JP6240339B2 - ガス分析装置及びガス処理装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ガス分析装置及びガス処理装置に関する。

ガス分析装置が、種々の用途に用いられる。高精度の分析結果を安定して得ることが重要である。

特開２００９−８５８７２

本発明の実施形態は、高精度のガス分析装置及びガス処理装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、ガス分析装置は、セル部と、光源部と、検出部と、制御部と、を含む。前記光源部は、サブバンド間遷移によるレーザ光を放出する量子カスケードレーザ素子と、外部共振器により前記レーザ光の波長を粗調整する第１調整部と、前記波長を微調整する第２調整部と、を有する。前記セル部には、フッ化物気体を含む対象物質が導入される。前記検出部は、前記セル部に導入された前記フッ化物気体に吸収されたのち前記セル部から出射した前記レーザ光を検出する。前記制御部は、前記検出部で検出された前記レーザ光の光強度に基づいて前記フッ化物気体の濃度を算出する。前記レーザ光の前記波長は、前記第１調整部によりフッ化物気体の吸収率のピーク波長の１つの±５％以内の粗調整波長領域をスイープされ、さらに第２調整部によりスイープ後の波長の±１０ｎｍの微調整波長領域で前記ピーク波長の１つにチューニングされ、前記粗調整波長領域には、７．９μｍ、８．５μｍおよび１０．８μｍのうちの少なくとも１つの波長が含まれる。

第１の実施形態に係るガス分析装置を例示する模式図である。 第１の実施形態に係るガス分析装置を例示する模式図である。 第１の実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。 第２の実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。 第２の実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。 第４の実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。 第５の実施形態に係るガス分析装置を例示する模式図である。 実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。 実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。 図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に相当し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。
また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るガス分析装置を例示する模式図である。
図１に表したように、本実施形態に係るガス分析装置１１０は、セル部２０と、光源部３０と、検出部４０と、制御部４５と、を含む。この例では、筐体１０ｗがさらに設けられており、筐体１０ｗ中に、セル部２０、光源部３０及び検出部４０が格納されている。

セル部２０には、試料気体５０が導入される。例えば、セル部２０は、セル２３が設けられ、セル２３により空間２３ｓが区画される。この空間２３ｓに、試料気体５０が導入される。試料気体５０は、例えば、産業用の排気ガスを含む。例えば、半導体装置の製造工程の処理（例えばエッチング処理）などに用いられるガスが排気ガスとなる。このような排気ガスから危険物質を除外する除害装置（ガス処理部）がある。除害装置で危険物質が除外された後の排気ガスが、試料気体５０に含まれる。

試料気体５０は、対象物質５０ａを含む。対象物質５０ａは、フッ化物を含む。対象物質５０ａは、複数の物質（第１物質５１及び第２物質５２など）を含んでも良い。対象物質の例については、後述する。

この例では、セル部２０は、第１反射部２１と、第２反射部２２と、を含む。第１反射部２１及び第２反射部２２は、測定光３０Ｌに対して反射性である。第１反射部２１と第２反射部２２との間に空間２３ｓの少なくとも一部が配置される。試料気体５０は、第１反射部２１と第２反射部２２との間の空間２３ｓに導入される。

光源部３０は、測定光３０Ｌを出射する。測定光３０Ｌは、空間２３ｓに導入した試料気体５０に入射する。測定光３０Ｌの波長は、可変である。例えば、測定光３０Ｌは、第１波長の第１光Ｌ１と、第２波長の第２光Ｌ２と、を含む。第２波長は、第１波長とは異なる。これらの光が、試料気体５０に入射する。

測定光３０Ｌ（第１光Ｌ１及び第２光Ｌ２）は、第１反射部２１と第２反射部２２とで反射して、第１反射部２１と第２反射部２２との間（空間２３ｓ）を複数回往復する。測定光３０Ｌの一部が、試料気体５０に含まれる対象物質５０ａにより吸収される。測定光３０Ｌのうちの、物質に特有の波長の成分が吸収される。吸収の程度は、対象物質５０ａの種類及び濃度などに依存する。

検出部４０は、試料気体５０が導入されている空間２３ｓを通過した測定光３０Ｌ（例えば第１光Ｌ１及び第２光Ｌ２など）の強度を検出する。すなわち、セル部２０から出射した測定光３０Ｌが検出部により検出される。

検出部４０には、赤外領域に感度を有する素子が用いられる。検出部４０には、例えばサーモパイルまたは半導体素子（例えばＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ））などが用いられる。実施形態において、検出部４０は任意である。

制御部４５は、検出部４０で検出された測定光３０Ｌの検出結果に基づいて、試料気体５０中の対象物質５０ａの濃度を測定する。制御部４５の動作の例については、後述する。

光源部３０は、レーザ素子部３０ａと、第１調整部６１と、第２調整部６２と、を含む。レーザ素子部３０ａは、測定光３０Ｌを出射する。レーザ素子部３０ａとして、例えば、外部共振器（ＥＣ）型量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）が用いられる。レーザ素子部３０ａの例については、後述する。

