(57)【要約】【課題】恒温槽を不要として小型化を図るとともに、半導体受光素子の温度制御性の向上、半導体受光素子の温度制御の省電力化、及び受光センサの生産性の向上を図る。【解決手段】半導体受光素子３１１と、半導体受光素子３１１の電極面３１１ｂに対向して加熱面３１２ａが設けられたヒータ基板３１２と、半導体受光素子３１１の電極面３１１ｂ及びヒータ基板３１２の加熱面３１２ａに接触して設けられて積層構造を形成し、電極面３１１ｂに導通するとともに、ヒータ基板３１２の加熱面３１２ａから半導体受光素子３１１に伝熱する端子伝熱基板３１３とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に受光面及び裏面に電極面が形成された半導体受光素子と、
前記半導体受光素子の電極面に対向して加熱面が設けられ、前記半導体受光素子を加熱するためのヒータ基板と、
前記半導体受光素子の電極面及び前記ヒータ基板の加熱面に接触して設けられて積層構造を形成し、前記半導体受光素子の電極面に導通するとともに、前記ヒータ基板の加熱面から前記半導体受光素子に伝熱する端子伝熱基板とを有する受光センサ。
【請求項２】
液体試料を収容する収容空間に対向して設けられ、当該収容空間内の液体試料に検査光を照射する光照射部と、
前記収容空間に対向して設けられ、前記検査光が照射された液体試料から生じる散乱光又は透過光を検出する請求項１記載の受光センサを用いた光検出部と、
前記光照射部及び前記光検出部を保持するホルダと、
前記ホルダを移動させることによって、前記光照射部及び前記光検出部を測定位置及び当該測定位置から離間した退避位置の間で移動させるホルダ移動機構とを有する液体試料分析装置。
【請求項３】
上面に受光面が形成され、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる半導体受光素子と、
前記半導体受光素子の下面に接触して設けられ、前記半導体受光素子を３０℃〜７０℃に加熱するためのヒータ基板とを有し、
前記ヒータ基板の加熱面の面積が、前記半導体受光素子の下面の面積の０．１倍〜１００倍である受光センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子を用いた受光センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に半導体受光素子は、周囲環境温度の影響を受けて、その分光感度特性（入射光波長と光電感度との関係）が変化したり、入射光量に対する信号電流が変化したりするという問題がある。そのため、従来の半導体受光素子を用いた光検出においては、以下のように恒温槽を用いた温度制御が行われている。
【０００３】
具体的には、半導体受光素子を用いた受光センサを恒温槽内部に配置し、この恒温槽を一定の温度に制御するように構成している。これにより、半導体受光素子の周囲環境温度の影響をキャンセルするようにしている。
【０００４】
しかしながら、受光センサを恒温槽内部に配置するものでは、当該受光センサを用いた検出装置の大型化が避けられないという問題がある。また、周囲環境温度の影響を可及的に小さくするために恒温槽内部の空間を大きくすることが考えられるが、内部空間を恒温状態に制御するための温度制御用のヒータ又はクーラ等の機構を大型化する必要があり、それに伴い必要電力も多くなってしまう。このように受光センサを含む光学系の小型化が困難であり、特に可動式光学系を構成する場合には、上記の構成が大きな弊害となる。さらに、恒温槽及びその内部空間を含む系全体を空間的に温度制御しているため、半導体受光素子の温度制御の応答性が悪く、光源や受光センサ等の自己発熱による影響を改善することも困難である。
【０００５】
ここで特許文献１に示すように、加熱手段であるセラミックヒータ上に受光素子を搭載して受光素子を加熱する火災センサが考えられている。
【０００６】
しかしながら、受光素子の上面にアノード接続用の端子電極及びカソード接続用の端子電極が設けられ、それら端子電極にリード線を接続する構成であるため、生産過程において配線ミスが生じる恐れがある。特に受光素子が小型になればなるほど、端子電極が小さくなり、またそれら端子電極が近接する構成となることから、配線ミスを招き易くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１８３３７２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、恒温槽を不要として小型化を図るとともに、半導体受光素子の温度制御性の向上及び半導体受光素子の温度制御の省電力化を可能にするだけでなく、受光センサの生産性を向上させることをその主たる所期課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち本発明に係る受光センサは、表面に受光面及び裏面に電極面が形成された半導体受光素子と、前記半導体受光素子の電極面に対向して加熱面が設けられ、前記半導体受光素子を加熱するためのヒータ基板と、前記半導体受光素子の電極面及び前記ヒータ基板の加熱面に接触して設けられて積層構造を形成し、前記半導体受光素子の電極面に導通するとともに、前記ヒータ基板の加熱面から前記半導体受光素子に伝熱する端子伝熱基板とを有することを特徴とする。
