のような新たな知見にもとづいてなされた
ものである。即ち、伝送路として用いる光ファイバーに
よる損失が少なく、シランガスの固有吸収帯の波長域を
選ぶことにより、本発明の目的である測定地点が遠く離
れている地点におけるシランガス濃度を正確に、しかも
迅速に測定できるようにしたものである。
第2図に、ip、麿から4μ層の波長域のシランガスの
吸収特性を求めるために用いた測定装置の概略図を示す
ヨウ素タングステン光m1llより放射された光は、グ
レーティング分光器12を通り、単色光にされ1回転鏡
で二元束に別けられ、その内一つの光束は、サンプルセ
ル14を通りだあと再び一光束にされ、検知器15(例
えばPbS半導体検知器)で電気信号に変換する。上記
検知器を出た電気信号は前置増幅器16で増幅され、そ
の後直ちにA/D変換器17でディジタル量に変換され
マイクロコンピュータ−(CPU)18により演算結果
は直接表示器19により表示されるか、又は記録計20
に出力することにより求めた。
第3図に、lILgから41L−の波長域のシランガス
の吸収特性を求めるために用いたサンプルセル(吸収セ
ル)の概略図を示す。
光の入射する円形の石英製の窓41と、その光の出射す
る円形の石英製の窓42とをもつサンプルセルで、該セ
ルの円筒状の側壁43の上部に、ガスの流入口44およ
びガスコック46と、ガスの流出口45およびガスコッ
ク47とをもつた構造のものを用いた。このサンプルセ
ルでの光路長は、およそ5c蓋である。
第4図〜第7図は1本発明の対象となる一連のシランガ
スの吸収特性を示す、まずはじめに1.9 p、m帯付
近の吸収特性を示す。
PJ4図の吸収特性は、上記サンプルセルな用い、1気
圧のモノシラン(SiH,)ガスにおいて得られたもの
である。
モノシランの場合、1.67IL−から1.!15p鳳
にかけて比較的ブロードな吸収帯が[I測されており。
赤外領域での振動準位間の遷移に基づく吸収特性の詳細
な解析から、1.8〜2.1 p、m領域の吸収は、5
i−Hの伸縮振動の2倍音にざらに変角振動が結合した
高調波吸収帯によるものと考えられる。
同様に第5図は、高次シランガスの代表例であるジシラ
ン(SiaHs)ガスについての吸収特性を示す。前述
のモノシランの場合に比べ、〜0.05IL■長波長側
に吸収極大がシフトしているものの、はぼ同様の波長範
囲にシラン固有の吸収特性を与えている。
次に、2.31L■帯付近の吸収特性を示す。
第6図の吸収特性は、上記サンプルセルな用い、1気圧
のモノシラン(Sit(<)ガスで得られたものである
この図から、 2.2 JL■か62.4 gvrにか
けて比較的ブロードな吸収帯がtlI測されており、上
述したように伸縮振動の高調波吸収帯によるもののうち
、2倍音による吸収帯によるものと考えられる。
第7図の吸収特性は、1気圧のジシラン(s+2Ng)
ガスに得られたものである。
前述のモノシランの場合にくらべ、〜Q、054 m長
波長側に吸収極大がシフトしている傾向は、第5図で得
られた結果と同様である。
以上の実験本実より、シランガスは、IJO〜2.1μ
mおよび2.2〜2.44mにシラン固有の吸収帯が存
在することが1本発明ではじめて明らかとなりだ。
第8図はモノシラン、第9図はジシランでの5i−Hの
伸縮振動の吸収特性の測定結果である。これより、シラ
ンガスは、4.3〜4.81Lvr帯内に固有の吸収を
もっていることがわかつた。
また、第1O図は、そノシラン、第11図はジシランで
の5t−Hの変角振動の吸収特性の測定結果である。こ
れより、シランガスは、10.5〜12.5JL■帯内
に固有の吸収をもっていることがわかった。
これらの吸収波長帯を利用し、光伝送路として石英系も
しくはフッ化物ガラス系の光ファイバーとして用いるこ
とにより、遠隔地にあるシラン濃度を、外部環境のvI
’llを受けずに、高精度、高信頼性にて測定できる。
次に、上記の吸収帯を利用したシラン濃度を計測する方
法について説明する。
通常、光吸収セルに入射する光の強度Io、透過する光
の強度11との間には、ランバート・ベールの法則によ
り、物質の濃度C1物質層の厚さ見、吸収光係数aとす
ると、吸・程度Aは。
A=log(I l/ I o ) −a cJL・=
(1)で表されることから、光の強度1.、IIを比較
すれば、物質の濃度Cが求められる。
従って、シランガスの濃度を計測する場合は。
1.80〜2.11411帯のシランガスの固有吸収波
長に一部または全部を含む光源から光強度■。と、この
光が吸収セルを透過した後の光強度■、とを比較するこ
と、つまりシランガスの存在する吸収セル中を通過した
際にどの程度吸収されたかを求めればよい。
具体的には、シランガスの濃度を吸収率によりて求める
場合、まずシランの固有吸収波長帯である1、8〜2.