第１調整部６１は、レーザ素子部３０ａの波長を粗く調整する。第２調整部６２は、レーザ素子部３０ａの波長を細かく調整する。例えば、第１調整部６１による波長の調整により、測定光３０Ｌの中心波長は、例えば、プラスマイナス０．５マイクロメートル（μｍ）の範囲で調整される。一方、第２調整部６２による調整により、測定光３０Ｌの波長は、その中心波長に対して、例えば、プラスマイナス１０ナノメートル（ｎｍ）の範囲で調整される。これらの調整部の例については、後述する。

以下、実施形態に係るガス分析装置１１０の使用例について説明する。
図２は、第１の実施形態に係るガス分析装置を例示する模式図である。
図２に示すように、ガス分析装置１１０は、排気処理装置３２０（例えば除害装置）に取り付けられている。排気処理装置３２０は、産業処理装置から排出されるガスを処理（例えば除害）する。産業処理装置は、例えば、エッチング装置４１１及び４１２などである。ガス分析装置１１０と排気処理装置３２０とが、ガス処理装置３１０に含まれる。

エッチング装置４１１及び４１２から排出される排気ガスが排気処理装置３２０に供給される。排気処理装置３２０で、例えば、危険物質の除外などの処理が行われる。排気処理装置３２０で処理された後の排気ガスが、ガス分析装置１１０に供給される。

産業用装置は長い時間可動している。この可動時間中の長い時間にわたって、ガスに含まれる対象物質５０ａが検知される。排気処理装置３２０から排出されるガスの量及びガスの種類は変動する。産業用のガス分析装置には、長い時間にわたって連続して対象物質５０ａを測定するという特別な課題がある。そして、安定して、高い精度で検出することが要求される。

試料気体５０に含まれる複数の物質の濃度を連続的に分析するためには、それぞれの物質の吸収波長に、測定光３０Ｌの波長を迅速に合わせることが求められる。そして測定光３０Ｌの波長は、高い精度で設定されることも求められる。

これに対して、本実施形態に係るガス分析装置１１０には、波長を粗く調整する第１調整部６１が設けられる。これにより、目的とする吸収波長に、測定光３０Ｌの波長を迅速に合わせることができる。さらに、波長を細かく調整する第２調整部６２が設けられる。これにより、測定光３０Ｌの波長を高精度に調整できる。

これにより、試料気体５０中の対象物質５０ａの濃度を、連続的に、安定して、高精度で測定できる。そして、対象物質５０ａの濃度が大きく変動した場合においても、安定して、高い精度の検出が可能になる。

例えば、第１調整部６１による調整により、複数の物質の濃度を迅速に分析することができる。これにより、連続的な高精度の検出が可能になる。そして、第２調整部６２により調整により、物質の濃度を高精度に分析することができる。

試料気体５０に含まれる対象物質５０ａは、例えば、フッ化物である。対象物質５０ａは、例えば、ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、ｃ−Ｃ_４Ｆ_８、ＣＨＦ_３、ＮＦ_３及びＳＦ_６の少なくともいずれかを含む。このような物質は、温暖化ガスである。このようなガスの排出量を連続的に安定して測定することが特に望まれる。このような用途に、実施形態を適用することが効果的である。

試料気体５０中における対象物質５０ａの濃度は、例えば、５００ｐｐｍ以下である。実施形態においては、このような対象物質５０ａの濃度を、例えば、１０ｐｐｍ以下の精度で検出する。これにより、地球温暖化ガスの管理が効果的に実施できる。有害ガスの排気の管理が効果的に実施できる。有害ガスは、例えば、ＣＦ^＋、ＣＦ２^＋またはＣＦ３^＋などである。

図３は、第１の実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。
図３は、光源部３０の一部を例示する模式図である。
図３に示すように、この例では、第１調整部６１として、回折格子６５が用いられる。回折格子６５（第１調整部６１）には、レーザ素子部３０ａから出射した光が入射する。回折格子６５は、レーザ素子部３０ａと共に、共振器を形成する。回折格子６５の角度に応じて、共振器の共振長が変化する。これにより、測定光３０Ｌの波長が、粗く調整できる。

この例では、第２調整部６２として、温度制御部６２ａ及び電源６２ｂが用いられている。温度制御部６２ａは、レーザ素子部３０ａの温度を調整する。レーザ素子部３０ａから出射する光の波長は、温度に依存する。レーザ素子部３０ａの温度を調整することで、波長を高精度に調整できる。一方、電源６２ｂは、レーザ素子部３０ａに電流を供給する。レーザ素子部３０ａから出射する光の波長は、電流に依存する。電流を調整することで、波長を高精度に調整できる。このように、第２調整部６２として、レーザ素子部３０ａの温度及びレーザ素子部に流れる電流を調整するレーザ駆動部６２ｒを用いることができる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。
図４に示すように、ガス分析装置１２０においては、レーザ素子部３０ａには、第１レーザ素子Ｌｓ１、第２レーザ素子Ｌｓ２及び第３レーザ素子Ｌｓ３が設けられる。第１レーザ素子Ｌｓ１は、第１波長の第１光Ｌ１を出射する。第２レーザ素子Ｌｓ２は、第２波長の第２光Ｌ２を出射する。第３レーザ素子Ｌｓ３は、第３波長の第３光Ｌ３を出射する。これらの光は、測定光３０Ｌに含まれる。

