JP4058005B2

JP4058005B2 - 赤外線ガス分析計の校正方法

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Publication number: JP4058005B2
Application number: JP2004030605A
Authority: JP
Inventors: 司佐竹; 和幸池本
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2004-02-06
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2024-02-06
Also published as: JP2005221416A

Description

この発明は、半導体製造システム（半導体製造プロセス）に用いられる赤外線ガス分析計の校正方法に関する。

半導体製造システムに用いられるガス分析計として、赤外吸収法の一種であるＮＤＩＲ法（非分散型赤外線ガス分析法）によってガス成分を測定する赤外線ガス分析計があり、この赤外線ガス分析計の感度校正は、一般に、既知濃度の校正用のガスを前記ガス分析計に送ることによって行われる。

ところで、半導体製造システムに用いられるガスには、標準状態において気体であり、例えばガスボンベなどから直接供給され、その濃度が所定値に保たれるものと、標準状態において固体または液体であり、ガスボンベなどからは供給されず例えばその供給ラインにて固体状あるいは液体状の原料より形成する必要があったり、性質が不安定であったりするなどの理由によって、その濃度が経時的に変動するものとがある。そして、前者のガスを測定するための上記赤外線ガス分析計の感度校正については、その校正に用いる所定の既知濃度のガスをガスボンベなどから比較的容易に得られるので問題なく行うことができるが、後者のガスを測定するための赤外線ガス分析計については、その感度校正に用いる所定の既知濃度のガスを得るのが極めて困難であり、感度校正を容易かつ正確に行うことができないという不都合があった。

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、半導体製造システムに用いられ、所定濃度とすることが不可能あるいは困難であるガスを測定対象ガスとする赤外線ガス分析計の感度校正を容易かつ正確に行うことができる赤外線ガス分析計の校正方法を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の赤外線ガス分析計の校正方法は、半導体製造システムのガスラインを流れ赤外吸収波長を有するガスを測定対象ガスとし、この測定対象ガスを検出する測定用波長検出器を備えた赤外線ガス分析計の校正方法であって、前記測定用波長検出器の検出領域外に赤外吸収波長を有する所定濃度のガスが流れる前記半導体製造システムの他のガスラインに、前記所定濃度のガスを校正用ガスとして赤外線ガス分析計に導入するための分岐ラインを設けるとともに、前記校正用ガスを検出する校正用波長検出器を赤外線ガス分析計に設け、校正用波長検出器による前記校正用ガスの検出信号に基づいて、測定用波長検出器の検出信号に補正を加えることを特徴とする（請求項１）。

また、前記測定用波長検出器および校正用波長検出器の検出領域外に検出領域をもつ比較用波長検出器と、前記測定用波長検出器および校正用波長検出器の検出領域内に赤外吸収波長を有しない比較ガスを導入するラインとを赤外線ガス分析計に設けてもよい（請求項２）。

上記いずれの赤外線ガス分析計の校正方法においても、前記測定対象ガスの赤外吸収波長よりも波長の短い赤外線および長い赤外線を検出する二つのリファレンス用波長検出器を赤外線ガス分析計に設けてもよい（請求項３）。

請求項１に係る発明によれば、赤外線ガス分析計の測定対象ガスが、所定濃度とすることが不可能あるいは困難なガスであっても、前記所定濃度のガスを校正用ガスとして用いることにより、赤外線ガス分析計の測定成分についての感度確認を容易かつ正確に行うことができる。

しかも、前記校正用ガスは半導体製造システムに用いられるガスであるので、この発明に係る赤外線ガス分析計の校正方法は、例えば既設の半導体製造システムのごく一部を改良するだけで、簡単かつ低コストに実施することができ、赤外線ガス分析計のメンテナンスも容易に行うことができる。

請求項２に係る発明によれば、比較用波長検出器および比較ガスを用いるので、上記の効果に加えて、より良好な感度校正を行うことができるという効果が得られる。

請求項３に係る発明によれば、赤外線ガス分析計の測定安定性が向上する。すなわち、従来の赤外線ガス分析計では、前記測定対象ガスの測定用波長（測定用波長検出器の検出範囲とする波長）よりも波長の短い赤外線を検出するリファレンス用波長検出器により得られた検出信号と、測定用波長検出器の検出信号との差から、測定対象ガスの濃度を導出するようにしていた。

そのため、光学系を構成する例えばセルの内壁に粉体などの不純物が付着し、波長依存性をもった汚れが光学系にて経時的に増加するが、このとき、上記従来の赤外線ガス分析計では、光学系を経て各検出器に入射される赤外線の光強度分布が変化し、信号の差分だけでは、測定成分の濃度情報の中に含まれる誤差量が増加するという問題があった。

