(57)【要約】【課題】感度を向上させたＱＣＭセンサを提供する。【解決手段】水晶振動子１２を内蔵するフローセル２０の気体導入口２２ａ、２２ｂから測定対象気体を導入し、水晶振動子１２の表面に接した測定対象気体をフローセル２０の気体排出口２４から排出するＱＣＭセンサ１０において、気体導入口２２ａ、２２ｂの中心軸線と水晶振動子１２の表面とのなす角度θを４５°〜９０°の範囲内とする。こうすることで、ＱＣＭセンサの感度を向上させることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子を内蔵するフローセルの気体導入口から測定対象気体を導入し、前記水晶振動子の表面に接した測定対象気体を前記フローセルの気体排出口から排出するＱＣＭセンサにおいて、
前記気体導入口の中心軸線と前記水晶振動子の表面とのなす角度を４５°〜９０°の範囲内としたことを特徴とするＱＣＭセンサ。
【請求項２】
前記気体導入口を一対配置し、前記気体導入口からの気流が前記水晶振動子の両面を挟み込むようにしたことを特徴とする請求項１に記載のＱＣＭセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クリーンルーム内の汚染物質をモニタリングする場合などに用いるＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体や液晶デバイスの生産・開発用クリーンルームでは、シリコンウエハやガラス基板表面に吸着して汚染したり、製造プロセスに悪影響を与えたりする各種の分子状・ガス状物質（以後、ケミカル汚染物質と呼ぶ。）の室内空気中濃度の低減が必要とされている。
【０００３】
このためには、ケミカル汚染物質の濃度測定が不可欠であるが、クリーンルーム空気中の有機ガス等ケミカル汚染物質のオンサイト（現地）でのリアルタイム測定に関して、これまでにいくつかの方法・装置が提案され、実用化されている。
【０００４】
その一例として、ＱＣＭ（水晶振動子）センサを用いた方法・装置が知られている（例えば、特許文献１〜７参照）。ＱＣＭセンサは、水晶振動子の薄片表面に電極を設けて成形した微小デバイスであり、これをクリーンルーム内に配置し、そのセンサの電極表面に物質が吸着したことによる振動子の共振周波数の変化量からケミカル汚染物質濃度をリアルタイムでモニタリングするものである。
【０００５】
半導体工場では、シリコンウエハに特異的に吸着して汚染するケミカル汚染物質の対策が特に重要視される。このため、ＱＣＭセンサにおいても、特許文献１や本出願人による特願２０１１−８７９３８のように、水晶振動子の電極表面をシリコンで改質し、この表面への汚染物質の吸着現象を利用する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１８０３３２号公報
【特許文献２】特開２００２−１６８７４８号公報
【特許文献３】特開２００２−３３３３９４号公報
【特許文献４】特開２００５−２４９５２８号公報
【特許文献５】特開２００９−２８１８５８号公報
【特許文献６】特開２００９−３０００９５号公報
【特許文献７】特開２０１０−２７１２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＱＣＭセンサの感度をさらに向上させる技術の開発が望まれていた。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、感度を向上させたＱＣＭセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１に係るＱＣＭセンサは、水晶振動子を内蔵するフローセルの気体導入口から測定対象気体を導入し、前記水晶振動子の表面に接した測定対象気体を前記フローセルの気体排出口から排出するＱＣＭセンサにおいて、前記気体導入口の中心軸線と前記水晶振動子の表面とのなす角度を４５°〜９０°の範囲内としたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項２に係るＱＣＭセンサは、上述した請求項１において、前記気体導入口を一対配置し、前記気体導入口からの気流が前記水晶振動子の両面を挟み込むようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、水晶振動子を内蔵するフローセルの気体導入口から測定対象気体を導入し、前記水晶振動子の表面に接した測定対象気体を前記フローセルの気体排出口から排出するＱＣＭセンサにおいて、前記気体導入口の中心軸線と前記水晶振動子の表面とのなす角度を４５°〜９０°の範囲内としたので、水晶振動子表面における気流速度が比較的大きくなり、表面に対するガス状物質の単位時間当たりの吸着量が増大する。