(57)【要約】【課題】配管中を流れる測定対象成分を高感度かつ高精度に測定することのできるインラインガス分析計を提供すること。【解決手段】ガスＧが流れる配管１内に形成され、光１０の多重反射が可能なガスセル相当部１Ａと、前記ガスセル相当部１Ａの近傍に設けられ、焦点位置の調整が可能な光源部７および複数の波長を検出する検出器部１１からなる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスが流れる配管内に形成され、光の多重反射が可能なガスセル相当部と、前記ガスセル相当部の近傍に設けられ、焦点位置の調整が可能な光源部および複数の波長を検出するための位置調整が可能な検出器部からなることを特徴とするインラインガス分析計。
【請求項２】
ガスが流れる配管の管壁に二つの光透過性窓を対向またはほぼ対向するように形成し、これらの窓にそれぞれ一部を光透過部として残して配管内部に面する光反射面を形成し、一方の窓の光透過部の外方に光源およびカセグレン鏡を備えた光源部を、前記光源を出た光がカセグレン鏡を経て一方の窓の光透過部に対して斜め入射するように設けるとともに、他方の窓の光透過部の外方に複数の波長の光を検出するための検出器部を設け、光源部を出た光が一方の窓の光透過部から配管内に入り、その後、二つの窓の光反射面間において複数回反射した後、他方の窓の光透過部を経て検出器部に入射するようにしたことを特徴とするインラインガス分析計。
【請求項３】
ガスが流れる配管の管壁に二つの光反射部を互いに対向またはほぼ対向するように形成し、一方の光反射部の配管の長手方向に適宜の間隔をおいて二つの光透過孔を形成し、一方の光透過孔の外方に光源およびカセグレン鏡を備えた光源部を、前記光源を出た光がカセグレン鏡を経て他方の光反射部に対して斜め入射するように設けるとともに、他方の光透過孔の外方に複数の波長の光を検出するための検出器部を設け、光源部を出た光が一方の光透過孔を経て配管内に入り、その後、二つの光反射部間において複数回反射した後、他方の光透過孔を経て検出器部に入射するようにしたことを特徴とするインラインガス分析計。
【請求項４】
カセグレン鏡の主鏡と副鏡の位置および検出器部における測定用検出器と比較用検出器の位置をそれぞれ調整することができるようにしてなる請求項２または３に記載のインラインガス分析計。
【請求項５】
光源部と検出器部を一つの取り付けベースに設けてなる請求項３に記載のインラインガス分析計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インラインガス分析計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記インラインガス分析計は、例えば、半導体製造装置に供給されるプロセスガスが流れる配管に直装され、前記ガス中に含まれる特定の成分ガス（以下、測定対象成分という）の濃度を検出するのに用いられる。
【０００３】ところで、前記プロセスガスは、一般に、低圧（例えば１／１０００〜１／１００気圧）であり、また、これに含まれる測定対象成分は、微量でありしたがって濃度がきわめて低い。このような低圧・低濃度の測定対象成分を、例えば、非分散型赤外線吸収の原理（ＮＤＩＲ方式）の赤外線ガス分析計によって濃度測定を行う場合、高感度に測定を行うためには、例えば図３に示すように、プロセスガスＧが流れるプロセス配管３１に対して直管状のガスセル３２を流路と直交するように設け、このガスセル３２の一端側に光源３３を設け、他端側に検出器部３４を設ける必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記図３に示すインラインガス分析計においては、光路長（光源３３と検出器部３４との間の長さ）と配管３１の径とがマッチングしないことが多く、したがって、ガスセル３２におけるサンプルガスの置換特性が悪くなり、高感度かつ高精度な測定が必ずしも得られなかった。
【０００５】これに対して、例えば、特開平７−１９８６０８号公報や特開平９−２１８１４９号公報には、サンプルガス流れるガスセルの内壁に反射面を対向して形成するとともに、前記ガスセルの一端側に光導入部を、他端側に光導出部を形成し、光導入部を経てガスセル内に導入した光をガスセル内において多重反射させた後、光導出部からガスセル外部に導出させるようにした分析計が記載されている。
