JPWO2016080532A1 - 光学的ガス濃度測定方法及び該方法によるガス濃度モニター方法 - Google Patents
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Abstract
Description
今日の様に、原子オーダーレベルからナノオーダーレベルでの成膜或いはエッチングの様な処理プロセスの実施機会が多い半導体製造プロセスにおいては、処理チャンバーへの導入直前の混合ガス中の各成分ガスの単位流量を微量領域まで正確且つ瞬時に計測することが必要である。
成膜時には、所定数の有機金属ガスが複数のバブリング容器の各容器の2次側から開閉弁に供給され、該開閉弁の開閉により合成された有機金属ガスが反応炉に供給され成膜される。
例えば、InGaP成膜時には、有機金属、例えば、TMI(トリメチルインジウム)供給ライン及びTMG(トリメチルガリウム)供給ライン、並びにPH3 (ホスフィン)供給ライン及びAsH3 (アルシン)供給ラインが反応炉に供給され、有機金属気相成長法(MOCVD法)により成膜される。
化合物半導体(GaAs基板使用)の半導体レーザやLED等では、多層膜をMOCVD法で成膜している。従来の化合物半導体の気相成長装置により多層膜を成膜する場合、ある層を成膜した後、次の成膜用有機金属ガスを複数の開閉弁を開閉して反応炉に供給するが、弁を開とした時、反応炉への流量が急に過大に流れ、指定流量値へ安定するまでの時間遅れが生じるため、成膜された膜厚の均一性が悪くなることがある。
また、反応炉の内圧を常に一定にするため、成膜時には反応炉内の全流量を常に一定にする必要がある。即ち、反応炉の内圧が一定でない場合には、内圧変動により膜厚が不均一となる。このため、ある層の成膜時に有機金属ガスを指定流量で供給するが、所定の反応炉内の全流量に満たない場合には、マスフローコントローラにより流量補償のためのキャリアガスを必要量供給するようにしている。
しかしながら、有機金属ガスの指定流量値が全成膜時とは異なる値となる場合、流量補償のキャリアガス流量も変更するが、該当のマスフローコントローラの流量変更において、変更値へ安定するまでの時間遅れがあるため、反応炉の内圧が一定になるまでの時間遅れが生じ、成膜の均一性が悪くなる。補償のキャリアガス流量の一定流量値になるまでの時間遅れのため、成膜間の急峻性が悪く、生成された半導体の特性が悪くなることがある。
又、別には、被測定対象(気体雰囲気)中の複数の化学成分の濃度を同一の測定系・同一条件で高精度にリアルタイムで測定できるガス濃度測定法もこれまで提供されてない。
更には、被測定対象中の化学成分の濃度を正確・迅速に且つナノオーダの極微量濃度域までリアルタイムで測定でき、様々な態様と形態において具現化され得る万能性を備えるガス濃度測定方法もこれまで提供されてない。
又、更には、被測定対象中の複数の化学成分の濃度を簡単な構成で正確且つ迅速にリアルタイムで測定できるガス濃度測定方法もこれまで提供されてない。
又、別には、被測定物(気体雰囲気)中の複数の化学成分の濃度を同一の測定系・同一条件で高精度にリアルタイムで測定できる。
更には、被測定対象中の化学成分の濃度を正確・迅速に且つナノオーダの極微量濃度域までリアルタイムで測定でき、様々な態様と形態において具現化され得る万能性を備えたガス濃度測定方法を提供できる。
図18において、光源1,2の点灯は、図示のごとくパルス幅T11(点灯時間)で規則的にON・OFFされる(パルス幅T11は光源1,2を点灯する光源点灯パルスPLのパルス幅である)。
受光センサは、図示のごとくパルス幅T12(受光センサが受光し、その受光量に応じた出力信号を出力している時間)で、規則的に点灯される(パルス幅T12は、受光センサをON/OFF駆動するセンサ駆動パルスSPのパルス幅)。
図18においては、センサ駆動パルスSPのON・OFFのタイミングは、光源点灯パルスPLのパルス幅T11内であるが、本発明においては、これに、限定されない。即ち、センサ駆動パルスSPのON・OFFのタイミングは、光源点灯パルスPLのON・OFFのタイミングと同じでも良い。
T11,T12,T13の関係を式で示せば、次の通りである。
本発明においては、本発明に関わる光学的ガス濃度測定方法を具現化するための光学的ガス濃度測定装置を起動させ、該装置が置かれている空間における背景光の絶対値の信号は、信号サンプリングタイミングST1,ST2で信号Δ1,Δ2として読みだすことが出来る(絶対値出力X)。
第一の波長の光(Lλ1)を発する光源1からの光を受光センサで受光する場合は、信号サンプリングタイミングST3,ST4で信号Δ3,Δ4として読みだすことが出来る。
第二の波長の光(Lλ2)を発する光源2からの光を同じ受光センサで受光する場合は、信号サンプリングタイミングST5,ST6で信号Δ5,Δ6として読みだすことが出来る。
更に、信号読み出し精度を上げるためには、