したがって、ＱＣＭセンサの感度を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明に係るＱＣＭセンサの水晶振動子の外観図である。
【図２】図２は、本発明に係るＱＣＭセンサの実施例を示す縦断面図である。
【図３】図３は、本発明に係るＱＣＭセンサの実施例を示す横断面図である。
【図４】図４は、水晶振動子の両側から角度を変えて空気を供給した場合の計算結果を示す図である。
【図５】図５は、計算結果に基づく空気供給角度と気流速度の平均値との関係を示す図である。
【図６】図６は、相対湿度６０％の空気を供給した場合の周波数変化量（吸着量）を求めた実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明に係るＱＣＭセンサの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
図１は、本発明に係るＱＣＭセンサ１０の水晶振動子１２の外観を示したものである。図２は、水晶振動子１２がフローセル２０に内蔵された状態の縦断面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った横断面図である。
【００１５】
図２および図３に示すように、本発明に係るＱＣＭセンサ１０は、水晶振動子１２とフローセル２０とを備えている。このＱＣＭセンサ１０は、薄い円板状の水晶振動子１２の表面に設けた電極１４に対する物質（例えば、ケミカル汚染物質）の吸着による水晶振動子１２の共振周波数の変化に基づいて物質の質量を測定するセンサである。
【００１６】
フローセル２０は、略有天円筒形状のキャップ構造であり、その内部中央には水晶振動子１２がその表面を正面に向けて配置してある。フローセル２０側面の一方には一対の気体導入口２２ａ、２２ｂが設けられ、他方には気体排出口２４が設けてある。測定対象空気（測定対象気体）は気体導入口２２ａ、２２ｂからフローセル２０内部に導入され、気体排出口２４から外部に排出されるようにしてある。
【００１７】
図３の横断面図に示すように、一対の気体導入口２２ａ、２２ｂは、その中心軸線Ｌと水晶振動子１２の表面とのなす角度がθとなる位置に設けてあり、各導入口２２ａ、２２ｂから導入される気流が水晶振動子１２の両面を挟み込むようにしてある。また、気体排出口２４は、水晶振動子１２表面の延長上に設けてある。なお、各口２２ａ、２２ｂ、２４の中心軸線Ｌと水晶振動子１２表面の中心は同一平面内に位置している。
【００１８】
ここで、空気の供給角度θは、水晶振動子１２表面における気流速度を大きくするために４５°〜９０°の範囲内とすることが好適である。このように、水晶振動子１２表面に両側から４５°〜９０°の角度で挟み込むように測定対象空気を供給することによって、表面での気流速度が大きくなり、水晶振動子１２表面に対するガス状物質の単位時間当たりの吸着量が増大するので、ＱＣＭセンサの感度を向上させることができる。高感度化したＱＣＭセンサはクリーンルームのケミカル汚染物質検出用センサとしての実用性が向上したものとなる。
【００１９】
次に、本発明の効果を検証した数値流体シミュレーションおよび実験結果について、図４〜図６を参照しながら説明する。
【００２０】
一般に、センサの感度向上のためには、微量な化学成分を短時間で検出させることが必要である。ＱＣＭセンサに測定対象の空気を供給して、その空気中の特定の化学成分を検出させる場合、化学成分の吸着速度、すなわち単位時間当たりの吸着量を大きくすることが必要である。
【００２１】