しかし、請求項３に係る発明では、リファレンス用ガス検出信号を得るための波長を、前記測定用波長の短波長側および長波長側の少なくとも２か所から得るので、波長依存性をもつ光学系の汚れが赤外線ガス分析計の測定に及ぼす影響を可及的に小さく抑えることができ、その測定安定性を大いに向上させることができる。

図１は、この発明の第一実施例に係る赤外線ガス分析計の校正方法が適用される赤外線ガス分析計を備えた半導体製造システムの構成の一例を示すもので、この図において、１は半導体製造に用いられるＣＶＤチャンバ（この実施例ではプラズマＣＶＤチャンバ）であり、その上流側には、半導体製造に用いられる原料ガスとしてのＰｂ（ＤＰＭ）₂ガスを供給する第一供給ライン２と、ＣＶＤチャンバ１のクリーニングに使用されるＮＦ₃ガスを供給する第二供給ライン３とが接続されている。また、ＣＶＤチャンバ１の下流側には排出ライン４が接続されている。

詳しくは、第一供給ライン２は、例えばヒータ（図示していない）で加熱される容器５を備え、この容器５内に収容された粉状のＰｂ（ＤＰＭ）₂を昇華させてＰｂ（ＤＰＭ）₂ガスを得るように構成されている。そして、このＰｂ（ＤＰＭ）₂ガスは、キャリアガス（この実施例ではＡｒ）ＣＧにより、第一供給ライン２を通って赤外線ガス分析計６（詳細は後述する）へと送られ、その濃度が測定された後、ＣＶＤチャンバ１に供給される。

また、赤外線ガス分析計６で得られたＰｂ（ＤＰＭ）₂ガスの検出値に基づいて、キャリアガスＣＧの流量調整機構（図示していない）や容器５を加熱するヒータがフィードバック制御される。これにより、第一供給ライン２からＣＶＤチャンバ１に供給されるＰｂ（ＤＰＭ）₂ガスの流量や濃度が適切な値となるように、前記キャリアガスＣＧの流量や容器５の温度が適宜調整される。

そして、この第一供給ライン２の容器５と赤外線ガス分析計６との間には、三方切換弁（例えば三方電磁弁）７を介して後述する分岐ライン８が接続されている。

一方、第二供給ライン３は、ガスボンベ（図示していない）からの所定濃度のＮＦ₃ガスをＣＶＤチャンバ１へと供給するように構成されており、その途中に、前記ＮＦ₃ガスを赤外線ガス分析計６に校正用ガスとして導入するための分岐ライン８が、三方切換弁（例えば三方電磁弁）９を介して接続されている。

前記赤外線ガス分析計６は、Ｐｂ（ＤＰＭ）₂ガスを測定対象とし、ＮＤＩＲ法によってガス成分を測定するもので、光源１０からの赤外線が、セル１１内を通過して検出部１２に入射するように構成されている。ここで、１３，１４はセル１１に形成されたガス導入口およびガス導出口、１５，１６はセル１１の両端部に設けられた赤外線透過性のセル窓、１７はセル１１と検出部１２との間に配置された変調用のチョッパで、図外の駆動機構によって一定周期で回転するように構成されている。なお、チョッパ１７は、光源１０とセル１１との間に設けられていてもよい。

１８は、Ｐｂ（ＤＰＭ）₂ガスを検出するための測定用波長検出器１９に設けられたバンドパスフィルタで、Ｐｂ（ＤＰＭ）₂ガスが吸収する赤外吸収波長のうち、その検出に用いる測定用波長（この実施例では１３５０ｃｍ^-1〜１４００ｃｍ^-1の波長）の赤外線を透過させるように構成されている。

また、２０は、校正用ガスとしてのＮＦ₃ガスを検出するための校正用波長検出器２１に設けられたバンドパスフィルタで、Ｐｂ（ＤＰＭ）₂ガスによる吸収がないかあるいは無視することが出来る程度の吸収しかないとともに、前記測定用波長にできるだけ近い校正用波長（この実施例では、ＮＦ₃ガスの赤外吸収波長であり、８８０ｃｍ^-1〜９２０ｃｍ^-1の波長）の赤外線を透過させるように構成されている。すなわち、ＮＦ₃ガスは、測定用波長検出器１９の検出領域外に赤外吸収波長を有している。

そして、検出部１２を構成する各検出器１９，２１からは、セル１１およびバンドパスフィルタ１８，２０を透過して入射した赤外線のエネルギーに比例した検出信号が演算部２２へと出力される。