【０００６】しかしながら、上記いずれの分析計においても、光源を出た光を広がりなく検出器に入射させることが困難であり、必ずしも高精度に測定を行うことができなかった。
【０００７】この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、配管中を流れる測定対象成分を高感度かつ高精度に測定することのできるインラインガス分析計を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、この発明のインラインガス分析計は、ガスが流れる配管内に形成され、光の多重反射が可能なガスセル相当部と、前記ガスセル相当部の近傍に設けられ、焦点位置の調整が可能な光源部および複数の波長を検出する検出器部からなることを特徴としている（請求項１）。
【０００９】そして、この発明のより具体的な一つのインラインガス分析計は、ガスが流れる配管の管壁に二つの光透過性窓を対向またはほぼ対向するように形成し、これらの窓にそれぞれ一部を光透過部として残して配管内部に面する光反射面を形成し、一方の窓の光透過部の外方に光源およびカセグレン鏡を備えた光源部を、前記光源を出た光がカセグレン鏡を経て一方の窓の光透過部に対して斜め入射するように設けるとともに、他方の窓の光透過部の外方に複数の波長の光を検出するための検出器部を設け、光源部を出た光が一方の窓の光透過部から配管内に入り、その後、二つの窓の光反射面間において複数回反射した後、他方の窓の光透過部を経て検出器部に入射するように構成されている（請求項２）。
【００１０】また、この発明のより具体的な他のインラインガス分析計は、ガスが流れる配管の管壁に二つの光反射部を互いに対向またはほぼ対向するように形成し、一方の光反射部の配管の長手方向に適宜の間隔をおいて二つの光透過孔を形成し、一方の光透過孔の外方に光源およびカセグレン鏡を備えた光源部を、前記光源を出た光がカセグレン鏡を経て他方の光反射部に対して斜め入射するように設けるとともに、他方の光透過孔の外方に複数の波長の光を検出するための検出器部を設け、光源部を出た光が一方の光透過孔を経て配管内に入り、その後、二つの光反射面間において複数回反射した後、他方の光透過孔を経て検出器部に入射するように構成されている（請求項３）。
【００１１】請求項１〜３のいずれに記載のインラインガス分析計においても、光源部を出た光は、配管内において複数回反射し、その反射回数に応じた長い光路長が得られるので、光の利用効率が向上し、高感度および高精度の測定が可能になる。また、焦点位置の調整が可能な光源部を用いることにより、光源を出た光を広がることなく、検出器に入射させることが可能になり、光の利用効率が向上し、高感度および高精度の測定が可能になる。
【００１２】そして、請求項４に記載してあるように、カセグレン鏡の主鏡と副鏡の位置および検出器部における測定用検出器と比較用検出器の位置をそれぞれ調整することができるようにした場合、測定対象成分に応じて最適となるように条件設定を行うことができ、より高感度より高精度な測定が可能になる。
【００１３】また、請求項５に記載してあるように、光源部と検出器部を一つの取り付けベースに設けるようにした場合、光源部と検出器部を同時に管理したり、調整を行うことができるとともに、配管に対する取り付けや取り外しを容易かつ簡便に行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。図１は、この発明の第１の実施の形態を示すものである。この図１において、１はプロセス配管（以下、単に配管という）で、その内部を矢印で示す方向に、例えば、半導体製造に用いられるプロセスガスＧが流れている。
【００１５】２，３は配管１の対向またはほぼ対向する管壁１ａに、互いに対向またはほぼ対向するように形成される窓である。これらの窓２，３は、配管１の管壁１ａに例えば矩形状に形成される開口を封止するように適宜厚さの例えばサファイアのように赤外光透過性かつ適宜の機械的強度を有する平板な窓材２Ａ，３Ａを、配管１の長さ方向と平行になるように設けたもので、適宜の止着部材４およびシール部材５によって配管１内部の気密性を損なわないように設けられる。