第１波長は、例えば、約７．９μｍ（７．９μｍプラスマイナス５％など）である。第２波長は、例えば、約８．５μｍ（８．５μｍプラスマイナス５％など）である。第３波長は、例えば、約１０．８μｍ（１０．８μｍプラスマイナス５％など）である。実施形態において、これらの波長は任意である。目的とする対象物質５０ａに応じて適宜定められる。

この例では、第１調整部６１として、切り替え部６６が用いられる。切り替え部６６は、第１光Ｌ１の空間２３ｓへの入射及び非入射を切り替える。切り替え部６６は、第２光Ｌ２の空間２３ｓへの入射及び非入射を切り替える。切り替え部６６は、第３光Ｌ３の空間２３ｓへの入射及び非入射を切り替える。切り替え部６６は、例えば、それぞれのレーザ素子から選択的に光を出射させる。レーザ素子から光が連続的に出射されており、切り替え部６６により、光の遮断または透過が制御されても良い。切り替え部６６として、光スイッチなどを用いても良い。切り替え部６６としてガルバノミラーなどを用いても良い。

第１調整部６１により測定光３０Ｌの波長が、第１波長、第２波長及び第３波長のいずれかに、粗く調整される。

第２調整部６２として、レーザ駆動部６２ｒが用いられる。レーザ駆動部６２ｒは、第１レーザ素子Ｌｓ１の温度及び第１レーザ素子Ｌｓ１に流れる電流の少なくともいずれかを調整する。レーザ駆動部６２ｒは、第２レーザ素子Ｌｓ２の温度及び第２レーザ素子Ｌｓ２に流れる電流の少なくともいずれかを調整する。レーザ駆動部６２ｒは、第３レーザ素子Ｌｓ３の温度及び第３レーザ素子Ｌｓ３に流れる電流の少なくともいずれかを調整する。これにより、測定光３０Ｌの波長が、細かく調整される。

この例においては、複数のレーザ素子のそれぞれに、複数のレーザ駆動部のそれぞれが設けられている。実施形態において、１つのレーザ駆動部が複数のレーザ素子に接続されても良い。この場合、例えば、１つのレーザ駆動部にスイッチ（例えばパワートランジスタなど）が設けられ、電流を供給するレーザ素子を切り替える。

この例において、第１光Ｌ１〜第３光Ｌ３をセル部２０（空間２３ｓ）に入射させるために、光学素子が設けられている。この例では、第１光学素子Ｍ１及び第２光学素子Ｍ２が設けられている。

第２光学素子Ｍ２は、第１光Ｌ１を反射し、第２光Ｌ２を反射し、第３光Ｌ３を透過する。これにより、これらの光を同じ光路で、空間２３ｓに入射させることができる。第２光学素子Ｍ２の変わりに第３光学素子Ｍ３を設けても良い。この第３光学素子Ｍ３は、第１光Ｌ１を透過し、第２光Ｌ２を透過し、第３光Ｌ３を反射する。このときには、第３光学素子Ｍ３に合わせて、第１レーザ素子Ｌｓ１〜第３レーザ素子Ｌｓ３の配置を変更する。

このような第２光学素子Ｍ２及び第３光学素子Ｍ３は、例えば、第１波長は第２波長と比較的近く、これらの波長と第３波長との差が大きい場合に、有効である。すなわち、この例では、第３波長と第１波長との間の差の絶対値は、第１波長と第２波長との間の差の絶対値よりも大きい。そして、記第３波長と第２波長との間の差の絶対値は、第１波長と第２波長との間の差の絶対値よりも大きい。

さらに、このような波長の関係のときに、第１光Ｌ１と第２光Ｌ２との透過と非透過を、偏光を用いて制御しても良い。例えば、第１光Ｌ１の偏光方向は、第２光Ｌ２の偏光方向とは異なる。このとき、第１光学素子Ｍ１は、第１光Ｌ１及び第２光Ｌ２のいずれか一方を透過し、第１光Ｌ１及び第２光Ｌ２のいずれか他方を反射する。すなわち、偏光に応じて透過と非透過とが変化する。

例えば、第１光Ｌ１はｐ偏光であり、第２光Ｌ２はｓ偏光である。このとき、第１光学素子Ｍ１は、ｐ偏光を透過し、ｓ偏光を反射する。これにより、第１光Ｌ２及び第２光Ｌ２は、実質的に同じ光路で、空間２３ｓに入射できる。

第１光Ｌ１はｓ偏光であり、第２光Ｌ２がｐ偏光である。このとき、第１光学素子Ｍ１は、ｓ偏光を透過し、ｐ偏光を反射する。これにより、第１光Ｌ２及び第２光Ｌ２は、実質的に同じ光路で、空間２３ｓに入射できる。高精度の測定が可能になる。

