(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体結晶を用いた物質感応センサ、前記物質感応センサの主面に設けたセンサ電極、及び、前記センサ電極に対して間隙を有して対向させた対向電極を少なくとも備え、前記センサ電極と前記対向電極との間に電位差を発生させる直流バイアス印加機構を設けるとともに、前記センサ電極と前記対向電極との間の空間に紫外線を照射することのできる位置に紫外線源を設けたことを特徴とする雰囲気分析装置。
【請求項２】
圧電体結晶を用いた物質感応センサが、水晶振動子であり、前記センサ電極が発振回路からの電圧を印加するための一対の電極の内の一方の電極であることを特徴とする請求項１記載の雰囲気分析装置。
【請求項３】
前記紫外線源が、ＭｇＦ2 窓を備えた重水素放電管であることを特徴とする請求項１または２に記載の雰囲気分析装置。
【請求項４】
同一筐体内に、請求項１記載の雰囲気分析装置を一対設けるとともに、前記一対の雰囲気分析装置の一方の前記紫外線源を除去したことを特徴とする雰囲気分析装置。
【請求項５】
前記一対の雰囲気分析装置の間に、前記紫外線源からの紫外線を遮蔽する紫外線遮蔽手段を設けたことを特徴とする請求項４記載の雰囲気分析装置。
【請求項６】
圧電体結晶を用いた物質感応センサの主面に設けたセンサ電極と前記センサ電極に対して間隙を有して対向させた対向電極との間に直流バイアスを印加した状態で、前記センサ電極と前記対向電極との間の空間に紫外線を間歇的に照射し、照射したときと照射しないときの物質感応センサの周波数変化から水蒸気以外の物質の吸着を検出することを特徴とする雰囲気分析方法。
【請求項７】
前記紫外線が、１２ｅＶ以下のエネルギーの紫外線であることを特徴とする請求項６記載の雰囲気分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は雰囲気分析装置及び雰囲気分析方法に関するものであり、特に、雰囲気中に含まれる物質を水蒸気に影響されることなく高精度で検出するための構成に特徴のある雰囲気分析装置及び雰囲気分析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体装置を始めとする精密電子デバイスの製造分野においては、クリーンルーム等の製造環境雰囲気中に含まれる有機物質等がデバイス性能や製造歩留りに影響を与えるため、雰囲気中の汚染物質を検出することが要請されている。
【０００３】
この様な雰囲気中の汚染物質を簡便な方法で検出するために水晶振動子を用いた水晶マイクロバランス（ＱＣＭ：Ｑｕａｒｔｚ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）センサ等が用いられている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００４】
このＱＣＭセンサは、水晶振動子の発振周波数が振動子の重量によって変化する現象を利用するものであり、振動子表面に雰囲気中の汚染物質が自然吸着した場合に、水晶振動子の発振周波数の変化によって汚染物質の存在を検出するものである。
【０００５】
例えば、発振周波数の変化ΔＦ〔Ｈｚ〕は、Ｆ0 〔ＭＨｚ〕を基本周波数、Ｎ〔Ｈｚ・ｃｍ〕を使用する水晶の振動周波数、Ａ〔ｃｍ2 〕を電極の面積、ρ〔ｇ・ｃｍ-3〕を使用する水晶の密度、Δｍ〔ｇ〕を吸着した物質の質量とすると、
ΔＦ＝−Ｆ0 2 ・Δｍ／（Ｎ・ρ・Ａ）
で表される。
【０００６】
したがって、物質の吸着Δｍによって発振周波数がΔＦだけ変化するので、このΔＦを測定することによって、汚染物質の濃度を測定することができる。
因に、感度としては、電極１ｃｍ2 当たり０．５ｎｇの物質が吸着しただけで発振周波数が１Ｈｚ変化する高感度のＱＣＭセンサが発表されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
このＱＣＭセンサは小型であり、且つ、リアル・タイムで高感度に計測できる特長があるため、製造工場の環境管理や、各所の雰囲気管理に利用されている。