【００１６】そして、前記窓２，３には、それぞれ、赤外光１０を良好に透過させる光透過部と赤外光１０を良好に反射する光反射面が形成されている、すなわち、窓２，３の外面の一部分２ａ，３ａを残した大部分２ｂ，３ｂに例えばアルミニウムをコーティングして反射膜６を形成し、この反射膜６が形成されてない前記一部分２ａ，３ａを光透過部とし、反射膜６が形成された前記大部分２ｂ，３ｂを光反射面とするのである。この場合、窓２，３においては、例えば、一方の窓２の上部に光透過部２ａが形成され、下部に光反射面２ｂが形成される一方、他方の窓３の上部に光反射面３ｂが形成され、下部に光透過部３ａが形成され、光反射部２ｂ，３ｂがほぼ対向するように、反射膜６を形成する。
【００１７】７は窓２の光透過部２ａの外方に設けられる光源部で、赤外光源８とカセグレン鏡９を備えている。赤外光源８は、所定の波長領域の赤外光１０を発する。また、カセグレン鏡９は、主鏡９ａと副鏡９ｂを備えており、それぞれ独立して位置調整できるように構成されている。そして、この光源部７は、赤外光源８を出た赤外光１０がカセグレン鏡９を経て窓２の上部側に形成された光透過部２ａに対して斜め入射するように、つまり、光源部７を出た赤外光１０の光軸が水平に対して若干下方に傾くように、設けられている。さらに、光源部７は、全体として、前記光透過部２ａに対する赤外光１０の入射角度を適宜調整することができるように構成されている。
【００１８】そして、前記光透過部２ａに対して斜め入射した赤外光１０は、窓２に対向して設けられる窓３の上部側の光反射面３ｂに入射し、この光反射面３ｂにおいて反射して窓２の光透過部２ａの直ぐ下方に位置する光反射面２ｂに入射し、この光反射面２ｂにおいて光反射面３ｂ側に反射し、以下、図中において仮想線で示すように、光反射面２ｂ，３ｂの間において反射を複数回繰り返し、窓２の下部側の光反射面２ｂから窓３の下部側の光透過部３ａを水平より下方に傾いた状態で通過して、後述する検出器部１１に至り、測定用検出器１２および比較用検出器１３の受光面において焦点を結ぶ。
【００１９】１１は窓３の光透過部３ａの外方に設けられる検出器部で、複数の波長の赤外光１０を検出するために、上下に並設される測定用検出器１２および比較用検出器１３と、これらの検出器１２，１３の前面側（光入射側）にそれぞれ設けられる特定波長を選択的に透過させるバンドパスフィルタ１４，１５からなる。また、１６は光透過部３ａと検出器部１１との間に介装されるチョッパで、図示していないモータによって適宜の周期で所定の方向に回転して、光透過部３ａを経て検出器部１１に向かう赤外光１０をチョッピングするものである。
【００２０】そして、前記検出器部１１およびチョッパ１６は、光透過部３ａを透過して外部に出てくる赤外光１０が斜め下方に傾いているところから、この赤外光１０と直角となるように、検出器１２，１３それぞれの受光面やチョッパ１６のチョッパ面が上方にやや傾いた状態に設けられている。特に、検出器部１１における測定用検出器１２および比較用検出器１３は、共通の取り付けベース（図示していない）に互いの間隔を調整できるように取り付けられるとともに、その受光面の傾きを適宜調整できるように構成されている。
【００２１】上述の説明から理解されるように、この実施の形態においては、プロセスガスＧが流れる配管１の一部に窓２，３を形成するとともに、これらの窓２，３に、光透過部２ａ，３ａおよび光反射面２ｂ，３ｂを形成し、光透過部２ａを介して配管１内に導入された赤外光１０を光反射面２ｂ，３ｂにおいて複数回反射させた後、光透過部３ａを配管１外に導出するように構成し、前記配管１の一部１Ａをガスセルと同様の機能を有するように構成している。つまり、前記配管１の一部１Ａは、ガスセル相当部ということができる。
