TWI842862B - 光學分析裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供光學分析裝置，通過在試樣測量和參考測量中使光路長度維持相同，提高測量精度，分析流過具有透光性的配管（H）的試樣的光學分析裝置（100）具備：具有光源（21）和聚光透鏡（22）的光源單元（2），檢測光源單元（2）的光的光檢測單元（3），以及將光源單元（2）和光檢測單元（3）支撐成可移動的支撐機構（4），支撐機構（4）使光源單元（2）和光檢測單元（3）在試樣測量位置（S）和參考測量位置（R）之間移動。

Description

光學分析裝置

本發明涉及例如測量半導體製造工序等中使用的藥液等的成分濃度的光學分析裝置。

以往，如專利文獻1所示，考慮透過使光學系統移動來切換取得參考光強度訊號的參考測量和取得試樣光強度訊號的試樣測量。

在該光學分析裝置中，具有對來自光源的光進行反射的一對反射鏡，在光源和光檢測器固定的狀態下，能將一對反射鏡移動到對測量單元照射光的試樣測量位置和不對測量單元照射光的參考測量位置。

現有技術文獻

專利文獻1：日本專利公開公報特開2015-137983號

可是，在如上述的光學分析裝置那樣透過使一對反射鏡移動來切換光路的結構中，試樣測量中的光路長度（從光源至光檢測器的光學距離）與參考測量中的光路長度不同。此外，由於一對反射鏡的位置再現性，如果試樣測量位置或參考測量位置偏移，則各試樣測量中光路長度發生變化或各參考測量中光路長度發生變化。如果像這樣光路長度發生變化，則會產生測量誤差，從而難以高精度管理藥液的規定成分的濃度。

在此，為解決上述問題，本發明的主要目的是在試樣測量和參考測量中能將光路長度維持相同，以便提高測量精度。

即，本發明的光學分析裝置分析流過具有透光性的配管的試樣，所述光學分析裝置的特徵在於，包括：具有光源和聚光透鏡的光源單元；檢測所述光源單元的光的光檢測單元；以及將所述光源單元和所述光檢測單元支撐成可移動的支撐機構，所述支撐機構使所述光源單元和所述光檢測單元在試樣測量位置和參考測量位置之間移動，所述試樣測量位置是所述光檢測單元借助所述配管檢測所述光源單元的光的位置，所述參考測量位置是所述光檢測單元不借助所述配管檢測所述光源單元的光的位置。

按照上述光學分析裝置，由於具有光源及聚光透鏡的光源單元和用於檢測光源單元的光的光檢測單元在試樣測量位置和參考測量位置之間移動，所以相比現有的使一對反射鏡移動的結構，能夠降低光路長度的變化。其結果，能在試樣測量和參考測量中使光路長度維持相同，可以提高測量精度。

近年，開發有透過像藥液監測器等那樣在藥液流動的配管上安裝光學分析裝置來測量藥液的規定成分的濃度的在線型裝置。這裡，藥液流動的配管大多是圓筒狀，像稜角形單元那樣在照射平行光或與其接近的光時，因根據藥液等液體試樣的溫度和濃度而產生折射率的變化，因此由光檢測器檢測的光量容易變化。其結果，會產生測量誤差，難以高精度管理藥液的規定成分的濃度。

因此，優選在所述試樣測量位置上，所述光源單元的聚光透鏡將所述光源的光聚光到所述配管的內部。

按照上述結構，由於在試樣測量位置上利用光源單元的聚光透鏡將光源的光聚光到配管的內部，所以即使因試樣的溫度變化或濃度變化而導致試樣的折射率改變，也可以使透過配管和試樣時產生的折射的變化減小。其結果，不易受到試樣的折射率變化的影響，可以提高測量精度。

為了盡可能減小試樣測量和參考測量的光路長度的變化，優選所述支撐機構在不改變所述光源單元和所述光檢測單元的相對位置的情況下，使其在所述試樣測量位置和所述參考測量位置之間移動。