また、このような物質感応センサとしては、水晶振動子を用いたＱＣＭセンサの他に、ＳＡＷ（表面弾性波）素子を利用したものも知られている（例えば、特許文献２参照）。  
【特許文献１】特表２００６−５２４８０４号公報
【特許文献２】特開２００２−０４８７９７号公報
【非特許文献１】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｒ．ｆｕｊｉｔｓｕ．ｃｏｍ／ｊｐ／ｎｅｗｓ／２００６／０９／２５．ｈｔｍ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、ＱＣＭセンサ等の物質感応センサは、大気中に通常に含まれている水（湿度）をも検出してしまうため、注目している物質の濃度変化よりも湿度変化の影響を大きく受けるという欠点がある。
【０００９】
また、現在のＱＣＭセンサ等の物質感応センサは環境管理に用いる場合には、雰囲気中の汚染物質の自然吸着を利用しているため、検出感度が必ずしも充分ではなく、さらに高い感度を望む声もある。
【００１０】
したがって、本発明は、湿度の影響を受けずに、雰囲気中の物質の濃度をリアル・タイムかつ高感度で測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図における符号８は、センサ電極３とともに圧電体結晶２に電圧を印加するための電極である。
図１参照
上記の課題を解決するために、本発明は、雰囲気分析装置において、圧電体結晶２を用いた物質感応センサ１、物質感応センサ１の主面に設けたセンサ電極３、及び、センサ電極３に対して間隙を有して対向させた対向電極４を少なくとも備え、センサ電極３と対向電極４との間に電位差を発生させる直流バイアス印加機構６を設けるとともに、センサ電極３と対向電極４との間の空間に紫外線を照射することのできる位置に紫外線源５を設けたことを特徴とする。
【００１２】
このように、センサ電極３に対して間隙を有して対向させた対向電極４を設け、センサ電極３と対向電極４との間に直流バイアスを印加することによって、自然吸着だけではなく、雰囲気中で自然にイオン化している物質を電界で加速して吸着することができるので、検出効率が高まる。
【００１３】
特に、センサ電極３と対向電極４との間の空間に紫外線を照射することのできる位置に紫外線源５を設けているので、光励起によって雰囲気中の汚染物質を光イオン化することにより、イオン化された物質はセンサ電極３と対向電極４の間の電界により加速されてセンサ電極３に吸着するので、感度が大幅に向上する。
【００１４】
なお、この時、紫外線のエネルギーとしては、水分子を光イオン化しないために、１２．６ｅＶ以下のエネルギーであることが望ましく、さらに、酸素をイオン化しないためには、１２ｅＶ以下のエネルギーであることが望ましい。
なお、紫外線を照射しない状態における電圧印加した場合としない場合における周波数変化の差は、雰囲気中で自然にイオン化している物質の量を反映しているので、大気中の荷電粒子モニターとして使用することができる。
【００１５】
また、センサ電極３と対向電極４との間に電位差を発生させる直流バイアス印加機構６は、雰囲気分析装置の外部に設けても良いが、雰囲気分析装置の本体に収容することが望ましく、雰囲気分析装置の全体構成を小型化することができる。
【００１６】
この場合の圧電体結晶２を用いた物質感応センサ１としては、水晶振動子が典型的なものであり、センサ電極３は発振回路７からの電圧を印加するための一対の電極の内の一方の電極を利用すれば良い。
【００１７】
或いは、圧電体結晶２を用いた物質感応センサ１が、表面弾性波素子を用いても良く、この場合のセンサ電極３は表面弾性波素子の両端に設けた入力電極と出力電極との間に直流バイアス印加用電極として設ける必要がある。
【００１８】
また、紫外線源５としては、小型で且つ１０．７８ｅＶ以下のエネルギーの紫外線しか放射しないＭｇＦ2 窓を備えた重水素放電管が望ましい。