例えば、第１光Ｌ１〜第３光Ｌ３を順番に空間２３ｓに入射させても良い。例えば、第１期間に第１光Ｌ１が空間２３ｓに入射する。第１期間の後の第２期間に第２光Ｌ２が空間２３ｓに入射する。第２期間の後の第３期間に第３光Ｌ３が空間２３ｓに入射する。このときのこれらの波長の長短の関係は任意である。このように、時分割で光を切り替えても良い。

さらに、空間２３ｓに入射させる順番は、例えば、対象物質５０ａに応じて、透過率が低い光から透過率が高い光になるように切り替えても良い。これにより、検出部４０における飽和を抑制できる。

例えば、対象物質５０ａの第１波長に対する透過率が、対象物質５０ａの第２波長に対する透過率よりも低く、対象物質５０ａの第２波長に対する透過率が、対象物質５０ａの第３波長に対する透過率よりも低いとする。このとき、第１光Ｌ１、第２光Ｌ２及び第３光Ｌ３の順番に空間２３ｓに入射させる。これにより、検出部４０における飽和が抑制できる。これにより、検出において、高い精度が得られる。

さらに、透過率が高い光を空間２３ｓに入射させた後に、透過率が低い空間２３ｓに入射させる場合には、その間に所定の待ち時間を挿入しても良い。これにより、検出部４０における飽和が抑制できる。

実施形態において、第１光Ｌ１〜第３光Ｌ３のうちの２つ以上を、同じ期間内に、空間２３ｓに入射させても良い。

（第３の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。
図５に示すように、本実施形態に係るガス分析装置１３０においても、光源部３０にレーザ素子部３０ａ、第１調整部６１及び第２調整部６２が設けられている。レーザ素子部３０ａは、第１レーザ素子Ｌｓ１、第２レーザ素子Ｌｓ２及び第３レーザ素子Ｌｓ３を含む。第１レーザ素子Ｌｓ１から出射する第１光Ｌ１の第１波長は、例えば、約７．９μｍである。第２レーザ素子Ｌｓ２から出射する第２光Ｌ２の第２波長は、例えば約８．５μｍである。第３レーザ素子Ｌｓ３から出射する第３光Ｌ３の第３波長は、例えば、約１０．８μｍである。実施形態において、これらの波長は任意である。目的とする対象物質５０ａに応じて適宜定められる。

この例では、第１調整部６１として、切り替え部６６が設けられている。この切り替え部６６として、角度が可変のミラーが用いられている。このミラーの角度の変化により、空間２３ｓへの光の入射が制御される。例えば、このミラーの角度が第１状態のときに第１光Ｌ１が空間２３ｓに入射する。このミラーの角度が第２状態のときに第２光Ｌ２が空間２３ｓに入射する。このミラーの角度が第３状態のときに第３光Ｌ３が空間２３ｓに入射する。この図は、第２状態を例示している。このように、ミラーの動作により、測定光３０Ｌの波長が、第１波長、第２波長及び第３波長などに粗く調整される。

第２調整部６２として、レーザ駆動部６２ｒが設けられている。レーザ駆動部６２ｒにより、これらのレーザ素子のそれぞれの温度及び電流の少なくともいずれかが制御される。これにより、測定光３０Ｌの波長が細かく調整される。

（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。
図６に示すように、本実施形態に係るガス分析装置１４０においても、光源部３０にレーザ素子部３０ａ、第１調整部６１及び第２調整部６２が設けられている。この例では、レーザ素子部３０ａは、第１レーザ素子Ｌｓ１及び第２レーザ素子Ｌｓ２を含む。第３レーザ素子Ｌｓ３がさらに設けられても良い。この例でも、第１調整部６１として切り替え部６６が用いられ、第２調整部６２としてレーザ駆動部６２ｒが用いられている。

この例では、第１レーザ素子Ｌｓ１から出射する第１光Ｌ１がセル部２０（空間２３ｓ）に入射する角度は、第２レーザ素子Ｌｓ２から出射する第２光Ｌ２がセル部２０（空間２３ｓ）に入射する角度とは異なる。これにより、測定光３０Ｌにおいて、異なる光路長が設けられる。

すなわち、測定光３０Ｌ（第１光Ｌ１及び第２光Ｌ２など）は、セル部２０に設けられる第１反射部２１と第２反射部２２で反射して、検出部４０に到達する。

このとき、セル部２０（空間２３ｓ）に入射する角度が、第１光Ｌ１と第２光Ｌ２とで異なるため、これらの光は、互いに異なる回数で、セル部２０の外部に出射し検出部４０に到達する。例えば、第１光Ｌ１が第１反射部２１と第２反射部２２とで反射して検出部４０に到達するまでの第１光路長は、第２光Ｌ２が第１反射部２１と第２反射部２２とで反射して検出部４０に到達するまでの第２光路長とは異なる。このように、光に応じて、光路長を変更する。