(Δ6-Δ5)-(Δ4-Δ3):(光源2+背景光による信号)−(光源1+背景光による信号)・・・(2)
として差分信号を得れば良い。
光源1,2による受光信号を差分出力信号として出力することで、回路系のノイズを除去することが出来るので、微弱な濃度であっても高精度で検出することができる。
図2に示す光学的濃度測定システム100は、光学的ガス濃度測定サブシステム100−1と制御・操作サブシステム100−2から構成されている。
光学的ガス濃度測定サブシステム100−1は、光学的ガス濃度測定装置100−3備えている。
光学的濃度測定サブシステム100−1は、光源部101、集光光学部102、受光センサ部106、差動信号形成部108、信号格納/処理部110、表示部112を備える。
制御・操作サブシステム100−2は、制御部113、操作部114で構成されている。
所望の化学成分の濃度が測定される被測定対象104は、測定時に集光光学部102と受光センサ部106の間の所定の位置に配される。
上述したような2種以上の異なる波長の光を照射可能な発光部は、1種の波長の光を照射可能な発光素子を2個以上有することができる。さらに、前記発光部は2種以上の異なる波長の光を照射可能な発光素子(多波長発光素子)を少なくとも1個有することが好ましい。これにより、装置内部に設置する発光素子の数を減らせるので、装置の小型化が可能になる
単一光源で2つの波長の光(Lλ1、Lλ2)を照射する場合は、光(Lλ1)と光(Lλ2)とは、被測定対象104に照射される前に波長選択光学フィルター等の手段で選択的に分離される。
単一光源で2つの波長の光(Lλ1、Lλ2)を照射する場合は、分光フィルター等の光学的波長選択フィルターを使用して、照射タイミングに合わせて該当の波長の光が照射さるように装置の設計がなされる。
本発明においては、光(Lλ2)としては、当該化学成分に対する吸収性がないか、光(Lλ1)の吸収性との差が大きい程、測定精度が向上するので、このような光(Lλ2)を採用することが好ましい。
同一の被測定対象で複数の化学成分の濃度を測定する場合は、光(Lλ1)は、測定される化学成分の数だけ用意される。即ち、N個の化学成分である場合は、光(Lλ1)は、n個の光(Lλ1n:nは正整数)が用意される。
光(Lλ1n:nは正整数)の中の該当の1つの光は、該当の一つの化学成分のみに対して吸収性を示し、他の化学成分のいずれに対しても吸収性を示さないか実質的に示さない波長もしくは波長域の光が選択される。光源部の光源は、この条件の光を発光するものが選択されて使用されるのは言うまでもない。
光(Lλ1)と光(Lλ2)は、被測定対象104に照射される際には、同一光軸若しくは実質的に同一な光軸上で照射されるのが好ましい。即ち、仮に、被測定対象104中に於いて、濃度測定の対象である化学成分が空間的・時間的に不均一分布であったり、斑分布であったりする場合でも、光(Lλ1)と光(Lλ2)の被測定対象104中を透過する位置が同一若しくは実質的に同一であると同時に測定時間が極めて短時間であるため、測定誤差の影響が極めて少なく高い精度で測定できる利点がある。
光(Lλ1)若しくは光(Lλ2)からなる照射光103は、被測定対象104に照射され、その結果、透過光105が被測定対象104の正反対側から出射する。
受光センサ部106は、この受光に応答して電気信号107を出力する。
信号107は、光(Lλ1)に基づく信号107aと、光(Lλ2)基づく信号107bの何れかの信号である。
信号107aと信号107bとは、設定された時間差で順次或いは同時に差動信号形成部108に入力される。
設定された時間差で入力される場合は、先に入力された方の信号は、場合によっては、差動信号を形成するためのタイミングに合わせて差動信号形成部108内の所定回路に所定時間ホールドされることもある。
信号107の入力に応じて差動信号形成部108から出力される差動出力信号109は、信号格納/処理部110に転送されて出力信号111を出力すべく格納/処理が施される。
出力信号111は表示部112に転送される。出力信号111を受信した表示部112は、測定した化学成分の濃度表示を表示部112の表示画面に出力信号111応じた値として表示する。
受光センサ部106を構成する受光センサは、フォトダイオードの様な単一素子でも良いし、所定数の受光画素が一次元配列したラインセンサ、二次元配列したエリアセンサでも良い。
測定すべき化学成分が被測定対象体104中で不均一である場合は、測定の位置依存性による誤差が測定精度を下げる可能性があるので、ラインセンサやエリアセンサを採用するのが好ましい。特に、被測定対象体104の光軸に垂直で透過光105が出射する出射面を覆う大きさの受光面を揺するエリアセンサの採用は、測定精度を一段と高める事が出来るので好ましい。
光(Lλ1)と光(Lλ2)とは、これまで単一波長の光で説明したが、本発明においては、これに必ずしも限定されることはなく、波長にバンド幅(波長域)を持たせても良い。即ち、本発明では、所定の波長域の光束を使用することも出来る。