次に、前記赤外線ガス分析計６の校正方法について説明する。
まず、三方切換弁７を操作して、ポート７ａとポート７ｂが連通する状態からポート７ａとポート７ｃが連通する状態に切り換えるとともに、三方切換弁９を操作して、ポート９ａとポート９ｂが連通する状態からポート９ａとポート９ｃが連通する状態に切り換える。そして、この状態で、第二供給ライン３を流れる所定濃度のＮＦ₃ガスを、分岐ライン８を介して赤外線ガス分析計６に導入する。

上記の操作により、赤外線ガス分析計６では、校正用波長検出器２１からの校正用ガス検出信号が演算部２２に出力される。そして、演算部２２では、前記校正用ガス検出信号が示すＮＦ₃ガス濃度と予め設定されている実際のＮＦ₃ガスの濃度（前記所定濃度）とのずれに基づいて、測定用波長検出器１９の感度校正を行うための補正値を導出する。例えば、前記ずれが１０％である場合、補正値を１０％として、測定用波長検出器１９から演算部２２に出力された測定用ガス検出信号を１０％補正する校正を行う。なお、二つの検出器１９，２１の感度比は予め求めておく。

図２は、この発明の第二実施例に係る赤外線ガス分析計の校正方法が適用される赤外線ガス分析計を備えた半導体製造システムの構成の一例を示す。なお、図１に示したものと同一構造の部材については同じ符号を付し、その説明を省略する。
図２において、２３は開閉弁２４を介して分岐ライン８に接続され、比較ガスを供給するための比較ガスラインである。前記比較ガスとしては、前記測定用波長および校正用波長の範囲（１３５０ｃｍ^-1〜１４００ｃｍ^-1および８８０ｃｍ^-1〜９２０ｃｍ^-1）内に赤外吸収波長を有しないガスが用いられ、例えば、赤外吸収のないＮ₂などの単原子分子よりなるガス（この実施例ではＮ₂ガス）や、Ａｒなどの不活性ガスが用いられる。

また、２５は前記測定用波長および校正用波長（１３５０ｃｍ^-1〜１４００ｃｍ^-1および８８０ｃｍ^-1〜９２０ｃｍ^-1）とは異なる波長をもった赤外線を透過させるバンドパスフィルタ２６が設けられた比較用波長検出器である。すなわち、この比較用波長検出器２５は、前記測定用波長検出器１９および校正用波長検出器２１の検出領域外に検出領域をもち、測定用波長検出器１９および校正用波長検出器２１の検出領域内に赤外吸収波長を有しない比較ガスを検出するためのものであり、この検出器２５からは、セル１１およびバンドパスフィルタ２６を透過して入射した赤外線のエネルギーに比例した検出信号が演算部２２へと出力される。

ここで、前記測定用波長検出器１９、校正用波長検出器２１および比較用波長検出器２５は、例えば、図３に示すように、光源１０からの赤外線の進行方向と垂直な面上において、チョッパ１７の回転軸１７ａを中心とする同一円周上に位置している。

上記の構成からなる半導体製造システムでは、赤外線ガス分析計６の校正および測定を以下のようにして行う。
まず、予め、比較ガス検出信号を得る。すなわち、三方切換弁７のポート７ａとポート７ｃを連通させるとともに、開閉弁２４を開状態にし、また、このとき、第二供給ライン３を流れるＮＦ₃ガスが分岐ライン８を経て赤外線ガス分析計６に至らないように、三方切換弁９のポート９ａとポート９ｂを連通させ、必要であれば、第二供給ライン３中に設けられた開閉弁（図示していない）を閉状態にする。そして、比較ガスライン２３を流れる所定濃度の比較ガスとしてのＮ₂ガスを、分岐ライン８を介して赤外線ガス分析計６に導入することにより、赤外線ガス分析計６では、比較用波長検出器２５からの比較ガス検出信号が演算部２２に出力される。

詳しくは、Ｎ₂ガスをセル１１内に導入したときにセル１１を透過する赤外線の波長と光強度との関係は、図４において符号Ｒで示したグラフで表される。そして、比較用波長検出器２５には、バンドパスフィルタ２６によって選択された図４において符号ｈで示される適宜の範囲の赤外線のみが入射し、入射した赤外線エネルギーに対応する比較ガス検出信号が演算部２２に入力される。これにより、比較ガス検出信号が得られる。