例えば、対象物質５０ａの種類によって吸収係数が異なり、空間２３ｓでの吸収の量が異なる。対象物質５０ａの濃度によっても吸収の量が異なる。一方、検出部４０における光強度の検出のダイナミックレンジには所定の範囲がある。検出部４０に入射する光の光強度（吸収の量）を適切な範囲に設定する。これにより、検出部４０における検出の精度を高く維持できる。

本実施形態においては、試料気体５０の状態に応じて、光路長を変更することで、光の吸収の量を調整し、適切な強度の測定光３０Ｌを検出部４０に入射させる。これにより、高精度の検出が可能になる。

例えば、吸収係数が高い場合の光路長を、吸収係数が低い場合の光路長よりも短くする。例えば、対象物質５０ａの試料気体５０中における濃度が高い場合の光路長を、濃度が低い場合の光路長よりも短くする。

例えば、吸収率に差がある場合には、以下とする。対象物質５０ａが、第１物質５１と、第１物質５１とは異なる第２物質５２と、を含む場合の例について説明する。第１光Ｌ１の第１波長が、第１物質５１の救出率（第１吸収率）のピーク波長であるとする。そして、第２光Ｌ２の第２波長が、第２物質５２の吸収率（第２吸収率）のピーク波長であるとする。そして、第１吸収率が、第２吸収率よりも高いとする。このときに、第１光路長を、第２光路長よりも短くする。例えば、第１光Ｌ１の入射角を第２光Ｌ２の入射角よりも大きくする。

例えば、濃度に差がある場合には、以下とする。このときも、第１波長が、第１物質５１の第１吸収率のピーク波長であり、第２波長が、第２物質の第２吸収率のピーク波長であるとする。そして、第１物質５１の試料気体５０中における濃度が、第２物質５２の試料気体５０中における濃度よりも高いとする。このときは、第１光路長を、第２光路長よりも短くする。

このように、物質の種類または濃度に応じて、適正な検出感度が得られるように、光路長を設定する。これにより、複数の物質のそれぞれについて、高精度で濃度を求めることができる。

（第５の実施形態）
図７は、第５の実施形態に係るガス分析装置を例示する模式図である。
図７は、本実施形態に係るがガス分析装置における特性を例示するグラフ図である。横軸は波長λであり、縦軸は、検出部４０で検出される測定光３０Ｌの強度Ｉｎｔである。この例では、第１物質５１がＣＦ_４であり、第２物質５２がＣ_２Ｆ_６である。この例では、約８．７μｍ〜９．０μｍの範囲の波長について例示している。

この波長範囲において、波長λが長くなると、第１物質５１における光の強度Ｉｎｔは、上昇する。一方、この波長範囲において、波長λがながくなると、第２物質５２における光の強度Ｉｎｔは、低下する。第１物質５１における光の強度Ｉｎｔの、波長λに対する変化の傾きは、正である。第２物質５２における光の強度Ｉｎｔの、波長λに対する変化の傾きは、負である。変化の傾きが逆極性となるような波長を、測定光３０Ｌの波長として用いる。

すなわち、測定光３０Ｌの波長を増大したときに、第１物質５１の吸収率は減少し、第２物質５２の吸収率は上昇する。

このように、特定の波長（この例では約８．２μｍ）において、波長変化に対して変化方向の異なる複数の物質の吸収特性が交わる。このような波長に、測定光３０Ｌの中心波長を設定する。これにより、測定光３０Ｌの波長を変化させて吸収の程度を検出することで、複数の物質の濃度を高精度で検出することができる。

（第６の実施形態）
本実施形態は、ガス処理装置に係る。図２に例示したように、ガス処理装置３１０は、ガス分析装置１１０と排気処理装置３２０とを含む。排気処理装置３２０は、試料気体５０をガス分析装置１１０に供給する。ガス分析装置として、上記の実施形態に係る任意のガス分析装置及びその変形のガス分析装置を用いても良い。本実施形態に係るガス処理装置３１０は、高精度の分析が可能であり、高精度のガス処理を実施できる。安定したガス処理を連続的に実施できる。

以下、実施形態に適用できる光源部３０の例について説明する。
図８は、実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。
図８に表したように、光源部３０（レーザ素子部３０ａ）は、半導体発光素子３０ａＬと、波長制御部３０ａＣと、を有する。後述するように、半導体発光素子３０ａＬは、例えば、複数の量子井戸のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により発光光を放射する。波長制御部３０ａＣは、例えば、発光光の波長を調整して第１光Ｌ１と、第２光Ｌ２と、を生成する。

例えば、波長制御部３０ａＣは、第１調整機構を含む。第１調整機構は、半導体発光素子３０ａＬから出射する赤外線レーザ光の波長を、試料気体５０に含まれる複数のガスのうちの一種類のガスの吸収スペクトル内にシフトする。波長制御部３０ａＣは、第２調整機構をさらに含んでも良い。第２調整機構は、例えば、一種類のガスの吸収スペクトル内において波長をシフトさせて波長を調整する。