【００２２】そして、上記ガスセル相当部１Ａでは、光源部７を出た赤外光１０は、平板な窓２に対して斜め入射し、光反射面２ｂ，３ｂ間を所謂多重反射し、例えば総反射回数がＮとすると、光路長は配管１の直径の（Ｎ＋１）倍よりやや長い距離となる。この場合、前記赤外光１０は、光反射面２ｂ，３ｂにおいて単に反射されるだけではなく、窓２，３を構成する厚みのある窓部材２Ａ，３Ａを通過し、この通過の際、スネルの法則により屈折が生ずる。そして、このときの屈折角は波長に依存する。この実施の形態では、測定用と比較用の２波長であるので、今、例えば、測定用波長（測定対象成分の赤外光における吸収ピークの波長）が５μｍであり、屈折率ｎＳ　＝１．６２であり、比較用波長が３μｍで、屈折率ｎＲ　＝１．７１とすると、光路長１ｍ当たり、焦点位置では、１．７ｍｍのずれが生ずる。したがって、検出器部１１における検出器１２，１３の間隔を、観測波長に応じて最適の状態となるように調整すればよい。この場合、必要により、窓材２Ａ，３Ａの厚みを調整することにより、焦点位置におけるズレ量を変化させるようにしてもよい。
【００２３】上記構成のインラインガス分析計においては、配管１内にプロセスガスＧが流れている状態で、光源部７から赤外光１０を発すると、この赤外光１０は、窓２の光透過部２ａを経て、所定の角度だけ傾斜した状態で配管１のガスセル相当部１Ａ内に入り、プロセスガスＧを横断して窓３の光反射面３ｂに至り、この光反射面３ｂにおいて反射して窓２の光反射面２ｂに入射し、この光反射面２ｂにおいて再び反射面３ｂ側に反射し、以下、光反射面２ｂ，３ｂの間において反射を複数回繰り返し、窓２の下部側の光反射面２ｂから窓３の下部側の光透過部３ａを水平より下方に傾いた状態で通過する。この光透過部３ａを通過した赤外光１０は、チョッパ１６のチョッピングを受けて検出器部１１の測定用検出器１２および比較用検出器１３の受光面においてそれぞれ焦点を結ぶ。
【００２４】前記測定用検出器１２および比較用検出器１３からは、それぞれ検出信号Ｓ，Ｒが出力され、これを演算制御部（図示していない）において（Ｒ−Ｓ）なる演算を行うことにより、プロセスガスＧ中に含まれる測定対象成分の濃度に比例した信号が得られ、これによって、測定対象成分の濃度が得られる。
【００２５】上述のように、上記構成のインラインガス分析計においては、光源部７を出た赤外光１０は、プロセスガスＧが流れている配管１内において複数回反射し、その反射回数に応じた長い光路長が得られるので、光の利用効率が向上し、高感度および高精度の測定を行うことができる。この場合、前記プロセスガスＧの流れる状態にはなんらの悪影響が及ぼされることがなく、所望のプロセスガスＧを半導体製造のユースポイントに供給することができる。
【００２６】上述のように、光源部７を出た赤外光１０を、プロセスガスＧが流れている配管１内において複数回反射させることにより、その反射回数に応じた長い光路長を得ることができるが、測定対象成分を測定したい感度に応じて、前記反射回数を設定すればよく、その場合、平板な窓２の光透過部２ａに対する入射角を調整すればよい。
【００２７】上記入射角の調整に際しては、光源部７におけるカセグレン鏡９の主鏡９ａと副鏡９ｂにおける角度調整を行うとともに、検出器部１１における測定用検出器１２と比較用検出器１３における角度調整を行うようにすればよい。そして、測定対象成分の吸収波長に応じて、検出器１２，１３における離間間隔を適宜調整することにより、最適条件の下で所望の測定を行うことができ、より高感度より高精度な測定が可能となる。
【００２８】なお、窓材２Ａ，３Ａとしては、上記サファイアよりなる板のほか、フッ化カルシウムやフッ化バリウム、あるいは、ＺｎＳよりなる板を用いてもよく、フッ化カルシウムやフッ化バリウムよりなる板の場合、プロセスガスＧが反応性の高いフッ化物を含むような場合、好適に用いることができ、また、ＺｎＳよりなる板の場合、耐熱性に優れているので、プロセスガスＧが高温の場合、好適に用いることができる。
【００２９】図２は、この発明の第２の実施の形態を示すものである。この図２においては、光源部７と検出器部１１を一体化して配管１の一方の管壁１ａ側に設けるようにしている。すなわち、２１，２２は配管１の管壁１ａに例えば矩形状に形成される開口を封止するように設けられる光反射部で、例えばサファイアよりなる平板な板部材２１Ａ，２２Ａの一方の面に例えばアルミニウムを全面的にコーティングして光反射面２１ａ，２２ａとし，これらの光反射面２１ａ，２２ａが外方になるようにして、配管１の長さ方向と平行になるように設けたもので、適宜の止着部材およびシール部材（いずれも図示していない）によって配管１内部の気密性を損なわないように設けられている。そして、一方の光反射部２１の上部側および下部側には、光透過孔２１ｂ，２１ｃが適宜の間隔をおいて開設されている。