I ILmにおいて、少なくとも1つの波長を中心波長
とする狭い波長帯を選ぶ。
例えば、モノシランでは1.90〜1.941Lmが帯
域透過フィルターなどによって選択される。これらの狭
い波長帯の光を含む光がシランガスの存在する吸収セル
中を通過し、この際に前述の狭し)波長帯の光がどの程
度吸収されるかによって、シランガスの濃度がその吸収
率から測定される。
上述した狭い波長帯を1つ又は複数個使って、シランガ
スの濃度を吸収率によって求める場合には、通常シラン
ガスによって光の吸収カイ行われない波長域から、少な
くとも1つの測定波長を中・6波長とする狭い波長帯を
選び、シランガスによって吸収された少なくとも1つの
測定波長とシランガスによって光の吸収されない少なく
とも1つの参照波長との光の強度比を1つまたは複数個
とって、シランガスの濃度を測定することができる。
第1図に上述した方法でのシランガス濃度計測装置の1
つの実施例を示す。
図において、1は光源である。この場合、へロゲンラン
プを用いたが、望ましくは、発光エネルギー強度が大き
くできるレーザーなどがよいが。
小型で軽量の利点がある半導体発光素子でもよい。
光源lからの光を、レンズなどの光学素子2を介して、
光ファイバー3の一端部に導く、この光ファイバー3の
他端部にはシランガスのセルが設けられている。前記の
主力光は光ファイバー3を介して、サンプルセル4に伝
送され、シランガスの固有波長ての吸収が起こり光の強
度が減少する。
この光は、サンプルセット4の一端部に設けられた光フ
ァイバー5を介して、分光器6に伝送される。
分光器6はフィルターあるいは分光素子によって構成さ
れ透過光の波長選択を行うもので、この分光器6の出力
光は検出器7に導かれ光の強度に応じた電流に変換され
た後、増幅器8を介して該電気信号は演算処理器9例え
ばマイクロコンピュータに入力される。
このコンピュータ9では測定したシランガス成分の濃度
とその時間的変化などのデータを演算するものであり、
この演算結果はデータ表示器10によりて表示される。
尚、サンプルセル4は、光源l、光学素子2及び分光器
6.検出器7.コンピュータ9より光ファイバー3.5
を介して離間して設置される。
又、検出器7としては透過光の強度が弱い場合、近紫外
から可視ないし近赤外の波長域においては光へテロタイ
ン検出法が適用され、透過光の高感度検出が行なわれる
さらに、電子計算機9による濃度測定には種々の方法が
適用できるが、精度よく、かつデータ処理の容易な方法
としては差分吸収法が適当である。これは、固有吸収ス
ペクトルの吸収の中心付近の波長を用いて、両波長での
物質の透過率の差を計測し、あらかじめ測定などで知ら
れた両波長間の吸収係数の差を用いて、その光路内にあ
る成分の濃度を精度よく求めるものである。
この差分吸収測定においては、上記の2波長の光は同時
に物質に入射させても、又は時間的に交互に入射させて
もよく、又入射自体は連続光でも、パルス光でも利用で
きることは明らかである。
サンプルセル4は1種々な構成や性能のものが考えられ
るが、測定感度の向上を計るには、セルの内部で光が多
重に反射を綴り返すような構成を宥する多重光路型セル
が有用である。その場合、セル内にガスを導入すること
が必要で、自然流入の他に、ポンプなとの使用が考えら
れる。大気中または大型容器中のガスの測定の場合には
、その中を自由伝播した後に、再び集光して光フアイバ
ー内に導入する方法も用いられる。
また、サンプルセル4を通過した透過光をその地点にお
いて検出して、電気信号に変換される場合には、光ファ
イバーは1通常の電気信号を伝送する電話回線や独立に
設置したケーブル等の伝送回線に置き代えられ、必要に
応じてその中間に増幅器などを挿入すればよい、この4
I虞はサンプルセル4を光・音響共振器で置換しても同
様である。
また、サンプルセルの透過光をその地点で検出し、その
電気信号を例えば、発光ダイオードまたは半導体レーザ
ーを用いて再び変調された光信号に変換する際は、その
光信号の伝送には光ファイバー5を使用すればよい。
さらに、光ファイバーの無電磁誘導、低損失の特性を生
かして、シランガスの無給電遠隔測定が可能である。特
に、大気汚染の測定のように多数の測定地点が離間して
いる場合で1も、実時間で測定することが可能であるた
め極めて有利である。
また光ファイバーは伝送する光を内部に閉じこめて全く
外部に光を漏らすことがないため1強力なレーザー光を