図3は、本発明に係る光学的ガス濃度測定方法の好適な実施態様例の一つを説明するためのフローチャートである。
ステップ202において、所定の位置に被測定対象である検体104が適切に設置されているかも含めて検体104の有無が判断される。検体104が適切に設置されていることが判断されると、ステップ202で、検体104中の測定すべき化学成分の濃度を測定するのに必要且つ適切な第一の光(Lλ1)と第二の光(Lλ2)が選択される。
第一の光(Lλ1)と第二の光(Lλ2)の選択は、第一の光(Lλ1)用の光源101aと第二の光(Lλ2)用の光源101bを光学的濃度測定システム100の所定位置に設置、或いは分光器で分光することで成される。
光源の設置による場合は、検体104中の測定すべき化学成分の吸収スペクトルから第一の光(Lλ1)と第二の光(Lλ2)の選択が予め出来るので、ステップ201の前に、ステップ203を配することが出来る。
検量線の取得には、光学的ガス濃度測定システム100の記憶部に予め記憶されている検量線のデータを読み出すことで実行される他、図5で説明される様に、改めて検量線を作成することに依っても実行できる。
検量線の取得が完了したら、ステップ206で示されるように検体104の測定が開始される。
測定が開始されると、検体104には、所定の間隔のタイムシェアリングで、第一の光(Lλ1)と第二の光(Lλ2)が所定の時間、照射される。
検体104を透過してきた第一の光(Lλ1)と第二の光(Lλ2)は、受光センサ部106にセットされている受光センサで受光される(ステップ207)。
受光センサが、第一の光(Lλ1)と第二の光(Lλ2)の各透過光をタイムシェアリングで受光すると、受光の度に受光量に応じた大きさの出力信号が夫々出力される。この出力信号に応じて、「−log(1-ΔT)」が算出される(ステップ208)。
「−log(1-ΔT)」が検量線の範囲であれば、検量線データを基に検体104中の目的とする化学成分の濃度が導出される(ステップ210)。
図4は、図3の例に於ける信号出力タイミングを説明するためのタイミングチャートである。即ち、図4は、第一の光源101aの出力OUT1、第二の光源101bの出力OUT2、受光センサの出力OUT3、差動信号の出力OUT4およびガス濃度GCの時間応答を示すタイミングチャートである。
図4に示されるように、時間と共に段階的に増加するガス濃度GCの様子が、例えば、図4に示す、T1乃至T4のタイミングで出力信号(差動信号出力OUT4)を検出し、該検出した出力信号値と予め取得されている検量線とから導出される、目的のガスの濃度の変化として測定できる。
第一の光源の出力OUT1と第二の光源の出力OUT2が、図4に示す様なタイムミングで相互間の所定間隔と繰り返し間隔で同一軸上に出力されると、タイミングT1以前では、測定目的のガスが存在しないので、受光センサの出力OUT3は、同じ大きさのパルスS11、パルスS21として出力される。
タイミングT1とT2の期間、タイミングT2とT3との期間、タイミングT3とT4との期間では、パルスS12、S22,S13、S23,S14、S24が出力される。パスルS12,S13,S14の大きさはパルスS11と同じ大きさであるのに対して、パスルS22,S23,S24の大きさは、測定目的のガスの吸光の程度に応じて段階的に低くなっている。
即ち、第二の光源からの光が測定目的のガスに吸収され受光センサに受光される光量がガス濃度に応じて段階的に減少するため、パスルS22,S23,S24の大きさは、測定目的のガスの濃度の程度に応じて段階的に低くなる。
検量線を得るには、検量線取得装置を利用する。
検量線の取得が開始される(ステップST1)と、ステップST2において、光学測定セルの準備ができたか否かが判断される。
光学測定セルの準備ができたら、ステップST3に移行する。ステップST3において、所定のキャリアガスが所定単位量でセル内に導入されているかが判断される。
所定のキャリアガスが所定単位量でセル内に導入されていると判断されると、ステップST4に移行する。
このキャリアガスについては省略し、セル内が所定の真空度になっているかの判断のステップに変えても良い。このセル内が所定の真空度になっているかの判断も省略することが出来る。
いずれにしても、ステップST4に移行する前までに、セル内をクリーニングしておくことがより正確な検量線を得るのに必要である。
ステップST4では、複数の濃度の測定対象のガスを順次セルに導入し、各濃度のガスの吸光度を測定する。
測定が完了したら、ステップST5に移行する。
ステップST5では、吸光度の測定データを基に検量線を作成する。
こうして作成された検量線の一例が図6に示される。
図6は、ガス濃度GCと「−log(1-ΔT)」との関係の示したグラフである。
検量線が作成されたら、検体の濃度測定に移ることが出来る。
図7は、透過光によるガス濃度測定の例である。