【００３０】そして、２３は光源部７、検出器部１１およびチョッパ１６を、前記光透過孔２１ｂ，２１ｃに対応するように取り付ける取り付け部材で、光透過孔２１ｂ，２１ｃに対応する位置に、適宜の長孔２３ａ，２３ｂが形成されている。そして、一方の長孔２３ａに対応する位置には、赤外光源８とカセグレン鏡９を備えた光源部７が設けられ、他方の長孔２３ｂに対応する位置には、チョッパ１６と検出器部１１がこの順で設けられている。この場合、光源部７、検出器部１１およびチョッパ１６は、上記第１の実施の形態と同様に、所定の角度傾けた状態でそれぞれ設けられていることはいうまでもない。
【００３１】そして、２４はカセグレン鏡９の主鏡９ａの位置調整を行うつまみ、２５はカセグレン鏡９の副鏡９ｂの位置調整を行うつまみ、２６はチョッパ１６の位置調整を行うつまみ、２７は検出器部１１における検出器１２，１３の位置調整を行うつまみである。
【００３２】このように構成されたインラインガス分析計においては、光源部７を出た赤外光１０は、長孔２３ａおよび上部側の光透過孔２１ｂを通過して配管１内部に入り、反射面２２ａと反射面２１ａとの間で複数回反射した後、下部側の光透過孔２１ｃおよび長孔２３ｂに至り、さらに、チョッパ１６を経て検出器部１１に入射する。
【００３３】つまり、この第２の実施の形態のインラインガス分析計においても、上記第１の実施の形態のインラインガス分析計と同様に、光源部７を出た赤外光１０が配管１内において多重反射した後、検出器部１１に入射する。この実施の形態における作用効果は、第１の実施の形態のそれと同じであるのでその説明は省略する。
【００３４】そして、この第２の実施の形態においては、光源部７、チョッパ１６および検出器部１１を一つの取り付けベース２３に取り付けるようにしているため、これらを同時に管理したり、調整を行うことができるとともに、配管１に対する取り付けや取り外しを容易かつ簡便に行うことができる。
【００３５】上述した実施の形態においては、測定用検出器１２は単一であり、プロセスガスＧ中の一つの測定対象成分を測定するように構成されていたが、この発明はこれに限られるものではなく、複数の測定対象成分に対応できるように、測定用検出器１２を複数配置してもよいことは言うまでもない。
【００３６】また、チョッパ１６は、検出器部１１側ではなく、光源部７側に設けるようにしてあってもよい。
【００３７】そして、上述の実施の形態においては、配管１内のプロセスガスＧ中の特定成分を測定するものであったが、これに限られるものではなく、配管内を流れるガスに含まれる成分の定量分析に用いてもよいことはいうまでもない。
【００３８】さらに、上述の実施の形態においては、所謂赤外線ガス分析を行うものであったが、光源８として紫外光を発するものを用い、紫外線ガス分析を行うようにしてもよく、その場合、窓２，３などをそれに応じた適宜の素材で構成する必要があることはいうまでもない。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、この発明では、焦点位置の調整が可能な光源部を用いていることにより、光源を出た光を広がることなく、検出器に入射させることが可能となり、したがって、光の利用効率が大幅に向上し、配管中を流れるガスが低圧であったり、ガス中に含まれる測定対象成分が低濃度であっても、これを高感度かつ高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態におけるインラインガス分析計の要部の構成を概略的に示す図である。
【図２】この発明の第２の実施の形態におけるインラインガス分析計の要部の構成を概略的に示す図である。
【図３】従来技術を説明するための図である。
【符号の説明】
１…配管、１Ａ…ガスセル相当部、１ａ…管壁、２，３…光透過性窓、２ａ，３ａ…光透過部、２ｂ，３ｂ…光反射面、７…光源部、８…光源、９…カセグレン鏡、１０…光、１１…検出器部、２１，２２…光反射部、２１ｂ，２１ｃ…光透過孔、２３…取り付けベース、Ｇ…ガス。
【図１】
2004053405.tif 000003
【図２】
2004053405.tif 000004
【図３】
2004053405.tif 000005