作為用於使光源單元和光檢測單元的相對位置固定的實施方式，優選所述支撐機構包括：固定設置的基座構件；將所述光源單元和所述光檢測單元連結的連結構件；以及滑動驅動部，設置於所述基座構件，使由所述連結構件連結的所述光源單元和所述光檢測單元相對於所述基座構件滑動移動。

按照上述結構，由於光源單元和光檢測單元透過連結構件成為一體，因此可以利用一個滑動驅動部使光源單元和光檢測單元一起滑動移動。其結果，能實現光學分析裝置的小型化。

這裡，考慮光檢測單元具有分光器。此時，光檢測單元變得比光源單元更重。

此時，為了使利用連結構件成為一體的光源單元和光檢測單元穩定地滑動移動，優選所述滑動驅動部具有設置在所述基座構件和所述光檢測單元之間的線性導軌，所述光源單元和所述光檢測單元被所述線性導軌支撐成能相對於所述基座構件移動。

為了準確測量試樣的吸光度，優選還具備定位部，以使所述配管的中心位於處於所述試樣測量位置的所述光源單元的光軸上的方式進行定位。

為了即便是不同尺寸的配管也能夠準確定位，優選所述定位部構成為根據所述配管的直徑可更換。

按照上述的本發明，不僅能夠在試樣測量和參考測量中使光路長度維持相同，還不易受到試樣的折射率變化的影響，可以提高測量精度。

以下，參照附圖對本發明的一個實施方式的光學分析裝置進行說明。

>1．裝置結構>

本實施方式的光學分析裝置100用於測量例如半導體製造工序等中使用的藥液等的成分濃度。這裡，作為藥液，可以列舉SC－1（氨過氧化氫水溶液）、SC－2（鹽酸過氧化氫水溶液）、SPM（硫酸過氧化氫水溶液）、FPM（氫氟酸過氧化氫水溶液）、BHF（緩衝氫氟酸溶液）等。另外，使用由光學分析裝置100得到的濃度控制藥液的濃度等。

具體而言，光學分析裝置100能裝卸地安裝在具有透光性的例如圓筒狀的配管H上，採用分光分析法測量流過該配管H的液體試樣的成分濃度。另外，配管H由耐藥品性優異的氟系樹脂（PFA）形成。

而且，如圖1～圖3所示，光學分析裝置100具備：光源單元2；檢測光源單元2的光的光檢測單元3；以及將光源單元2和光檢測單元3支撐為可移動的支撐機構4。

光源單元2具備光源21和聚光透鏡22。此外，光源21和聚光透鏡22之間設有切斷光源21的光的快門機構23。

光源21為LED。作為該LED，例如是發出近紅外區域的波長的光的近紅外LED，或發出可視區域的波長的光的可視LED，是根據作為測量對象的液體試樣的種類而適當選擇的。此外，聚光透鏡22將光源21的光聚光並照射到配管H。

光檢測單元3具有聚光透鏡31和分光器32。

聚光透鏡31將光源單元2的光聚光，並聚光到分光器32的入射狹縫32S。

分光器32對從入射狹縫32S入射的光進行分光，並檢測其分光光譜（各波長的光量）。由該分光器32得到的分光光譜數據（光強度訊號），輸出到訊息處理裝置COM的計算部。而後，訊息處理裝置COM的計算部根據由分光器32得到的分光光譜計算液體試樣的吸光度光譜，並採用該吸光度光譜計算液體試樣所含的成分的濃度。

支撐機構4使光源單元2和光檢測單元3在試樣測量位置S與參考測量位置R之間移動。

這裡，試樣測量位置S是配管H位於光源單元2和光檢測單元3之間並且光檢測單元3借助配管H對光源單元2的光進行檢測的位置。此外，參考測量位置R是配管H不位於光源單元2和光檢測單元3之間並且光檢測單元3不借助配管H而對光源單元2的光進行檢測的位置。在本實施方式中，試樣測量位置S中的光路長度和參考測量位置R中的光路長度相同。