主要部500においては、光源部は、第一の光(Lλ1)を発する第一の光源101aと第二の光(Lλ2)を発する第二の光源101bとから構成されている。
第一の光源101aから発せられた第一の光(Lλ1)は、集光光学部102で光軸上に集光されて照射光103aとして光軸上を通って被測定対象体104に照射される。照射光103aの中、被測定対象体104中で吸収し切れなかった量の光が透過光105aとして被測定対象体104から出射される。
透過光105aは、受光センサ部106の受光面に入射される。透過光105aが、受光センサ部106で受光されると、透過光105aの光量に応じて光電変換された電気信号107が受光センサ部106から出力される。受光センサ部106から出力された信号107は、差動信号形成回路で構成された差動信号形成部108に入力する。
第二の光源101bから発せられた第二の光(Lλ2)も第一の光(Lλ1)と同様に照射光103bとして光軸上を通って被測定対象体104に照射され、其れに応じて透過光105bが被測定対象体104から出射する。
第二の光(Lλ2)の場合は、被測定対象体104中に於いて吸収されないか、吸収されるとしても第一の光(Lλ1)に比べ吸収性が低いので、照射光103bと透過光105bに関しては、その光量は、同じか実質同じであるか、若しくは、その光量差が照射光103aと透過光105aとの光量差より少ない。
図7の例の場合が透過光による測定であるのに対して、図8の場合は、反射光による測定である以外は、図7の例と同じであるので詳述は省略する。
差動信号形成部900は、(電荷)積分アンプ902、サンプル/ホールド回路903、差動アンプ904で構成されている。
青果物等の濃度測定する対象である被測定対象体104に濃度測定用の所定の波長の光が照射されて生じる透過光、反射光或いは散乱光が、受光用のフォトダイオード901で受光されると、その受光量に応じた電気信号P1がフォトダイオード901から出力される。電気信号P1は積分アンプ902に入力される。
積分アンプ902は、検体107のガス濃度の微小な変化まで測定できるように高感度化するために設けてある。
積分アンプ902の出力信号は、サンプル/ホールド回路903に入力される。
サンプル/ホールドされたアナログ信号は差動アンプ904へ入力される。
次に、本発明を具現化した例をガス濃度の測定例で説明する。
複数の異波長光を用い、該複数の光をタイムシェアリングで照射することで濃度を測定する濃度測定方法の好適な実施様態の一つを記述する。
以下では、主に、測定に透過光を用いるガス濃度測定例の好適な実施様態の一つを説明する。
測定に透過光を用いる代わりに、反射光を用いる場合や、散乱光を用いる場合でも本発明の範疇に入ることは、断るまでもなく当該技術分野においては当然のことである。
検体(被測定対象)は、例えば、ガス配管を流れるガスである。
ガス配管(ガス供給ライン)には、測定に使用する光(測定光hλ)が入射する入射面と前記ガス配管中を透過して外部へと出射する出射面が設けてある。
該入射面、該出射面は、測定光hλに対して透過率が「1」若しくはほぼ「1」である材料で構成される。
前記ガス配管中を流すガスは単一種のガスであっても複数の混合ガス種であっても目的のガス濃度は測定できる。
以下では、検体としてのガスの種類としては、単一種の場合、例えば、トリメチルガリウム(TMGa)である場合について記述する。
検体のガスの種類としては、その他、トリメチルインジウム(TMIn)や4四塩化チタン(TiCl4)等も挙げられる。
トリメチルガリウム(TMGa)のガス濃度測定では、例えば、第一の光源101aとしては、中心光波長が500nmの光(Lλ1)を発光するLEDが採用され、その光強度は、1.0mW/cm2/nmとされる。
第二の光源101bとしては、中心光波長が230nmの光(Lλ2)を発光するLEDが採用され、その光強度は1.0mW/cm2/nmとされる。
受光センサ部106の出力信号107は、差動信号形成回路108に入力され、それに応じて差動信号形成回路108から出力信号109が出力される。
第一の光源101aは、検体104のガスの濃度に依存して吸光度が変化する光を放射する光源が、第二の光源101bは、検体104のガスの濃度に依存して吸光度が変化しない若しくは実質的に変化しない光を放射する光源が、それぞれ採用される。
また、図7に示す構成では、第一の光源101aの光路と第二の光源101bの光路は、集光光学部102がなければ、被測定対象104において異なっているが、同一光路に出来るだけ近くなるように、第一の光源101aと第二の光源101bとをできるだけ近接しては配するのが好ましい。
或は、集光光学部102の代わりに図10に示すように分岐型光ファイバ801を採用すれば、実質的に同一光路とすることができるので好ましい。
図11に示す差動信号形成回路900には、検体107のガス濃度の微小な変化まで測定できるように高感度化するために(電荷)積分アンプ902が設けてある。
(電荷)積分アンプ902の出力信号は、サンプル/ホールド回路903に入力される。