或いは、雰囲気分析装置外に紫外線源５を設けても良く、例えば、１０．５ｅＶに相当する１１８ｎｍの紫外線となる第９次高調波を発生できるＮｄ：ＹＡＧレーザを用いても良いものである。
【００１９】
また、同一筐体内に、上述の構成の雰囲気分析装置を一対設けるとともに、一対の雰囲気分析装置の一方の紫外線源５を除去しても良い。
【００２０】
このような構成を採用することによって、両者の検出結果の差を取ることによって、イオン化されない水の影響を除去した汚染物質の濃度の測定が可能になる。
また、紫外光を照射しなくても、大気中にはイオンなどの荷電粒子が存在するため、イオン化ポテンシャル値によって測定対象物質を絞り込む際には、大気中に元から存在するイオンが障害となるが、両者の検出結果の差を取ることによってこの影響を排除することができる。
【００２１】
なお、この場合、１０ｅＶ近傍の紫外線は大気中を殆ど透過できないが、完全を期するために、一対の雰囲気分析装置の間に、紫外線源５からの紫外線を遮蔽する紫外線遮蔽手段を設けても良い。
【００２２】
また、雰囲気分析方法としては、圧電体結晶２を用いた物質感応センサ１の主面に設けたセンサ電極３とセンサ電極３に対して間隙を有して対向させた対向電極４との間に直流バイアスを印加した状態で、センサ電極３と対向電極４との間の空間に紫外線を間歇的に照射し、照射したときと照射しないときの物質感応センサ１の周波数変化から紫外線によって光イオン化されない物質以外の物質の吸着を検出することを特徴とする。
【００２３】
このように、センサ電極３と対向電極４との間の空間に紫外線を間歇的に照射することによって、一つの雰囲気分析装置だけで、照射した紫外線によっては光イオン化されない物質、典型的には水の影響を除去した汚染物質の濃度の測定が可能になる。
なお、水の影響を除去するためには、紫外線として、１２．６ｅＶ以下のエネルギーの紫外線を照射する必要があり、さらに、酸素をイオン化しないためには、１２ｅＶ以下のエネルギーの紫外線を照射する必要がある。
【発明の効果】
【００２４】
本発明により、簡便な装置構成により、湿度の影響を受けないで雰囲気中の物質の濃度をリアル・タイムかつ高感度で測定することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
ここで、図２乃至図４を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図２参照  
図２は、本発明の実施の形態の雰囲気分析装置の概念的構成図であり、水晶１２の表面に電極１３，１４を設けた水晶振動子１１、一方の電極１３と間隙を隔てて対向させた対向電極１５、電極１３と対向電極１５との間隙に紫外線を照射する紫外線源１６、電極１３と対向電極１５と間に加速電界を形成する直流高電圧源１７、一対の電極１３，１４に電圧を印加する発振回路１８、発振回路からの発振周波数を測定する周波数カウンター１９、紫外線源１６に電力を供給するとともにオン・オフを制御するｏｎ／ｏｆｆ制御回路付き紫外線源電源２０、及び、周波数カウンター１９及びｏｎ／ｏｆｆ制御回路付き紫外線源電源２０を制御する中央制御装置２１、典型的にはパーソナルコンピュータ（ＰＣ）からなる。
【００２６】
この場合の電極１３と対向電極１５との間隙の間隔は、３〜１０ｍｍであり、また、直流高電圧源１７の電圧は、電極１３と対向電極１５との間の電界が１０００Ｖ／ｃｍ以上になるような電圧が必要であり、間隙に依存することになる。
【００２７】
また、紫外線源１６は、水分子を光イオン化しないエネルギーの紫外線を発生するものであり、水分子のイオン化エネルギーは１２．６１ｅＶであるので、それ以下のエネルギーの紫外線を発生するものであれば良く、また、紫外線の強度としては、５×１０-8Ｗ／ｎｍ2 以上の強度があれば良い。
なお、酸素の影響を避けるためには、１２ｅＶ以下のエネルギーの紫外線を照射する必要がある。
【００２８】
このような紫外線源１６としては、小型で且つ１０．７８ｅＶ以下のエネルギーの紫外線しか放射しないＭｇＦ2 窓を備えた重水素放電管がある。