【００１０】
このようなものであれば、半導体受光素子、端子伝熱基板及びヒータ基板を積層構造とし、ヒータ基板からの熱を端子伝熱基板を介して半導体受光素子に伝えて加熱する構成としているので、恒温槽を不要とすることができる。これにより、受光センサを用いた検出装置を小型化することができる。また、ヒータ基板は、半導体受光素子を加熱する容量を有するものであれば良いので、半導体受光素子の温度制御を省電力化することができる。このとき、半導体受光素子及びヒータ基板の間に介在する基板が伝熱基板であることから、半導体受光素子の温度制御性を向上させることができる。さらに、端子伝熱基板が半導体受光素子の電極面に通電することから、この端子伝熱基板をカソード端子又はアノード端子として機能させることができ、半導体受光素子の配線を簡単化することができる。特に半導体受光素子が小型化した場合であってもカソード端子及びアノード端子の位置を明確に異ならせることが可能となり、配線ミスを防止することができ、生産性を向上させることができる。
【００１１】
ここで、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を用いた半導体受光素子は、３０℃〜７０℃の温度範囲において安定した検出感度を有する。また、ヒータ基板による加熱温度は一般的に周囲環境温度（例えば２５℃）に対して１５℃〜２０℃程度である。したがって、前記半導体受光素子の半導体材料として、３０℃〜７０℃の温度範囲において安定した検出感度を有するＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を用いることが望ましい。
【００１２】
また、本発明に係る液体試料分析装置は、液体試料を収容する収容空間に対向して設けられ、当該収容空間内の液体試料に検査光を照射する光照射部と、前記収容空間に対向して設けられ、前記検査光が照射された液体試料から生じる散乱光又は透過光を検出する光検出部と、前記光照射部及び前記光検出部を保持するホルダと、前記ホルダを移動させることによって、前記光照射部及び前記光検出部を測定位置及び当該測定位置から離間した退避位置の間で移動させるホルダ移動機構とを有し、前記光検出部が、表面に受光面及び裏面に電極面が形成された半導体受光素子と、前記半導体受光素子の電極面に対向して加熱面が設けられ、前記半導体受光素子を加熱するためのヒータ基板と、前記半導体受光素子の電極面及び前記ヒータ基板の加熱面に接触して設けられて積層構造を形成し、前記半導体受光素子の電極面に導通するとともに、前記ヒータ基板の加熱面から前記半導体受光素子に伝熱する端子伝熱基板とを有する受光センサを用いていることを特徴とする。これならば、光照射部及び光検出部を恒温槽内に配置する必要が無く、恒温槽を不要とすることができるので、ホルダ移動機構の追加が容易となる。
【００１３】
さらに、本発明に係る受光センサは、上面に受光面が形成され、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる半導体受光素子と、前記半導体受光素子の下面に接触して設けられ、前記半導体受光素子を３０℃〜７０℃に加熱するためのヒータ基板とを有し、前記ヒータ基板の加熱面の面積が、前記半導体受光素子の下面の面積の０．１倍〜１００倍であることを特徴とする。これならば、３０℃〜７０℃の温度範囲で安定した検出感度を有するＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）をヒータ基板で直接３０℃〜７０℃に加熱しているので、恒温槽を不要としながらも、周囲環境温度の影響を低減することができる。これにより、受光センサを用いた検出装置を小型化することができる。また、直接半導体受光素子をヒータ基板で加熱するとともに、半導体受光素子の熱容量が小さいことから、半導体受光素子の温度制御を省電力化するとともに、半導体受光素子の温度制御性を向上させることができる。さらに、短時間で温度安定域に到達させることができ、立ち上げ時間の短縮を可能にすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