サンプル/ホールドされたアナログ信号はADC1301へ入力される。
ADC1301からは第一の光源に基づく光信号と第二の光源に基づく光信号とそれらの差動信号が出力される。
ここで、光源の出力とは、点灯時間に放射される光量で、指向性の高い光の場合は、受光センサで受光される光の光量に実質的に相当する。
本発明においては、図7乃至図9に記載される様に集光光学部102によって、光源101a、101bからの光を集光し、あるいは図10に示す様に分岐型光ファイバ801を採用することが出来るので、光源101a、101bの放射面を集光光学部102の入射面に、或は分岐型光ファイバ801の入射面に近接若しくは接触させて、光源101a,101bを配設すれば、光源101a、101bの点灯時間に放射される光量は、受光センサで受光される光の光量に近似若しくは実質的に相当させることが出来る。
一般的に、吸光度は下記の式で与えられる。
また、「ΔT」は吸光度差を示す。本実施様態では第一の光源101aに対してαが実質的に「0」となるとともに、第二の光源101bに対してαが2.18×10-4/ppmとなるように前記光路長を設定した。第一の光源101aから放射される光(Lλ1)の透過光の強度を「I1」とし、第二の光源101bから放射される光(Lλ2)の透過光の強度を「I2」とすると、「I1」は、第一の光源の光波長に対してガス濃度に係らず透過率差が実質的に「0」であることを用いると、式(1)は式(2)のように変形できる。
本方式では、ガス濃度によって吸収率が変化する第一の光源101aの出力OUT1と、吸収率がガス濃度に応じて変化しない第二の光源101bの出力OUT2とを用いて検体104の吸光度を高精度に計測することが出来る。
そのためにガス濃度が既知のリファレンスサンプルを用いて、その都度、検量線を作成するための測定をする必要が無い。
ガス濃度計として測定系やガスの温度などが変化したとしても安定に吸収率の変化を測定することが出来る。
ガス濃度が「0」の場合の第一の光源101aに基づく積分アンプ902における積分電荷量(1)と第二の光源101bに基づく積分アンプ902における積分電荷量(2)とが等しく、若しくは実質的に等しい様にセットアップする。
本実施様態での積分時間(1)と積分時間(2)は、それぞれ4.0msec、2.0msecとした。
この時、ガス濃度に対する測定された吸光度の値と、計測した信号に重畳するノイズの標準偏差の3倍の値との関係を図15に示す。
又、この電荷量を用いて測定を行った場合、ノイズの主成分はフォトンショットノイズであることが確認された。
更に、本発明の実施様態では、温度が変化したとしても光波長の異なる2つの光に基づく信号の差から出力を得ているため、温度によって変化する透過率の変動分をキャンセルすることが出来る。そのため、仮に、測定中に温度変動があったとしても安定した感度を高精度に得ることが出来る。
例えば、半導体の製造ラインのガス供給ラインに小型・軽量・簡便の特徴がる本発明に係る非破壊タイプの小型ガス濃度測定器をセットし、半導体の製造中のガス流れをモニタリングし、処方箋通りの単位流量(谷時間当たりの流量)、と流量比で所定のガスが供給されているか監視することが出来る。
小型ガス濃度測定器には、無線あるいは有線で通信できる通信モジュールを組み込んでおけば、所定のガスの濃度変化を時々刻々製造ラインの中央管理システムに伝送でき、送られてくるデータに基づいて中央管理システムからガス濃度を適切に管理・調整することが出来る。
このシステムでは、製造ラインに多数の小型ガス濃度測定器をセットして半導体を製造する場合にネットワーク管理が容易にでき、その性能をより効果的に発揮できる。
図12乃至図14において、図11に示す符番のものと同様の機能を果たすものには、図11に示す符番と同じ符番を付してある。
図12の場合は、差動信号出力905用の回路の加えて、差動前信号出力906用の回路が付加されている他は、図11の場合と同じである。
図13の場合は、図12の場合に比べて、サンプル/ホールド回路(903a,903b)から差動アンプ(904a、904b)へと信号が伝送される系統が2系統と、ADC1301が更に設けられている。ADC1301でA/D変換された信号出力1302が出力される。
この構成により、図12に比べて、積分アンプのオフセットを除去できる点で利点がある。
積分アンプ902と同様の積分(蓄積)アンプ部1401と、1/10倍アンプ部1402が設けられ、各差動アンプ部(904a、904b)には、差動出力を有するためにそれぞれ2つの計装アンプが設けてある。
この様な構成とすることに依って、差動アンプのオフセットを除去できる点で利点がある。
G×(Δ6-Δ4)−G×(Δ5-Δ3)・・・・(3)
G:計装アンプ(AD8222)を用いた差動増幅器の増幅率
として、信号レベルの差が小さい、(Δ6とΔ4)および(Δ5とΔ3)の組合せの信号の差分値を増幅し、その後、更に差分を取ることで、大きな信号範囲の微小な差分を高精度に得ることが出来る。