大気中に放射するレーザー・レーダ一方式による測定に
比べて人体や生物等に対しても全く安全である。
さらに、われわれの実験において、モノシランは、下W
lO,a%、から上限98%の範囲において空気中及び
塩素中で爆発的に燃焼したが、およそ1%以下は不燃性
であった。この値の1/10〜1/ 100てもモノシ
ラン濃度が検出できた。ジシラン、トリシランについて
も同様の結果を得た。
第12図は、シランガスを気相分解して、シリコン半導
体薄膜を堆積する反応室でのシランガス濃度計測の実施
例である。
5■は熱CVD、プラズマcVD、光CVD装置などの
シランガスを気相分解して、シリコン半導体薄膜を堆積
する反応室を示している。この反応器では、シランガス
を流入口52より導入し、流出053より排気する。ガ
スを流した状態て。
サセプタ59を加熱し、シランガスな気相分解して、シ
リコンの半導体si膜を基板58に堆積する。
この塩m装置でのシランガス濃度を計測するため、反応
室に光ファイバー54からの光を入射窓55を通して導
く、この反応室内を透過した光は、出射窓57を通して
、光ファイバー56に集められ、光検出器に導かれる。
これにより、シランガスを気相分解して、シリコン半導
体薄膜を堆積する反応室での、シランガス濃度計測がで
きる。
第13図は、シリコン半導体薄膜の堆積装置での、排気
管内での未分解シランガスの濃度計測の実施例である。
熱CVD、プラズvCVD、光CVD装置などの、シラ
ンガスを分解して、シリコンの半導体薄膜を堆積する装
置では、シランガスを反応室に導入し、分解しStを堆
積するが、未分解のガスは、排気装置、例えば、油回転
ポンプ等で排気し、その後ガス処理を行フている。
この排気装置は、1次側の吸気口と2次側の排気口があ
り、この2次側排気口では、シランガスは一度大気圧に
なるため、もっとも事故が多く。
発火、爆発等の安全対策が必要である0通常は、不活性
ガス、例えば窒素ガスなどを混合し、希釈して爆発限界
以下にしている。
本実施例では、2次側排気口のシラン濃度計測を示すも
のである。61は、シランガスを分解して、シリコン半
導体S膜を堆積する装置である。
この装置としては、熱CVD装置によるシリコンエビお
よびポリシリコン作成、およびプラズマCVD装置や光
CVDによるアモルファスシリコン作成装置などが含ま
れる。
62は上記反応装置のガスの排気口で、排気装!163
.例えば、油回転ポンプの1次側吸気口である。64は
2次側の排気口である。65は排気管と、光ファイバー
とをつなぐための治具である。66と67は、排気管内
のシランガス濃度を計測するための光ファイバーを示す
この場合、計測方法は第1図に示した方法な用いた。
以上の実施例により、排気装置の2次側排気管内の残留
シランガス濃度が計測できた。
[発明の効果] 以上詳述したように本発明によれば光ファイバーを介し
て光を測定地点まで伝送し、その地点に有るシランガス
によつて吸収された固有の波長を検出することにより、
実施例時間で安全にシランガス濃度を的確に測定し得る
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るシランガス濃度計測装置の一例を
示す概略ブロック図、第2図はシランガスの光吸収測定
装置の概略ブロック図、第3図はシランガスの光吸収用
サンプルセルの概略の断面図、第4図〜第11図は各々
シランガスの光吸収特性を示すグラフであって、第4図
はモノシランガスの吸収特性、ti45図はジシランガ
スの吸収特性、第6図はモノシランガスの吸収特性、第
7図はジシランガスの吸収特性、第8図はモノシランガ
スの伸縮振動の吸収特性、第9図は、ジシランガスの伸
縮振動の吸収特性、第1θ図は、モノシランガスの変角
振動の吸収特性、第11図は、ジシランガスの変角振動
の吸収特性を各々示す。 第12図は、シリコン半導体SS堆積装置堆積室内のシ
ランガス濃度計測の概略図、第13図はシリコン半導体
薄膜堆積装置の排気管内でのシランガス濃度計測の概略