或いは、雰囲気分析装置外に紫外線源１６を設けても良く、例えば、１０．５ｅＶに相当する１１８ｎｍの紫外線となる第９次高調波を発生するＮｄ：ＹＡＧレーザを用いても良い。
この場合、１０ｅＶ近傍の紫外線は大気中をほとんど透過できないので、ＭｇＦ2 窓を電極１３と対向電極１５との間隙に対してできるかぎり近傍に設置することが望ましい。
【００２９】
図３参照  
図３は、代表的な分子のイオン化ポテンシャルの説明図であり、上述の１０．７８ｅＶ以下のエネルギーの紫外線しか放射しないＭｇＦ2 窓を備えた重水素放電管を用いた場合には、水以外に、Ｏ2 、Ｎ2 、ＮＯ2 等の製品製造に影響を与えない分子をイオン化しないので、目的とする汚染物質を高感度で検出することができる。
【００３０】
図４参照  
図４は、本発明の雰囲気分析装置を用いた雰囲気分析方法の一例であり、測定対象となる雰囲気中において、まず、ＡからＢの間、例えば、１０分間程度、紫外線を照射せずに周波数の変化（減少）ΔＦを測定する。
【００３１】
この時、水は自然拡散によってセンサ電極に到達して吸着するとともに、大気中で自然にイオン化されている分子は電界により加速されてセンサ電極に到達して吸着し、質量Δｍが増加するので、発振周波数はΔＦだけ減少する。
したがって、図における勾配は、単位時間当たりの吸着量を反映した値となる。
【００３２】
次いで、ＢからＣの間、例えば、１０分間程度、紫外線を照射して周波数の変化（減少）ΔＦを測定する。
この時、水は紫外線によってイオン化されないものの、上記の図３に示した管理対象となる各種の有機物は光イオン化されるので、電極間に形成される電界に沿って移動してセンサ電極に吸着する。
【００３３】
従来の自然拡散のみに依存していたＱＣＭに比べて、水晶振動子−電極間の空間に存在する物質を能動的に集めるため、感度の向上が図れる。
また、水の付着は紫外線の照射の如何によらず一定であるので、紫外線を照射しなかった時のΔＦと紫外線を照射した時のΔＦを比較することによって、水の吸着の影響をさけることができる。
【００３４】
また、照射する紫外線のエネルギーによって、測定対象としている物質を絞り込むことができる。
この時、紫外線を照射しなくても大気中にはイオンなどの荷電粒子が存在するため、イオン化ポテンシャル値によって測定対象物質を絞り込む際には、大気中に元から存在するイオンが障害となるが、紫外線を照射しなかった時のΔＦと紫外線を照射した時のΔＦを比較することによって、大気中に元から存在するイオンの影響も避けることができる。
【００３５】
したがって、この場合の紫外線を照射しなかった時のΔＦと紫外線を照射した時のΔＦの差分の勾配は、管理対象となる有機物の濃度を反映した値となる。
以降は、再び、紫外線を間歇的に照射して、リアル・タイムで雰囲気の分析を行う。
【００３６】
また、紫外線を照射しない状態で、センサ電極と対向電極との間に電圧を印加しない状態における周波数変化ΔＦと、センサ電極と対向電極との間に電圧を印加した状態における周波数変化ΔＦとを比較することによって、大気中の荷電粒子モニターとして使用することができる。
【００３７】
また、同一筐体内に、上述の構成の雰囲気分析装置を一対設けるとともに、一対の雰囲気分析装置の一方にのみに紫外線源を設けても良く、この場合には、紫外線を間欠的に照射することなく、一方の雰囲気分析装置に常時紫外線を照射することで、紫外線を照射しない状態のΔＦと紫外線を照射した状態のΔＦを常時リアル・タイムで取得することができる。
【実施例１】
【００３８】
以上を前提として、次に、図５を参照して、本発明の実施例１の雰囲気分析装置を説明する。
図５参照  
図５は、本発明の実施例１の雰囲気分析装置の概略的構成図であり、基部４１に取り付けられるとともに、一対の電極３２，３３で挟まれた水晶振動子３１、一方の電極３２に対向して、例えば、５ｍｍ離して設けた対向電極３４、水晶振動子３１及び対向電極３４を囲うように設けたアルミニウム製の筒状の筐体４２、筐体４２の内側壁に且つ水晶振動子３１と対向電極３４との間隙部にできるだけ近接させて設けたＭｇＦ2 窓３６を有する重水素放電管３５、筐体４２の上部を覆うメッシュ状蓋部材４３からなる。