例えば、第１調整機構は、回折格子７１を含む。回折格子７１は、半導体発光素子３０ａＬの光軸３１Ｌｘと交差するように設けられる。回折格子７１は、外部共振器を形成する。試料気体５０に含まれる複数の物質のそれぞれの吸収スペクトルに応じて、赤外線レーザ光の回折格子７１への入射角を変化させる。入射角は、例えば、角度β１〜β４などに変更される。これにより、赤外線レーザ光の波長を変化させる。

例えば、ステッピングモータ９９と、駆動制御部９８と、が設けられる。駆動制御部９８は、ステッピングモータ９９を制御（駆動）する。ステッピングモータ９９及び駆動制御部９８により、回折格子７１は、光軸３１Ｌｘと交差する軸を中心に回転制御される。

半導体発光素子３０ａＬの回折格子７１の側の端面には、反射防止コート膜ＡＲを設けることが好ましい。部分反射コート膜ＰＲ(Ｐｅｒｔｉａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉoｎ）を設けても良い。部分反射コート膜ＰＲと反射防止コート膜ＡＲとの間に半導体発光素子３０ａＬが配置される。部分反射コート膜ＰＲと回折格子７１との間において、外部共振器が形成される。

実施形態において、第２調整機構によってさらに波長を精度良く調整してもよい。例えば、第２調整機構として、駆動部３０ｂ（図１参照）を用いることができる。駆動部３０ｂは、半導体発光素子３０ａＬの動作電流値及びデューティの少なくともいずれかを変更する。第２調整機構として、第２制御部９０を用いても良い。第２制御部９０は、例えば、半導体発光素子３０ａＬの温度を変更する。第２制御部９０として、例えば、ペルチェ素子などが用いられる。第２調整機構として、例えば、応力生成素子などを用いても良い。応力生成素子は、外部共振器長を変化させる。応力生成素子として、例えば、ピエゾ素子などを用いることができる。

図９は、実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。
図９は、レーザ素子部３０ａの別の例を示している。
この例においては、第１調整機構として、回折格子７１ａが用いられる。回折格子７１ａは、半導体発光素子３０ａＬの光軸３１Ｌｘに対して所定の入射角γで交差するＸＹ面内で移動する。回折格子７１ａは、例えば、ステッピングモータ９９及び駆動制御部９８により、移動する。回折格子７１ａと、半導体発光素子３０ａＬの部分反射コート膜ＰＲと、により、外部共振器（ＥＣ）が形成される。部分反射コート膜ＰＲから放出された測定光３０Ｌは、セル部２０に入射する。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。
これらの図は、回折格子７１ａの例を示す模式的平面図である。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に例示したように、回折格子７１は、複数の領域を有する。複数の領域において、格子のピッチが異なる。

図１０（ａ）に示した例においては、格子のピッチが、Ｘ方向に沿って異なる。異なるピッチを有する複数の領域が設けられる。共振波長は、領域ｒｇ２＞領域ｒｇ１＞領域ｒｇ３である。例えば、Ｘ方向に移動することにより、波長を調整できる。

図１０（ｂ）に示した例において、共振波長は、領域ｒｇ５＞領域ｒｇ６＞領域ｒｇ７＞領域ｒｇ４である。例えば、図１０（ｂ）に例示された矢印方向ＳＤに沿って回折格子７１ａを移動させる。これにより、波長を調整できる。回折格子７１ａの断面形状は、非対称でもよい。

図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。
図１１（ａ）は、模式的斜視図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図１１（ｃ）は、光源部３０の動作を例示する模式図である。
この例では、光源部３０として、半導体発光素子３０ａＬが用いられる。半導体発光素子３０ａＬとして、レーザが用いられる。この例では、量子カスケードレーザが用いられる。

図１１（ａ）に表したように、半導体発光素子３０ａＬは、基板３５と、積層体３１と、第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、誘電体層３２（第１誘電体層）と、絶縁層３３（第２誘電体層）と、を含む。

第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、の間に基板３５が設けられる。基板３５は、第１部分３５ａと、第２部分３５ｂと、第３部分３５ｃと、を含む。これらの部分は、１つの面内に配置される。この面は、第１電極３４ａから第２電極３４ｂに向かう方向に対して交差する（例えば平行）である。第１部分３５ａと第２部分３５ｂとの間に、第３部分３５ｃが配置される。

第３部分３５ｃと第１電極３４ａとの間に積層体３１が設けられる。第１部分３５ａと第１電極３４ａとの間、及び、第２部分３５ｂと第１電極３４ａとの間に、誘電体層３２が設けられる。誘電体層３２と第１電極３４ａとの間に絶縁層３３が設けられる。

積層体３１は、ストライプの形状を有している。積層体３１は、リッジ導波路ＲＧとして機能する。リッジ導波路ＲＧの２つの端面がミラー面となる。積層体３１において放出された光３１Ｌは、端面（光出射面）から出射する。光３１Ｌは、赤外線レーザ光である。光３１Ｌの光軸３１Ｌｘは、リッジ導波路ＲＧの延在方向に沿う。