このように構成した本発明によれば、恒温槽を不要として小型化を図るとともに、半導体受光素子の温度制御を省電力化するだけでなく、受光センサの生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る液体試料分析装置の模式図である。
【図２】同実施形態に係る光検出部の模式的断面図である。
【図３】変形実施形態に係る光検出部の模式断面図である。
【図４】変形実施形態に係る光検出部の模式断面図である。
【図５】変形実施形態に係る光検出部の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に本発明に係る受光センサを用いた液体試料分析装置の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
本実施形態に係る液体試料分析装置１００は、半導体製造装置又は当該装置に用いられる薬液再生装置に使用する高濃度リン酸中に含まれるシリカ濃度を例えばインライン測定するものである。
【００１８】
具体的にこのものは、図１に示すように、光透過性を有する測定セルＳ中のリン酸溶液に、励起光である検査光Ｌ１を照射する光照射部２と、検査光Ｌ１の照射により生じる散乱光や蛍光等の光Ｌ２を検出する第１光検出部３ａと、検査光Ｌ１の照射により生じる散乱光や蛍光等の光Ｌ２を検出する第２光検出部３ｂと、光照射部２及び光検出部３ａ、３ｂをそれらの相対位置関係が一定となるように保持するホルダ４と、ホルダ４を移動するホルダ移動機構（不図示）と、第１光検出部３の光強度信号及び第２光検出部４の光強度信号を受信して、リン酸濃度及びシリカ濃度を算出する演算装置（不図示）とを備えている。なお、測定セルＳは、半導体製造装置又は薬液再生装置等の例えば薬液槽に接続された配管上に設けられている。
【００１９】
以下、各部について詳述する。
【００２０】
光照射部２は、測定セルＳを流れるリン酸溶液に検査光Ｌ１である励起光を照射して、リン酸溶液中のシリカ（二酸化ケイ素）を励起させて蛍光を生じさせるものであり、本実施形態では、紫外領域（例えば波長２８５ｎｍ）の光を射出するＬＥＤを用いて構成している。そして、このＬＥＤは、測定セルＳに対向して設けられており、その光軸が測定セルＳの流路方向に略直交するように配置されている。なお、光照射部２としては、ＬＥＤの他、キセノンランプ等の光源を用いても良い。
【００２１】
第１光検出部３ａ及び第２光検出部３ｂは、検査光Ｌ１の照射によりシリカから生じる蛍光Ｌ２やリン酸又はシリカから生じる散乱光Ｌ２を検出するものである。これら光検出部３ａ、３ｂは、散乱光検出波長域（２７０ｎｍ〜３２０ｎｍの波長域）又は蛍光検出波長域（３２０ｎｍ〜３８０ｎｍの波長域）の少なくとも一方の検出波長域に検出感度を有する。
【００２２】
また、第１光検出部３ａ及び第２光検出部３ｂは、前記光照射部２から射出される検査光Ｌ１の光路とは異なる位置に配置されている。具体的に第１光検出部３ａ及び第２光検出部３ｂは、図１に示すように、迷光の影響を可及的に小さくすべく、前記検査光Ｌ１の光軸と略直交すると共に、測定セルＳを挟み込むように対向配置されている。
【００２３】
ホルダ４は、上述した光照射部２、第１光検出部３ａ及び第２光検出部３ｂの配置となるようにそれらを保持するものである。具体的にホルダ４は、図１に示すように、平面視において概略コの字形状をなすものであり、その対向する側壁４１、４２に第１光検出部３ａ及び第２光検出部３ｂが対向して設けられている。また、対向する側壁４１、４２の間に設けられた中間壁４３に光照射部２が設けられている。なお、側壁４１に設けられた光検出部３ｃは、光照射部２から射出される光量を制御するための光量調整用の光検出部である。
【００２４】
ホルダ移動機構は、ホルダ４を移動させることによって、光照射部２及び光検出部３ａ、３ｂを測定位置Ｐ及び当該測定位置Ｐから離間した退避位置Ｑの間で、測定セルＳの流路方向に直交する方向に移動させるものである。ホルダ移動機構としては、例えばラックアンドピニオン機構を用いたもの、リニアガイドを用いたもの、送りねじ機構を用いたもの等種々の進退移動機構を用いることができる。
【００２５】
しかして第１光検出部３ａ及び第２光検出部３ｂは、パッケージタイプのものであり、図２に示すように、受光センサ３１と、当該受光センサ３１を収容するパッケージ３２と、当該パッケージ３２の先端面に設けられた光学窓３３とを備えている。なお、パッケージ３２は概略円筒形状をなすものであり、そのベース３２１には、受光センサ３１と電気的に接続されるリードピンＰ１〜Ｐ４が設けられている。なお、光量調整用の光検出部３ｃの構成は、第１光検出部３ａ及び第２光検出部３ｂと同様である。
【００２６】