図16に、ガス濃度測定用のガス流路装置1600の概略が模式的に示される。
ガス流路装置1600は、ガス濃度測定セル1601を備えている。ガス濃度測定セル1601には、ガス流路1602が設けてあり、ガス流路上流には、ガスをガス流路1602に導入するためのガス導入路1603、ガス流路下流側には、ガス流路1602内のガスを導出するためのガス導出路1604が設けてある。
光源1605から発せられるガス濃度測定用の光をガス流路1602内のガスに照射するためにガス流路1602の上流側に光導入窓1607が設けられている。ガス流路の下流側には、検出用の受光素子1606にガス濃度検出用の光が照射されるように受光窓1608が設けられている。
ガス導入路1603から導入されるガスは、ガス流路1602中を光源1605から発せられる光の照射方向(矢印Aで示す)に沿って流される(矢印Bで示す)。
本発明においては、ガス流路1602は、直状形状の円筒、角筒などの直進構造のものが好ましい。
光導入窓1607と受光窓1608を構成する材料としては、測定光を効率よく透過する材料を使用するのが、光導入窓1607と受光窓1608とで吸収されることに依る光量補正をしなくて良いので望ましい。
UV光等の短波長の光を測定光に用いる場合は、サファイアなどのUV光透過材料を用いる。
光源1605から発せられる光の波長は、濃度測定対象のガスが吸収して、分解、重合、原子間結合の切断などを起こさない波長域から所望に応じて選択される。
好ましくは、濃度測定するガスが吸収はするが、分解などの化学反応をしない波長域の光を用いるのが望ましい。
ガス濃度測定セル1601は、例えば、図2に示す光学的濃度測定システム100における検体104の位置にセットすれば、光学的濃度測定システム100を用いて、所望のガスの濃度を測定することが出来る。
或いは、光源1605と光検出器1606を所定位置にセットした状態(ガス濃度測定装置1600)で、図17に示すガス濃度測定装置の位置にセットして使用することも出来る。
本発明においては、受光センサ部106や光検出器1606の構成要素である、フォトダイードやフォトトランジスタ等の受光素子からの出力信号に基いて形成される信号(例えば、電気信号107,107a、107b)は、電気回路において発生し得る電気的ノイズを出来るだけ軽減するために電圧信号とされるのが好ましい。
差動信号形成部(900,1000,1300,1400)内における信号も可能な限り電圧信号として形成或いは処理されるのが望ましい。
ガス供給装置1700は、昇華性の化学物質のガスの濃度を測定する機能を有するバブリング機能を備えたガス供給システムである。
図17において、ガス供給装置1700は、バブリング装置1700−1とガス供給部1700−2を備えている。
バブリング装置1700−1は、恒温水槽1703内に、濃度測定ガスの原料が納入されるソースタンク1704が収められている。
ガス供給部1700−2は、N2等の濃度測定ガスに対して不活性なガスの供給ラインとバブリング装置1700−1から供給される濃度測定ガスの供給ラインを備えている。
ガス導入パイプ1711から導入される不活性ガスは、3つの供給ラインに分かれて供給し得るように構成されている。
第一の供給ライン1707は、パージラインであり、ガス濃度測定手段1710内のガス流路内をパージする際に使用されるガス供給ラインである。
第一の供給ライン1707には、ガス流れの上流側から、マスフローコントローラ1701−1、バルブ1702−1、バルブ1702−4が順次所定位置に配設されている。
第二の供給ライン1708は、濃度測定ガスを適度に希釈するためのガス供給ラインであり、上流側から、マスフローコントローラ1701−2、バルブ1702−2、圧力ガージ1706、マスフローコントローラ1701−4、バルブ1702−5が順次、所定位置に配設されている。
第一の供給ライン1707と第二の供給ライン1708は、バルブ1702−4とバルブ1702−5の下流において合流されて、ガス濃度測定手段1710と接続されている。
第二の供給ライン1708には、マスフローコントローラ1701−4とバルブ1702−5との間に、ガス排気用の排気ライン1713−1が設けてある。
又、マスフローコントローラ1701−4にもガス排気ライン1713−2が設けてあり、バルブ1702−7の開閉量に応じてガス排気するようになっている。
第三の供給ライン1709は、バブリングされて供給される濃度測定対象のガスを供給するためのガス供給ラインである。
第三の供給ライン1709は、圧力ガージ1706とマスフローコントローラ1701−4との間で、第二の供給ライン1708に結合されている。
第三の供給ライン1709には、上流側から、バルブ1702−3、圧力コントローラ1705が、所定の位置に配設されている。
バブリングする際には、マスフローコントローラ1701−3から供給される不活性ガスは、第三の供給ライン1709の途中に結合されているバブリングガス導入ライン1714−1を通じて、ソースタンク1704内の原料液1715内に導入される。