図１１（ｂ）に表したように、積層体３１は、例えば、第１クラッド層３１ａと、第１ガイド層３１ｂと、活性層３１ｃと、第２ガイド層３１ｄと、第２クラッド層３１ｅと、を含む。これらの層は、基板３５から第１電極３４ａに向かう方向に沿って、この順で並ぶ。第１クラッド層３１ａの屈折率及び第２クラッド層３１ｅの屈折率のそれぞれは、第１ガイド層３１ｂの屈折率、活性層３１ｃの屈折率、及び、第２ガイド層３１ｄの屈折率のそれぞれよりも低い。活性層３１ｃで生じた光３１Ｌは、積層体３１内に閉じ込められる。第１ガイド層３１ｂと第１クラッド層３１ａとを合わせて、クラッド層と呼ぶ場合がある。第２ガイド層３１ｄと第２クラッド層３１ｅとを合わせて、クラッド層と呼ぶ場合がある。

積層体３１は、光軸３１Ｌｘに対して垂直な第１側面３１ｓａ及び第２側面３１ｓｂを有する。第１側面３１ｓａと第２側面３１ｓｂとの間の距離３１ｗ（幅）は、例えば５μｍ以上２０μｍ以下である。これにより、例えば、水平横方向モードの制御が容易となり、出力の向上が容易になる。距離３１ｗが過度に長いと、水平横方向モードにおいて高次モードを生じ易くなり、出力を高めにくい。

誘電体層３２の屈折率は、活性層３１ｃの屈折率よりも低い。これにより、誘電体層３２により、光軸３１Ｌｘに沿ってリッジ導波路ＲＧが形成される。

図１１（ｃ）に表したように、活性層３１ｃは、例えば、カスケード構造を有する、カスケード構造においては、例えば、第１領域ｒ１と、第２領域ｒ２と、が交互に積層される。単位構造ｒ３は、第１領域ｒ１及び第２領域ｒ２を含む。複数の単位構造ｒ３が設けられる。

例えば、第１領域ｒ１には、第１障壁層ＢＬ１と、第１量子井戸層ＷＬ１と、が設けられる。第２領域ｒ２には、第２障壁層ＢＬ２が設けられる。例えば、別の第１領域ｒ１ａには、第３障壁層ＢＬ３と、第２量子井戸層ＷＬ２と、が設けられる。別の第２領域ｒ２ａに、第４障壁層ＢＬ４が設けられる。

第１領域ｒ１においては、第１量子井戸層ＷＬ１のサブバンド間光学遷移が生じる。これにより、例えば、３μｍ以上１８μｍ以下の波長の光３１Ｌａが放出される。

第２領域ｒ２においては、第１領域ｒ１から注入されたキャリアｃ１（例えば電子）のエネルギーは、緩和可能である。

量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１）において、井戸幅ＷＬｔは、例えば、５ｎｍ以下である。井戸幅ＷＬｔがこのように狭いとき、エネルギー準位が離散して、例えば、第１サブバンドＷＬａ（高準位Ｌｕ）及び第２サブバンドＷＬｂ（低準位Ｌｌ）などを生じる。第１障壁層ＢＬ１から注入されたキャリアｃ１は、第１量子井戸層ＷＬ１に効果的に閉じ込められる。

高準位Ｌｕから低準位Ｌｌへキャリアｃ１が遷移するときに、エネルギー差（高準位Ｌｕと低準位Ｌｌとの差）に対応する光３１Ｌａが放出される。すなわち、光学遷移が生じる。

同様に、別の第１領域ｒ１ａの第２量子井戸層ＷＬ２において、光３１Ｌｂが放出される。

実施形態において量子井戸層は、波動関数が重なり合う複数の井戸を含んでも良い。複数の量子井戸層のそれぞれの高準位Ｌｕが、互いに同じでも良い。複数の量子井戸層のそれぞれの低準位Ｌｌが、互いに同じでも良い。

例えば、サブバンド間光学遷移は、伝導帯及び価電子帯のいずれかにおいて生じる。例えば、ｐｎ接合によるホールと電子との再結合は必要ではない。例えば、ホール及び電子のいずれかのキャリアｃ１により光学遷移が生じて、光が放出される。

活性層３１ｃにおいて、例えば、第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、の間に印加される電圧により、障壁層（例えば第１障壁層ＢＬ１）を介して、キャリアｃ１（例えば電子）が量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１）へ注入される。これにより、サブバンド間光学遷移を生じる。

第２領域ｒ２は、例えば、複数のサブバンドを有する。サブバンドは、例えば、ミニバンドである。サブバンドにおけるエネルギー差は、小さい。サブバンドにおいて、連続エネルギーバンドに近いことが好ましい。この結果、キャリアｃ１（電子）のエネルギーが緩和される。

第２領域ｒ２では、例えば、光（例えば３μｍ以上１８μｍ以下の波長の赤外線）は、実質的に放出されない。第１領域ｒ１の低準位Ｌｌのキャリアｃ１（電子）は、第２障壁層ＢＬ２を通過して、第２領域ｒ２へ注入され、緩和される。キャリアｃ１は、カスケード接続された別の第１領域ｒ１ａへ注入される。この第１領域ｒ１ａにおいて、光学遷移が生じる。