具體而言，支撐機構4在不改變光源單元2和光檢測單元3的相對位置的情況下，使其在試樣測量位置S和參考測量位置R之間移動。

在本實施方式中，不僅在試樣測量位置S上的光源單元2和光檢測單元3的相對位置與參考測量位置R上的光源單元2和光檢測單元3的相對位置相同，而且在上述的位置之間移動期間（S→R，R→S）中，光源單元2和光檢測單元3的相對位置也相同。

而且，支撐機構4具備：固定設置在裝置主體側的基座構件41；連結光源單元2和光檢測單元3的連結構件42；以及滑動驅動部43，設置於基座構件41，使由連結構件42連結的光源單元2和光檢測單元3相對於基座構件41滑動移動。

基座構件41呈平板狀，用於對配管H進行定位，其端緣部形成有用於包圍配管H的切口部41K。

此外，基座構件41上設有參考光學構件5，所述參考光學構件5位於處在參考測量位置R的光源單元2和光檢測單元3之間。所述參考光學構件5是以與通過配管H的光在聚光到光檢測單元的聚光透鏡31上時的焦點位置大致相同的方式改變光源單元2的光的焦點位置的光學元件。此外，參考光學構件5也可以是在參考測量中調整光檢測單元3中的檢測光量的。另外，還可以不設置參考光學構件5。

連結構件42以光源單元2的聚光透鏡22與光檢測單元3的聚光透鏡31離開規定間隔相對的方式連結光源單元2和光檢測單元3。

在本實施方式中，連結構件42例如呈平板狀，連結構件42的一端部與保持件24連接，所述保持件24保持光源單元2中的光源21和聚光透鏡22。此外，連結構件42的另一端部與光檢測單元3的分光器32的箱體連接。這樣，從光源單元2至光檢測單元3的光路成為直線。具體而言，連結構件42連接在保持件24和分光器32的參考測量位置R側，並且形成有例如通孔等光學構件回避部421，以便在各單元2、3移動到試樣測量位置S時不與參考光學構件5干涉。這樣，可以使支撐機構4的移動方向上的尺寸小型化。

滑動驅動部43具備：設置在基座構件41和光檢測單元3之間的線性導軌431；使光檢測單元3沿該線性導軌431滑動移動的驅動部件432。

線性導軌431支撐光源單元2和光檢測單元3使其在試樣測量位置S和參考測量位置R之間直線移動。線性導軌431的滑塊和光檢測單元3的分光器32的箱體連接。這樣，光源單元2和光檢測單元3被線性導軌431支撐為能相對於基座構件41移動。

驅動部件432由例如氣缸構成。此外，也可以採用馬達和將馬達的旋轉轉換為直線移動的例如滾珠螺桿機構等的旋轉－直線轉換機構。

在試樣測量位置S中光源單元2的聚光透鏡22如圖4所示在配管H內將光聚光。即，入射到呈圓筒狀的配管H的外側面的光的入射角度，和向配管H照射平行光時相比，其入射位置上的與外側面的切線所呈角度變小。

而且，特別是如圖5所示，本實施方式的光學分析裝置100還具備定位部6，所述定位部6以使配管H的中心位於處於試樣測量位置S的光源單元2的光軸上的方式進行定位。

該定位部6設置在基座構件41上。具體而言，與上述的基座構件41的切口部41K連接。具體而言，定位部6包括：收容配管H的收容部61；以及將該收容部61中收容的配管H固定的固定部62。

收容部61在這裡是斷面呈大體Ｕ字形狀的，並且收容配管H中的沿其軸向的一部分。該收容部61的內表面中的曲面部分61a具有和配管H的外側面對應的曲率。

本實施方式的收容部61設置在處於試樣測量位置S的光源單元2和光檢測單元3之間，收容部61上形成有用於把來自光源單元2的光導向配管H的光通過窗W1，以及將通過配管H的光導向光檢測單元3的光通過窗W2。上述兩個光通過窗W1和W2形成在收容部61的彼此相對的側壁上。該收容部61透過使配管H的外側面與收容部61的曲面部分61a接觸，使配管H的中心軸位於光路上。