原料液1715は、測定対象のガスの原料であり、ガス成分の液化したもの、或いは、ガス成分を溶媒中に溶存させた溶液であってもよい。
バブリングガス導入ライン1714には、バルブ1702−8、1702−9が配設されている。
バルブリングによってソースタンク1704内に発生するバブリングガスは、バブリングガス導出ライン1714−2を通じて、第三の供給ライン1709に供給される。
バブリングガス導出ライン1714−2の下流端は、バルブ1702−3と圧力コントローラ1705との間において、第三の供給ライン1709に繋がれている。
バブリングガス導出ライン1714−2には、上流側から順にバルブ171702−10、1702−11が配設されている。
ガス濃度測定手段1710は、例えば、前述したように、ガス濃度測定装置1600が用いられる。
ガス濃度測定手段1710の下流には、FT−IR(フーリエ変換赤外分光光度計)1712が設けられている。
FT−IR1712を通過したガスは、例えば成膜用などの反応室に導入されるべくさらに下流側に給送される(矢印1700A)。
FT−IR1712は必要に応じて設けられるもので、本発明においては必須ではない。
ガス濃度測定手段1710の測定値との比較が必要な場合に、設けられる。
例えば、ガス濃度測定装置1600やガス濃度測定セル1601を測定対象のガスがガス状態を維持し得る環境温度の雰囲気内に配設するか、ガス濃度測定セル1601内の少なくともガス流路1602内の雰囲気温度が測定対象のガスがガス状態を維持し得る温度の保たれるように、ガス濃度測定装置1600やガス濃度測定セル1601の適当な個所にヒータ等の加熱手段を設けるのが好ましい。
次に、図17の装置で実際に測定する一例を説明する。
先ず、測定の準備として、測定前に、マスフローコントローラ(MFC1)1701−1を介してトリメチルガリウム(TMGa)などのMO材料をガス状態でガス流通ライン内に供給する前に、使用する測定光であるUV光に吸収のない窒素(N2)ガスでガス流通ライン内をパージする。
その際のバルブの開閉は、バルブ1702−7開、バルブ1702−6開、バルブ1702−5閉、バルブ1702−4開である。
この間、マスフローコントローラ(MFC3)1701−3でソースタンク内にN2ガスを供給し、バルブリングする。
マスフローコントローラ(MFC2)1701−2、1701−3の流量比をコントロールしてMO材料のガス濃度を変化させる(検量線作成時)。
これによってガス濃度測定手段1710に設けてある測定セルに供給するガス流量が変化するので、マスフローコントローラ(MFC4)1701−4で一定流量として、残りのガスはバルブ1702−7を介して外部に排出する。
MO材料のガス濃度を一定濃度とするために測定セルにMO材料のガスを供給しないときも窒素パージが必要である。
測定する際には、バルブ1702−6閉、バルブ1702−5開、バルブ1702−4閉、の夫々を同時に行って測定セル内にMO材料のガスを供給する。
測定後は、バルブ1702−4開、バルブ1702−5閉、バルブ1702−6開を同時に行ってガス流通ライン内を窒素ガスで置換する。
図17で、モニター濃度が目標濃度に対して偏差がある場合、マスフローコントローラ(MFC2)1701−2流量を変化させ、偏差を小さくするように制御する。即ち、目標濃度が高い場合、マスフローコントローラ(MFC2)1701−2の流量をあげ、目標濃度が低い場合、マスフローコントローラ(MFC2)1701−2の流量をさげる(ケースA)。
若しくは、タンク1704の内圧を変化させる。即ち、目標濃度が高い場合は、圧力コントローラ(UPCUS)1705の制御圧をあげてタンク1704内圧をあげ、目標濃度が低い場合は、圧力コントローラ(UPCUS)1705の制御圧を下げてタンク1704内圧を下げる(ケースB)。
タンク1704の容量が大きい場合は、短時間で対処できるケースAを選択してコントロールするのが好ましい。
図18は、本発明のガス濃度測定方法を適用した電子デバイスの生産ラインの好適な一例を説明するための模式的構成図である。図18において、
図17と同じものは、図17の符番で示してある。
図18の場合が、図17の場合と異なるのは、生産ライン1800におけるガス流量の監視とコントロールが中央管理室1802にある中央モニター・コントロールシステム1803からの指示で成されているということである。
生産ライン1800と中央管理室1802にある中央モニター・コントロールシステム1803との間は、無線で交信される。勿論、有線交信手段を用いても差し支えない。
生産ライン1800における、マスフローコントローラ(1801−1〜1801−3)、圧力コントローラ1805、ガス濃度測定手段1710の夫々には、無線通信アンテナを備えた通信手段1804と交信するとともに該当の機器をコントロールする機能を備えた通信手段(1806−1〜1806−6)が設けられている。