カスケード構造では、複数の単位構造ｒ３のそれぞれにおいて光学遷移が生じる。これにより、活性層３１ｃの全体において、高い光出力を得ることが容易になる。

このように、光源部３０は、半導体発光素子３０ａＬを含む。半導体発光素子３０ａＬは、複数の量子井戸（例えば、第１量子井戸層ＷＬ１及び第２量子井戸層ＷＬ２など）のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により、測定光３０Ｌを放射する。

量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１及び第２量子井戸層ＷＬ２など）には、例えば、ＧａＡｓが用いられる。例えば、障壁層（例えば、第１〜第４障壁層ＢＬ１〜ＢＬ４など）には、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）が用いられる。このとき、例えば、基板３５としてＧａＡｓを用いると、量子井戸層及び障壁層において、良好な格子整合が得られる。

第１クラッド層３１ａ及び第２クラッド層３１ｅは、例えば、ｎ形不純物として、Ｓｉを含む。これらの層における不純物濃度は、例えば、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３以下（例えば、約６×１０^１８ｃｍ^−３）である。これらの層のそれぞれの厚さは、例えば、０．５μｍ以上２μｍ以下（例えば約１μｍ）である。

第１ガイド層３１ｂ及び第２ガイド層３１ｄは、例えば、ｎ形不純物として、Ｓｉを含む。これらの層における不純物濃度は、例えば１×１０^１６ｃｍ^−３以上１×１０^１７ｃｍ^−３以下（例えば、約４×１０^１６ｃｍ^−３）である。これらの層のそれぞれの厚さは、例えば２μｍ以上５μｍ以下（例えば、３．５μｍ）である。

距離３１ｗ（積層体３１の幅、すなわち、活性層３１ｃの幅）は、例えば、５μｍ以上２０μｍ以下（例えば、約１４μｍ）である。

リッジ導波路ＲＧの長さは、例えば、１ｍｍ以上５ｍｍ以下（例えば約３ｍｍ）である。半導体発光素子３０ａＬは、例えば、１０Ｖ以下の動作電圧で動作する。消費電流は、炭酸ガスレーザ装置などに比べて低い。これにより、低消費電力の動作が可能である。

実施形態によれば、高精度のガス分析装置及びガス処理装置が提供できる。

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、ガス分析装置に含まれるセル部、光源部、検出部、制御部、レーザ素子部、レーザ素子、第１調整部、第２調整部、レーザ駆動部、切り替え部、光学素子及びミラー、並びに、ガス処理装置に含まれる排気処理装置などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

本発明の実施の形態として上述したガス分析装置及びガス処理装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全てのガス分析装置及びガス処理装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

例えば、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

また、本実施形態において述べた態様によりもたらされる他の作用効果について本明細書記載から明らかなもの、又は当業者において適宜想到し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (7)

1. サブバンド間遷移によるレーザ光を放出する量子カスケードレーザ素子と、外部共振器により前記レーザ光の波長を粗調整する第１調整部と、前記波長を微調整する第２調整部と、を有する光源部と、
   フッ化物気体を含む試料気体が導入されるセル部と、
   前記セル部に導入された前記フッ化物気体に吸収されたのち前記セル部から出射した前記レーザ光を検出する検出部と、
   前記検出部で検出された前記レーザ光の光強度に基づいて前記試料気体中に含まれる前記フッ化物気体の濃度を算出する制御部と、
   を備え、
   前記レーザ光の前記波長は、前記第１調整部によりフッ化物気体の吸収率のピーク波長の１つの±５％以内の粗調整波長領域をスイープされ、さらに第２調整部によりスイープ後の波長の±１０ｎｍの微調整波長領域で前記ピーク波長の１つにチューニングされ、
   前記粗調整波長領域には、７．９μｍ、８．５μｍおよび１０．８μｍのうちの少なくとも１つの波長が含まれる、ガス分析装置。
2. 前記光源部は、前記粗調整波長領域が異なる複数のレーザ光を放出する請求項１記載のガス分析装置。
3. 前記フッ化物気体の前記ピーク波長の１つに対応する前記粗調整波長領域には、前記フッ化物気体の前記吸収率の波長に対する傾きと、組成の異なるフッ化物気体の吸収率の波長に対する傾きとが逆極性となる波長領域が含まれる、請求項１または２に記載のガス分析装置。
4. 前記第１調整部は、前記量子カスケードレーザ素子と共に前記外部共振器を形成する回折格子を含み、
   前記第２調整部は、前記量子カスケードレーザ素子の温度または電流を調整するレーザ駆動部を含む、請求項１〜３のいずれか１つに記載のガス分析装置。
5. 前記フッ化物気体は、ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＨＦ_３、ＮＦ_３及びＳＦ_６の少なくともいずれかを含む請求項１〜４のいずれか１つに記載のガス分析装置。
6. 前記試料気体中における前記フッ化物気体の濃度は、５００ｐｐｍ以下である請求項１〜５のいずれか１つに記載のガス分析装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載のガス分析装置と、
   前記試料気体を前記ガス分析装置に向けて排出する排気処理装置と、
   を備えたガス処理装置。

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