そして、赤外線ガス分析計６の校正は、三方切換弁７のポート７ａとポート７ｃが連通し、三方切換弁９のポート９ａとポート９ｃが連通する状態にするとともに、開閉弁２４を閉状態にして、第二供給ライン３を流れる所定濃度のＮＦ₃ガスを、分岐ライン８を介して赤外線ガス分析計６に導入して行う。この操作により、赤外線ガス分析計６では、校正用波長検出器２１からの校正用ガス検出信号が演算部２２に出力される。

詳しくは、ＮＦ₃ガスをセル１１内に導入したときにセル１１を透過する赤外線の波長と光強度との関係は、図４において符号Ｑで示したグラフで表される。そして、校正用波長検出器２１には、バンドパスフィルタ２０によって選択された図４において符号ｂで示される適宜の範囲の赤外線のみが入射し、入射した赤外線エネルギーに対応する校正用ガス検出信号が演算部２２に入力される。

その後、演算部２２において、予め求めておいた比較ガス検出信号から校正用ガス検出信号を引き算することでＮＦ₃ガス濃度を導出し、この導出したＮＦ₃ガス濃度と予め設定されている実際のＮＦ₃ガスの濃度（前記所定濃度）とのずれに基づいて、測定用波長検出器１９の感度校正を行うための補正値を導出する。例えば、前記ずれが１０％である場合、補正値を１０％として、測定用波長検出器１９の感度校正を行う。なお、三つの検出器１９，２１，２５の感度比は予め求めておく。

赤外線ガス分析計６による測定は、三方切換弁７のポート７ａとポート７ｂが連通するとともに、三方切換弁９のポート９ａとポート９ｂが連通する状態で行われる。すなわち、このとき、第一供給ライン２を流れるＰｂ（ＤＰＭ）₂ガスが赤外線ガス分析計６に供給され、測定用波長検出器１９からの測定用ガス検出信号が演算部２２に出力される。

詳しくは、Ｐｂ（ＤＰＭ）₂ガスをセル１１内に導入したときにセル１１を透過する赤外線の波長と光強度との関係は、図４において符号Ｐで示したグラフで表される。そして、測定用波長検出器１９には、バンドパスフィルタ１８によって選択された図４において符号ａで示される適宜の範囲の赤外線のみが入射し、入射した赤外線エネルギーに対応する測定用ガス検出信号が演算部２２に入力される。その後、上述した補正値を用いて、予め求めておいた比較ガス検出信号から測定用ガス検出信号を引き算して得た値を補正することで、Ｐｂ（ＤＰＭ）₂ガスの濃度を求める。

図５は、この発明の第三実施例に係る赤外線ガス分析計の校正方法が適用される赤外線ガス分析計を備えた半導体製造システムの構成の一例を示す。なお、図１に示したものと同一構造の部材については同じ符号を付し、その説明を省略する。

２７は前記測定用波長および校正用波長（１３５０ｃｍ^-1〜１４００ｃｍ^-1および８８０ｃｍ^-1〜９２０ｃｍ^-1）よりも短い波長の赤外線を透過させるバンドパスフィルタ２８が設けられた第一リファレンス用波長検出器である。また、２９は前記測定用波長および校正用波長（１３５０ｃｍ^-1〜１４００ｃｍ^-1および８８０ｃｍ^-1〜９２０ｃｍ^-1）よりも長い波長の赤外線を透過させるバンドパスフィルタ３０が設けられた第二リファレンス用波長検出器である。そして、各検出器２７，２９からは、セル１１およびバンドパスフィルタ２８，３０を透過してそれぞれの検出器に入射した赤外線のエネルギーに比例した検出信号が演算部２２へと出力される。

この実施例では、前記測定用波長検出器１９、校正用波長検出器２１および二つのリファレンス用波長検出器２７，２９を、図６に示すように、光源１０からの赤外線の進行方向と垂直な面上において、チョッパ１７の回転軸１７ａを中心とする同一円周上に周方向にほぼ等間隔に位置させている。

ここで、セル１１内に赤外吸収波長をもつ物質が存在しないときにセル１１を透過する光源１０からの赤外線の波長と光強度との関係は、図７（Ａ）において符号Ｇで示したグラフで表される。そして、測定用波長検出器１９には、バンドパスフィルタ２０によって選択された図７（Ａ）において符号ｚで示される適宜の範囲の赤外線のみが入射し、入射した赤外線エネルギーに対応する校正用ガス検出信号が演算部２２に入力される。すなわち、このときの校正用ガス検出信号は、範囲ｚにおいてグラフＧの下側に形成されるエリアＺの面積で表される。