受光センサ３１は、パッケージ３２のベース３２１上に搭載されており、半導体受光素子３１１と端子伝熱基板３１３とヒータ基板３１２をこの順で含む積層構造を備えている。
【００２７】
半導体受光素子３１１は、平面視において概略矩形の平板状をなすものであり、表面に受光面３１１ａ及び裏面にカソード接続用の電極面３１１ｂが形成されている。この半導体受光素子３１１は、紫外波長域の光に対して、広い温度範囲（３０℃〜７０℃）において検出感度が安定しているものであり、その半導体材料として、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を用いている。このＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎは、広い温度範囲で検出感度が安定しているため、厳密な温度制御が不要であり、後述するヒータ基板３１２の加熱のみで温度影響をキャンセルすることができる。
【００２８】
また、半導体受光素子３１１の受光面３１１ａの面積を２ｍｍ２以下としている。これにより、半導体受光素子３１１の温度制御を容易にして半導体受光素子３１１の温度特性を安定化することができ、暗電流（光が照射されていない状態で流れる電流）を低減することができ、コストを低減することができる。
【００２９】
半導体受光素子３１１の受光面３１１ａの一部には、アノードを接続するためのアノード端子電極が形成されている。このアノード端子電極と、パッケージ３２のベース３２１に設けられたリードピンＰ１とはアノード接続用のリード線によって接続される。
【００３０】
ヒータ基板３１２は、半導体受光素子３１１を周囲環境温度に対して所定温度（例えば＋１５℃〜＋２０℃）に加熱する平板状のものであり、パッケージ３２のベース３２１上に搭載されている。このヒータ基板３１２は、半導体受光素子３１１の電極面３１１ｂに対向して加熱面３１２ａが設けられて半導体受光素子３１１を加熱するものであり、上面に加熱面３１２ａが形成されている。具体的にヒータ基板３１２は、セラミックス基板３１２ｍ上に発熱抵抗体３１２ｎを搭載したものである。この発熱抵抗体３１２ｎの接続端子は、パッケージ３２のベース３２１に設けられたリードピンＰ２、Ｐ３にリード線によって接続されている。このようにヒータ基板３１２をセラミックス基板３１２ｍ上に発熱抵抗体３１２ｎを搭載して構成することにより、ヒータ基板３１２の熱を上面側に伝熱し易くし、端子伝熱基板３１３以外の部材（例えばパッケージ３２のベース３２１）への熱影響を小さくすることができる。
【００３１】
端子伝熱基板３１３は、半導体受光素子３１１の電極面３１１ｂ及びヒータ基板３１２の加熱面３１２ａに接触して設けられて積層構造を形成するものである。この端子伝熱基板３１３は、半導体受光素子３１１の電極面３１１ｂに導通するとともに、ヒータ基板３１２の加熱面３１２ａから半導体受光素子３１１に伝熱する。具体的に端子伝熱基板３１３は、平板状をなし、その上面が半導体受光素子３１１の下面に形成された電極面３１１ｂに接着されるとともに、その下面がヒータ基板３１２の下面に形成された加熱面３１２ａに接着される。
【００３２】
具体的に端子伝熱基板３１３は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板の表面に金メッキを施すことにより形成されている。端子伝熱基板３１３を熱伝導性に非常に優れたＳｉＣを用いて構成することにより、加熱開始後、短時間で半導体受光素子３１１が安定温度域に達し、受光センサ３１の立ち上げ時間を短縮することができる。また、ＳｉＣはその熱膨張率が金属と比較して低く、結果として受光センサを熱衝撃等にも強い構造とすることができる。
【００３３】
また、端子伝熱基板３１３の平面サイズは、半導体受光素子３１１よりも大きく構成されている。そして、端子伝熱基板３１３に半導体受光素子３１１を搭載した状態で、端子伝熱基板３１３における半導体受光素子３１１が載っていない部分は、半導体受光素子３１１の電極面３１１ｂから電気信号を取り出すためのカソード端子として機能する。このカソード端子は、パッケージ３２のベース３２１に設けられたリードピンＰ４にリード線によって接続されている。
【００３４】
さらに、端子伝熱基板３１３の上面及び半導体受光素子３１１の電極面３１１ｂは銀ペーストにより接着されており、端子伝熱基板３１３の下面及びヒータ基板３１２の加熱面３１２ａも銀ペーストにより接着されている。このように銀ペーストにより接着していることから、半導体受光素子３１１及び端子伝熱基板３１３の熱膨張率の差により生じる応力、端子伝熱基板３１３及びヒータ基板３１２の熱膨張率の差により生じる応力を緩和することができる。
【００３５】