ガス状有機物質の水晶振動子表面への単位時間当たりの吸着量Ｓ（ｎｇ／ｍ２／ｓ）を示す関係式としては、次式（１）を利用することができる（参考文献：「新版シリコンウェーハ表面のクリーン化技術」、ｐｐ．１３６−１４５、服部毅編著、リアライズ理工センター発行、２０００年）。
【００２２】
Ｓ＝λ・ｎ・Ｕ  ・・・  （１）
【００２３】
ここで、Ｕは気流速度（ｍ／ｓ）、ｎは気中濃度（ｎｇ／ｍ３）、λは付着確率である。したがって、ＱＣＭセンサの感度向上のためには、水晶振動子表面へ多量のガス状有機物質を与えるような空気の適切な供給方法が重要になる。ここでは、気流速度、気中濃度、付着確率を大きくすることが有効である。
【００２４】
したがって、図２および図３に示すようなＱＣＭセンサにおいては、フローセル２０内における水晶振動子１２表面へ供給される空気の流速が最大となるように、気体導入口２２ａ、２２ｂの位置関係を最適に調整すればよい。
【００２５】
このＱＣＭセンサについて、市販の流体シミュレーションソフト（商品名Ｆｌｏｗ  Ｄｅｓｉｇｎｅｒ８）を使用して気流速度の計算を行った結果を図４および図５に示す。図４は、水晶振動子の両面側から角度を変えて空気を供給した計算結果であり、図２のＡ−Ａ線に沿う横断面における気流速度の分布図である。また、図５は、この計算結果に基づく空気供給角度と気流速度の平均値との関係を示す図である。
【００２６】
なお、気流速度の計算においては、空気の供給量を０．６Ｌ／分とするとともに、フローセル２０の円筒の直径を２ｃｍとし、気体導入口２２ａ、２２ｂ、気体排出口２４の径を２ｍｍとしている。また、図５の気流速度の平均値の計算については、水晶振動子表面から約１００μｍ離れた電極中央付近（直径約１ｍｍ円周内）の数ポイントを対象とし、各ポイントの速度は成分（ｘ、ｙ、ｚ）より算出したベクトルの大きさとした。
【００２７】
また、図４においては、フローセル２０の中央に薄片状の水晶振動子１２を配置し、この振動子の両面側を挟み込むように空気を供給した場合を示している。ここで、振動子表面に対する空気の供給角度を種々に変化させており、図４の左から順に０°、１５°、３０°、４５°、６０°、７５°、９０°の計算結果を示している。
【００２８】
図４に示すように、空気の供給角度が大きくなるほど、振動子１２表面近傍の気流速度も大きくなることが分かる。特に３０°以上の角度で両面側から水晶振動子１２を挟み込むような方法で空気を供給した場合に、振動子１２表面近傍の気流速度が大きくなる結果となっている。
【００２９】
さらに、実際に相対湿度８２％の空気を供給し、その周波数変化量（吸着量）を求めた実験結果を図６に示す。空気の供給量は上記の計算条件と同じ０．６Ｌ／分とした。
【００３０】
図６に示すように、周波数の変化は空気中の水分の吸着に起因するものであるが、空気の供給角度４５°〜９０°の条件のときに他に比べて周波数変化量が大きくなり、吸着量が大きくなっていることが分かる。したがって、空気の供給条件として水晶振動子表面に対して両側から４５°〜９０°の角度で吹き付けるようにすることが、ＱＣＭセンサの感度向上に有効である。
【００３１】
以上説明したように、本発明によれば、水晶振動子を内蔵するフローセルの気体導入口から測定対象気体を導入し、前記水晶振動子の表面に接した測定対象気体を前記フローセルの気体排出口から排出するＱＣＭセンサにおいて、前記気体導入口の中心軸線と前記水晶振動子の表面とのなす角度を４５°〜９０°の範囲内としたので、水晶振動子表面における気流速度が比較的大きくなり、表面に対するガス状物質の単位時間当たりの吸着量が増大する。したがって、ＱＣＭセンサの感度を向上させることができるという効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上のように、本発明に係るＱＣＭセンサは、クリーンルームのケミカル汚染評価に有用であり、特に、ＱＣＭセンサの感度を高感度化するのに適している。
【符号の説明】
【００３３】
１０  ＱＣＭセンサ
１２  水晶振動子
１４  電極
２０  フローセル
２２ａ，２２ｂ  気体導入口
２４  気体排出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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