なお、メッシュ状蓋部材４３は、測定対象となる雰囲気の流入出を自在にするとともに、水晶振動子３１及び対向電極３４を機械的破損から保護するものである。
【００３９】
また、基部４１の内部には、電極３２と対向電極３４との間に直流バイアスを印加する直流高電圧電源４４、一対の電極３２，３３の間に電圧を印加する発振回路４５、発振周波数を検出する周波数カウンター４６、及び、重水素放電管３５で電力を供給するとともに、オン／オフを制御するｏｎ／ｏｆｆ制御回路付き紫外線源電源４７が格納されている。
【００４０】
この場合の水晶振動子３１は、水晶の直径が例えば８ｍｍの水晶振動子を用い、一方、対向電極３４のサイズは任意であり、面積が大きいほど感度が高まるが、ここでは、水晶振動子と同じ８ｍｍの直径とする。
【００４１】
この様な装置構成により簡便で小型で、且つ、リアル・タイムで高精度の雰囲気分析が可能な雰囲気分析装置を実現することができる。
また、使い捨て的に使用しても、水晶振動子のガス吸着面のリフレッシュを行うことなく数カ月の使用は可能である。
【００４２】
なお、使い捨て的に使用する場合には、基部における水晶振動子及び対向電極の装着部と、直流高電圧電源等の収容部とを着脱自在に別構成としても良く、それによって、直流高電圧電源等のガス吸着の影響を受けない部品は継続使用することができる。
【実施例２】
【００４３】
次に、図６を参照して、本発明の実施例２の雰囲気分析装置を説明する。
図６参照  
図６は、本発明の実施例２の雰囲気分析装置の概略的構成図であり、一対の電極３２，３３で挟まれた水晶振動子３１と、一方の電極３２に対向して、例えば、５ｍｍ離して設けた対向電極３４との組を２組、基部５１に取り付けるとともに、アルミニウム製の筒状の筐体５２で囲み、一対の雰囲気分析要素の間に例えば、石英製の紫外線遮蔽壁５４を設け、筐体５２の上部をメッシュ状蓋部材５３で覆う。
この場合、ＭｇＦ2 窓３６を有する重水素放電管３５は一方の水晶振動子３１及び対向電極３４との間隙の近傍のみに配置する。
【００４４】
また、基部５１の内部には、電極３２と対向電極３４との間に直流バイアスを印加する直流高電圧電源４４、一対の電極３２，３３の間に電圧を印加する発振回路４５、発振周波数を検出する周波数カウンター４６、及び、重水素放電管３５で電力を供給するとともに、オン／オフを制御するｏｎ／ｏｆｆ制御回路付き紫外線源電源４７が格納されている。
この場合、直流高電圧電源４４は一個の直流高電圧電源４４を共用しても良いし、また、周波数カウンター４６も一個の周波数カウンター４６を間歇的に切り替えて共用しても良いが、２つずつ設けても良い。
【００４５】
このような装置構成にすることによって、紫外線を間欠的に照射することなく、一方の雰囲気分析装置に常時紫外線を照射することで、紫外線を照射しない状態のΔＦと紫外線を照射した状態のΔＦを常時取得することができる。
【実施例３】
【００４６】
次に、図７を参照して、本発明の実施例３の雰囲気分析装置を説明する。
図７参照  
図７は、本発明の実施例３の雰囲気分析装置の概略的構成図であり、基部４１に取り付けられるとともに、両端に入力用電極６２と出力用電極６３とを設けるとともに、両者の間にセンサ電極、即ち、物質吸着電極６４を設けたＬｉＴａＯ3 基板６１からなる表面弾性波素子６０、物質吸着電極６４に対向して、例えば、５ｍｍ離して設けた対向電極６５、表面弾性波素子６０及び対向電極６５を囲うように設けたアルミニウム製の筒状の筐体４２、筐体４２の内側壁に且つ物質吸着電極６４と対向電極６５との間隙部にできるだけ近接させて設けたＭｇＦ2 窓３６を有する重水素放電管３５、筐体４２の上部を覆うメッシュ状蓋部材４３からなる。
【００４７】