＜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液体試料分析装置１００によれば、半導体受光素子３１１、端子伝熱基板３１３及びヒータ基板３１２を積層構造とし、ヒータ基板３１２からの熱を端子伝熱基板３１３を介して半導体受光素子３１１に伝えて加熱する構成としているので、恒温槽を不要とすることができる。これにより、液体試料分析装置１００を小型化することができる。
【００３６】
また、ヒータ基板３１３は、半導体受光素子３１１を加熱する容量を有するものであれば良いので、半導体受光素子３１１の温度制御を省電力化することができる。このとき、半導体受光素子３１１及びヒータ基板３１２の間に介在する基板３１３が伝熱基板であることから、半導体受光素子３１１の温度制御の応答性を向上させることができる。
【００３７】
さらに、端子伝熱基板３１３が半導体受光素子３１１の電極面３１１ｂに通電することから、この端子伝熱基板３１３をカソード端子として機能させることができ、半導体受光素子３１１の配線を簡単化することができる。特に半導体受光素子３１１が小型化した場合であってもカソード端子及びアノード端子の位置を明確に異ならせることができる。つまり、アノード接続用の端子が受光面３１１ａ上に形成され、カソード接続用の端子が端子伝熱基板３１３となることから両者の位置を異ならせることができる。これにより、配線ミスを防止することができ、生産性を向上させることができる。
【００３８】
＜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。
【００３９】
例えば、前記実施形態の半導体受光素子は、半導体材料として、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を用いたものであったが、その他の半導体材料を用いたものであっても良い。但し、その検出感度が、ヒータ加熱温度の範囲（例えば周囲環境温度＋１５℃〜２０℃）において安定していることが好ましい。
【００４０】
また、端子伝熱基板としては、前記実施形態のようにＳｉＣ基板を用いたものの他、サファイア基板、シリコン基板、ガラス基板等を用いることも可能である。
【００４１】
その上、図３に示すように、光検出部３ａ〜３ｃのパッケージ３２内に温度検出素子３１４を内蔵し、ヒータ基板３１２の表面（加熱面３１２ａ）の温度を検出し、その検出結果を用いてヒータ基板３１２の通電、停止の制御を行うようにしても良い。なお、リードピンＰ５は温度検出信号を取り出すためのピンである。
【００４２】
加えて、図４に示すように、ヒータ基板３１２の発熱抵抗体３１２ｎ（ヒータ素子）の両端の抵抗値を検出して、印加電圧又は印加電流を制御することにより加熱温度を制御することもできる。
【００４３】
また、前記実施形態では配線ミス防止の観点から端子伝熱基板を半導体受光素子及びヒータ基板の間に介在させているが、配線ミスの恐れが無い場合等には、端子伝熱基板を省略しても良い。つまり図５に示すように、受光センサが、上面に受光面３１１ａが形成され、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる半導体受光素子３１１と、半導体受光素子３１１の下面に接触して設けられ、半導体受光素子３１１を３０℃〜７０℃に加熱するためのヒータ基板３１２とを有するものであっても良い。この場合、半導体受光素子３１１の受光面３１１ａの一部に、アノードを接続するためのアノード端子電極及びカソードを接続するためのカソード端子電極が形成される。また、ヒータ基板３１２の加熱面３１２ａの面積としては、例えば半導体受光素子の下面の面積の０．１倍〜１００倍とすることが考えられる。
【００４４】
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。
【符号の説明】
【００４５】
１００  ・・・液体試料分析装置
Ｓ      ・・・測定セル（収容空間）
Ｌ１    ・・・検査光
２      ・・・光照射部
Ｌ２    ・・・散乱光等
３      ・・・光検出部
３１    ・・・受光センサ
３２    ・・・パッケージ
３３    ・・・透光窓
３１１  ・・・半導体受光素子
３１１ａ・・・受光面
３１１ｂ・・・電極面
３１２  ・・・ヒータ基板
３１２ａ・・・加熱面
３１３  ・・・端子伝熱基板
４      ・・・ホルダ
Ｐ      ・・・測定位置
Ｑ      ・・・退避位置
【図１】
2012028578.tif 000003
【図２】
2012028578.tif 000004
【図３】
2012028578.tif 000005
【図４】
2012028578.tif 000006
【図５】
2012028578.tif 000007