此外，收容部61構成為例如透過螺釘能夠相對於基座構件41裝卸。這樣，透過更換為與配管H的直徑對應的收容部61，不論配管H的直徑為多少，都可以使該配管H的中心軸位於光路上。

固定部62在安裝於收容部61的狀態下，將配管H按壓到收容部61。固定部62透過和配管H的外側面的一部分接觸，將配管H按壓到收容部61的曲面部分61a。本實施方式的固定部62構成為以能裝卸的方式安裝於收容部61，但是也可以透過以能裝卸的方式安裝於收容部61以外的構件並將配管H按壓到收容部61。

而且，在本實施方式中，上述的各結構2～10如圖1等所示，收容於殼體11。殼體11以能將配管H收容於收容部61的方式收容除了收容部61的開口部分以外的上述的各結構2～6。此外，所述支撐機構4的基座構件41固定於該殼體11。該殼體11借助未圖示的托架固定於配管H的周邊構件。另外，殼體11利用訊號線纜連接至訊息處理裝置COM。

>2．採用光學分析裝置100的分析方法>

接下來，對採用本實施方式的光學分析裝置100的分析方法進行說明。

首先將光學分析裝置100設置在配管H的附近。而後，透過將配管H收容於光學分析裝置100的收容部61，並安裝固定部62。這樣，配管H被定位在光學分析裝置100中。

在該狀態下光學分析裝置100進行參考測量（參照圖2）和試樣測量（參照圖1）。在參考測量中，利用訊息處理裝置COM的控制部控制支撐機構4的滑動驅動部43，以使光源單元2和光檢測單元3到達參考測量位置R，光源單元2的光透過參考光學構件5而被光檢測單元3檢測（參照圖2）。另一方面，在試樣測量中，利用訊息處理裝置COM的控制部控制支撐機構4的滑動驅動部43，以使光源單元2和光檢測單元3到達試樣測量位置S，光源單元2的光通過配管H而被光檢測單元3檢測（參照圖1）。

此外，透過利用訊息處理裝置COM的控制部控制光源單元2上設置的快門機構23進行通過切斷光源單元2的光源21的光來取得無光狀態下的光檢測單元3的檢測訊號的黑暗測量。利用黑暗測量得到的檢測訊號，用於修正由參考測量和試樣測量得到的光檢測單元3的檢測訊號。

>3．本實施方式的效果>

按照上述結構的本實施方式的光學分析裝置100，由於具有光源21和聚光透鏡22的光源單元2以及檢測光源單元2的光的光檢測單元3在試樣測量位置S和參考測量位置R之間移動，因此和現有的使一對反射鏡移動的結構相比，能夠降低光路長度的變化。此外，由於在試樣測量位置S中利用光源單元2的聚光透鏡22將光源21的光聚光到配管H的內部，所以即使因液體試樣的溫度變化或濃度變化而導致液體試樣的折射率發生改變，也可以減小通過配管H和液體試樣時產生的折射的變化。其結果，不僅能在試樣測量和參考測量中將光路長度維持相同，還不易受到液體試樣的折射率變化的影響，可以提高測量精度。

>4．其他的變形實施方式>

另外，本發明不限於上述實施方式。

例如，在所述實施方式中，支撐機構4的線性導軌431僅設置在光檢測單元3一側，但是也可以在光檢測單元3和光源單元2雙方設置。此外，還可以將支撐機構4的線性導軌431僅設置在光源單元2一側。

此外，按照上述實施方式的支撐機構4，光源單元2和光檢測單元3透過連結構件42連結，並且它們透過相同滑動驅動部43移動，但是可以在光源單元2和光檢測單元3分別設置滑動驅動部43，使光源單元2和光檢測單元3獨立移動。