図18に示す各バルブには、図示されてないが、通信手段(1806−1〜1806−6)と同様の通信手段が設けられており、バルブの開閉コントロールは、中央モニター・コントロールシステム1803からの指示で成される。
100−1 光学的ガス濃度測定サブシステム
100−2 制御・操作サブシステム
100−3 光学的ガス濃度測定装置
101 光源部
101a、101b 光源
102 集光光学部
103、103a、103b 照射光
104 被測定対象
105、105a、105b 透過光
106 受光センサ部
107、107a、107b 電気信号
108 差動信号形成部
109 差動出力信号
110 信号格納/処理部
111 出力信号
112 表示部
113 制御部
114 操作部
201〜211 ステップ
500、600、700,800 光学的ガス濃度測定システム
801 分岐型光ファイバ
801a、801b 分岐光学路
802a、802b 照射光
900、1000、1300、1400 差動信号形成部(回路構成)
901 フォトダイオード
902 積分アンプ
903、903a、903b サンプル/ホールド回路
904、904a、904b 差動アンプ
905 差動信号出力
906 差動前信号出力
1301 ADC
1302 信号出力
1401 積分アンプ部
1402 1/10倍積分アンプ部
1600 ガス流路装置
1601 ガス濃度測定セル
1602 ガス流路
1603 導入路
1604 導出路
1605 光源
1606 光検出器
1607 光導入窓
1608 受光窓
1700 ガス供給装置
1700A、1700B,1700C ガスの流れ方向
1700−1 バブリング装置
1700−2 ガス供給部
1701−1〜1701−4、1801−1〜1801−4 マスフローコントローラ
1702−1〜1702−11 バルブ
1703 恒温水槽
1704 ソースタンク
1705 圧力コントローラ
1706 圧力ゲージ
1707 第一の供給ライン
1708 第二の供給ライン
1709 第三の供給ライン
1710 ガス濃度測定手段
1711 ガス導入パイプ
1712 FT−IR
1713−1、1713−2 排気ライン
1714−1 バブリングガス導入ライン
1714−2 バブリングガス導出ライン
1715 原料液
1800 生産ライン
1802 中央管理室
1803 中央モニター・コントロールシステム
1804、1806−1〜1806−6 通信手段
Lλ1 第一の波長の光
Lλ2 第二の波長の光
Claims (6)
- ガス流路を備えた光学的ガス濃度測定手段が所定位置に配設されているガス供給ラインから原料ガスを処理チャンバー内に導入して化学処理若しくは物理処理を実施する際に、前記ガス流路中の前記原料ガスに、
前記原料ガスに対して吸収性がある第一の波長の光と、前記原料ガスに対し吸収性がないか実質的にないかもしくは前記第一の波長の光よりも吸収性が比較的低い第二の波長の光と、を同じか実質的に同じ光路に沿ってタイムシェアリング法によって照射し、
前記光路より出射する前記第一の波長の光に基づく第一出射光と前記第二の波長の光に基づく第二出射光とを前記光路の終端側に配された光検出器で受光し、
該受光によって前記光検出器が出力する前記第一出射光に基づく第一の信号に応じた第一の差動回路入力信号と前記第二出射光に基づく第二の信号に応じた第二の差動回路入力信号とを差動回路に入力し、
該入力に応じて前記差動回路から出力される出力信号に基づく測定値を予め記憶手段に記憶されているデータと照合して前記原料ガスの濃度を導出することを特徴とする光学的ガス濃度測定方法。 - 前記第一の信号と前記第二の信号が電圧信号である請求項1に記載の光学的ガス濃度測定方法
- 前記第一の差動回路入力信号と前記第二の差動回路入力信号が電圧信号である請求項1に記載の光学的ガス濃度測定方法
- ガス流路を備えた光学的ガス濃度測定手段が所定位置に配設されているガス供給ラインから原料ガスを処理チャンバー内に導入して化学処理若しくは物理処理を実施する際に、前記ガス流路中の前記原料ガスに、該原料ガスに対しての光吸収率が異なる第一の波長の光と、第二の波長の光とを前記原料ガスにそれぞれタイムシェアリング法で照射し、各波長の光の該照射によって前記原料ガスを光学的に介してくる前記各波長の光を共通の受光センサで受光し、
該受光に応じて前記受光センサから出力する前記第一の波長の光に関する第一の信号と第二の波長の光に関する第二の信号の差動信号を形成し、
該差動信号に基づいて前記前記被測定対象における化学成分の濃度を導出することを特徴とする光学的ガス濃度測定方法。 - 第一の信号と第二の信号が電圧信号である請求項4に記載の光学的ガス濃度測定方法。
- 前記差動信号が電圧信号である請求項5に記載の光学的ガス濃度測定方法。
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