また、基部４１の内部には、物質吸着電極６４と対向電極６５との間に直流バイアスを印加する直流高電圧電源４４、入力用電極６２と出力用電極６３との間に接続する増幅器４８、入力用電極６２と出力用電極６３との間に電気信号を印加する発振回路４９、増幅器４８の出力からの周波数変化を検出する周波数カウンター４６、及び、重水素放電管３５で電力を供給するとともに、オン／オフを制御するｏｎ／ｏｆｆ制御回路付き紫外線源電源４７が格納されている。
【００４８】
この場合、表面弾性波素子６０の入力用電極６２と出力用電極６３との間に発振回路４９から、１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの電気信号を印加するとＬｉＴａＯ3 基板６１の圧電効果により入力用電極６２と出力用電極６３との間に互いに逆位相の表面波が励起される。
【００４９】
この場合、物質吸着電極６４に大気中の物質が吸着すると、励起された表面弾性波の中心周波数が変化するので、この周波数の変化を測定することによって、大気中の汚染物質の濃度を測定することが可能になる。
【００５０】
以上、本発明の実施の形態及び各実施例を説明してきたが、本発明は実施の形態及び実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、上記の各実施例においては、使い捨て型を前提として物質感応センサと対向電極とを一つの筐体に収容したものとして説明しているが、筐体は必須ではない。
【００５１】
また、上記の実施例２においては、一対の雰囲気分析要素の間に紫外線遮蔽壁を設けているが、１１８ｎｍの紫外線は大気中ですぐに吸収されるため、必ずしも必須ではない。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の活用例としては、半導体装置をはじめとする精密電子デバイスの製造工場における雰囲気管理が典型的なものであるが、精密電子デバイスに限らず各種の製造工場の雰囲気管理に適用されるものであり、さらには、シックハウス管理等の一般的な環境管理にも適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の雰囲気分析装置の概念的構成図である。
【図３】代表的な分子のイオン化ポテンシャルの説明図である。
【図４】本発明の雰囲気分析装置を用いた雰囲気分析方法の一例の説明図である。
【図５】本発明の実施例１の雰囲気分析装置の概略的構成図である。
【図６】本発明の実施例２の雰囲気分析装置の概略的構成図である。
【図７】本発明の実施例３の雰囲気分析装置の概略的構成図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  物質感応センサ
２  圧電体結晶
３  センサ電極
４  対向電極
５  紫外線源
６  直流バイアス印加機構
７  発振回路
８  電極
１１  水晶振動子
１２  水晶
１３，１４  電極
１５  対向電極
１６  紫外線源
１７  直流高電圧源
１８  発振回路
１９  周波数カウンター
２０  ｏｎ／ｏｆｆ制御回路付き紫外線源電源
２１  中央制御装置
３１  水晶振動子
３２，３３  電極
３４  対向電極
３５  重水素放電管
３６  ＭｇＦ2 窓
４１，５１  基部
４２，５２  筐体
４３，５３  メッシュ状蓋部材
４４  直流高電圧電源
４５  発振回路
４６  周波数カウンター
４７  ｏｎ／ｏｆｆ制御回路付き紫外線源電源
４８  増幅器
４９  発振回路
５４  紫外線遮蔽壁
６０  表面弾性波素子
６１  ＬｉＴａＯ3 基板
６２  入力用電極
６３  出力用電極
６４  物質吸着電極
６５  対向電極
【図１】
0004973441.tif 000002
【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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【図７】
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