図である。 l・・・光  源 2・・・光学素子 3・・・光ファイバー 4・・・シランガスセル 5・・・光ファイバー 6・・−分光器 7・・・光検出器 8・・・増幅器 9・・・演算処理器 10−・・データ表示器 11・−・光  源 12−・・グレーティング分光器 13−・・回転鏡 14−・・ガスのサンプルセル 15−・・光検知器 16−・・前置増幅器 17・−A / D変換器 18−CU P l9・・・表示器 20−・・記録針 41・・・光入射窓 42・・・光出射窓 43−・・セルの側壁 44−・・ガスの流入口 45・・・ガスの流出口 46・・・ガスコックその1 47・・・ガスコックその2 51・・・反応室 52・・・シランガス流入口 53・・・シランガス流出口 54・・・光ファイバー 55−・・光入射用窓 56・・・光ファイバー 57・・・光出射用窓 58・・・基板 59・・・サセプタ 61・・・シリコン半導体薄膜塩M1装置62−・・排
気装置の1次側吸気ロ 63・・・排気装置 64−・・排気装置の2次側排気ロ 65・・・排気管と光ファイバーとをつなぐための治具 66・・・光ファイバー 67・・・光ファイバー 第  1  図 1・・・光  源 2・・・光学素子 3・・・光ファイバー 4・・・シランガスセル 5・・・光ファイバー 6・・・分光器 7・・・光検出器 8・・・増幅器 9・・・演算処理器 10−・・データ表示器 第  4  図 1.7   1.t   /、f    2,0   
2.1  2.2;71.6 (P−) 第  5  因 /、7   /、?   /、り  λ、σ  2./
   22液冬 c庁ン 第6図 ス’    2.I    x、z    2.:5 
  24    コ、5  コ、l績4  tP−) 第7図 シρ 2./   2.λ  ジJ  2遼  2.f
  ユ、に彼” (/””) 第  8  図 ;皮未 ≠− 第  9  図 ′、艮hLμ→ 第10図 役ム(/1M−) 第11図 ジ火雀(P) S t −・・反応室 52−・・シランガス流入口 53−・・シランガス流出口 54・・−光ファイバー 55−・・光入射用窓 56−・・光ファイバー 57−・・光出射用窓 5 B−・・基  板 59−・・サセプタ 61−・・シリコン半導体S膜堆績装置62−・・排気
装置の1次側吸気口 63−−・排気装置 64−・・排気装置の2次側排気口 65−・・排気管と光ファイバーとをつなぐための治具 66・−光ファイバー 67−−・光ファイバー 第12図 第18図

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)シランガスの濃度計測に用いる発光光源からの光
    を光ファイバーにより、シランガスの存在する空間に導
    き、この空間を透過した光を、光ファイバーにより分光
    器に導き、この分光された光を、光検出器により電気信
    号に変換し、演算処理して、シランガスの光吸収度を求
    め、これからガス濃度を検出することを特徴とするシラ
    ンガス濃度計測方法。
  2. (2)シランガスがSi_nH_2_n_+2(n=1
    〜3)であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記
    載のシランガス濃度計測方法。
  3. (3)シランガスの濃度計測に用いる発光光源からの光
    が1.8μm〜2.1μm帯内、2.2μm〜2.4μ
    m帯内、4.3μm〜4.8μm帯内、又は10.1μ
    m〜12.5μm帯内にあるシランガスの固有吸収波長
    を含むことを特徴とする特許請求の範囲第1項又は第2
    項記載のシランガス濃度計測方法。
  4. (4)シランガスの固有吸収波長を含む光を発する光源
    と、この光をシランガスの吸収セルまで導く光ファイバ
    ーと、上記吸収セルを透過した光を導く光ファイバーと
    、この光を分光する分光器と、この出力を電気信号に変
    換する光検出器と、この出力信号によりシランガスの光
    吸収度を求め濃度を算出する演算処理器とを具備したこ
    とを特徴とするシランガス濃度計測装置。
  5. (5)シランガスがSi_nH_2_n_+_2(n=
    1〜3)であることを特徴とする特許請求の範囲第4項
    記載のシランガス濃度計測装置。
  6. (6)シランガスの濃度計測に用いる発光光源が1.8
    μm〜2.1μm帯内、2.2μm〜2.4μm帯内、
    4.3μm〜4.3μm帯内、又は10.1μm〜12
    .5μm帯内にあるシランガスの固有吸収波長を含む光
    源であることを特徴とする特許請求の範囲第4項又は第
    5項記載のシランガス濃度計測装置。
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