而且，按照上述實施方式的支撐機構4，不僅在試樣測量位置S和參考測量位置R上光源單元2和光檢測單元3的相對位置不變，在其移動途中光源單元2和光檢測單元3的相對位置也不變的狀態下移動，但是只要在試樣測量位置S和參考測量位置R上其相對位置相同，在移動途中其相對位置可以變化。

上述實施方式說明了分析藥液等液體試樣，但是也可以分析氣體試樣。

此外，在不違背本發明的發明思想的範圍內可以進行各種實施方式的變形和組合。

100:光學分析裝置 H:配管 11:殼體 2:光源單元 21:光源 22:聚光透鏡 23:快門機構 24:保持件 3:光檢測單元 31:聚光透鏡 32:分光器 32S:入射狹縫 4:支撐機構 41K:切口部 S:試樣測量位置 R:參考測量位置 41:基座構件 42:連結構件 421:光學構件回避部 43:滑動驅動部 431:線性導軌 432:驅動部件 5:參考光學構件 6:定位部 61:收容部 61a:曲面部分 62:固定部 COM:訊息處理裝置 W1、W2:光通過窗

圖1是表示本發明一個實施方式的光學分析裝置的試樣測量的狀態的整體示意圖。 圖2是表示同實施方式的光學分析裝置的參考測量的狀態的整體示意圖。 圖3是表示同實施方式的支撐機構的細節的斷面圖。 圖4是表示同實施方式的焦點位置的斷面圖。 圖5是表示同實施方式的定位部的細節的俯視圖。

100:光學分析裝置

H:配管

11:殼體

2:光源單元

21:光源

22:聚光透鏡

23:快門機構

24:保持件

3:光檢測單元

31:聚光透鏡

32:分光器

32S:入射狹縫

4:支撐機構

41K:切口部

S:試樣測量位置

41:基座構件

42:連結構件

421:光學構件回避部

43:滑動驅動部

5:參考光學構件

COM:訊息處理裝置

Claims (6)

1. 一種光學分析裝置，分析流過具有透光性的一配管的試樣，所述光學分析裝置包括：具有一光源和一聚光透鏡的一光源單元；檢測所述光源單元的光的一光檢測單元；以及將所述光源單元和所述光檢測單元支撐成可移動的一支撐機構，所述支撐機構使所述光源單元和所述光檢測單元在一試樣測量位置和一參考測量位置之間移動，所述試樣測量位置是所述光檢測單元借助所述配管檢測所述光源單元的光的位置，所述參考測量位置是所述光檢測單元不借助所述配管檢測所述光源單元的光的位置，所述光學分析裝置還具備位於處在所述參考測量位置的所述光源單元和所述光檢測單元之間的一參考光學構件，所述支撐機構包括：固定設置的一基座構件；將所述光源單元和所述光檢測單元連結的一連結構件；以及一滑動驅動部，設置於所述基座構件，使由所述連結構件連結的所述光源單元和所述光檢測單元相對於所述基座構件滑動移動， 所述連結構件形成有光學構件回避部，以便在所述光源單元和所述光檢測單元移動到所述試樣測量位置時不與所述參考光學構件干涉。
2. 如請求項1所述的光學分析裝置，其中，在所述試樣測量位置上，所述光源單元的所述聚光透鏡將所述光源的光聚光到所述配管的內部。
3. 如請求項1所述的光學分析裝置，其中，所述支撐機構在不改變所述光源單元和所述光檢測單元的相對位置的情況下，使其在所述試樣測量位置和所述參考測量位置之間移動。
4. 如請求項1所述的光學分析裝置，其中，所述滑動驅動部具有設置在所述基座構件和所述光檢測單元之間的一線性導軌，所述光源單元和所述光檢測單元被所述線性導軌支撐成能相對於所述基座構件移動。
5. 如請求項1所述的光學分析裝置，其中，還具備一定位部，以使所述配管的中心位於處於所述試樣測量位置的所述光源單元的光軸上的方式進行定位。
6. 如請求項5所述的光學分析裝置，其中，所述定位部構成為根據所述配管的直徑可更換。