同様に、第一リファレンス用波長検出器２７には、バンドパスフィルタ２８によって選択された図７（Ａ）において符号ｘで示される適宜の範囲の赤外線のみが入射し、入射した赤外線エネルギーに対応する第一リファレンス用ガス検出信号が演算部２２に入力される。また、第二リファレンス用波長検出器２９には、バンドパスフィルタ３０によって選択された図７（Ａ）において符号ｙで示される適宜の範囲の赤外線のみが入射し、入射した赤外線エネルギーに対応する第一リファレンス用ガス検出信号が演算部２２に入力される。すなわち、第一および第二リファレンス用ガス検出信号は、それぞれ範囲ｘおよびｙにおいてグラフＧの下側に形成されるエリアＸおよびＹの面積で表される。

そして、前記範囲ｘおよびｙは、前記エリアＸおよびＹの面積の合計が、エリアＺの面積と一致するように設定され、この実施例では、エリアＸおよびＹの面積がそれぞれエリアＺの面積の１／２となるように設定されている。

また、演算部２２には、第一および第二リファレンス用ガス検出信号の合計から、測定用ガス検出信号を差し引く演算回路が設けられている。

上記の構成からなる半導体製造システムでは、赤外線ガス分析計６の校正方法は第一実施例に示した方法と全く同じであるが、赤外線ガス分析計６における測定が以下のようにして行われる点で異なっている。
まず、三方切換弁７のポート７ａとポート７ｂが連通するとともに、三方切換弁９のポート９ａとポート９ｂが連通する状態にする。これにより、第一供給ライン２を流れるＰｂ（ＤＰＭ）₂ガスが赤外線ガス分析計６に供給され、測定用波長検出器１９からの測定用ガス検出信号と、第一および第二リファレンス用ガス検出信号とがそれぞれ演算部２２に出力される。

この際、Ｐｂ（ＤＰＭ）₂ガスをセル１１内に導入したときにセル１１を透過する赤外線の波長と光強度との関係は、図７（Ｂ）において符号Ｇ’で示したグラフで表される。そして、演算部２２に設けられた上記演算回路によって、エリアＸおよびＹの面積の合計から、範囲ｚにおけるグラフＧ’の下側に形成されるエリアの面積Ａ’を差し引く演算が行われ、これにより、Ｐｂ（ＤＰＭ）₂ガスの濃度が求まる。最後に、このようにして求まったＰｂ（ＤＰＭ）₂ガスの濃度の値を、上記第一実施例に示したように、前記補正値を用いて補正する。

ここで、ＮＤＩＲ法によってガス成分を測定する赤外線ガス分析計６には、以下のような問題点がある。
（１）使用する光源１０が、８００〜１３００℃の任意の温度で発光するが、プランクの輻射式に従い波長による強度分布特性をもつ。また、短波長の強度が高い。
（２）セル１１内において、不純物（この実施例では、昇華していたＰｂ（ＤＰＭ）₂ガスが固化して粉体となることが考えられ、これが不純物となる）の付着が発生し、時間の経過とともにその付着量が増大する。例えば、セル１１内には反射ミラー（図示していない）が配置され、この反射ミラーには反射率を高めるために金コートが施されているが、不純物の付着により反射率が低下する。また、その反射率の低下は、波長特性をもち、粉体による散乱のために、短波長ほどその低下が激しい。

しかし、上記の構成からなる半導体製造システムでは、測定対象ガスを検出するための赤外線の波長よりも短い波長および長い波長の赤外線をリファレンス用として用いるので、波長依存性をもつ汚れが測定対象ガスの測定に与える影響（光学系の汚れによる光強度の分布変化）を軽減することができ、赤外線ガス分析計の測定の精度および安定性が大いに向上する。

なお、この発明は、上述の実施の形態に限られるものではなく、種々に変形して実施することができる。例えば、各実施例において、赤外線ガス分析計６が測定対象とするガスは、Ｐｂ（ＤＰＭ）₂に限られず、半導体製造システム（プロセス）に用いられ、かつガスボンベなどからは容易に供給されないガスであればよい。

また、校正用ガスは、ＮＦ₃ガスに限られず、半導体製造システム（プロセス）に用いられ、かつガスボンベなどから所定濃度のガスとして容易に供給され、さらに、その赤外吸収波長が、測定対象ガスによる吸収がないかあるいは無視することが出来る程度の吸収しかないとともに、測定対象ガスの赤外吸収波長にできるだけ近いガスであればよい。本実施例で使用しているＮＦ₃は、半導体製造システムにおいてＣＶＤチャンバのクリーニングガスである。その他、各種クリーニングガス、エッチングガスであるＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆等が使用できる。

この発明の第一実施例に係る赤外線ガス分析計の校正方法が適用される赤外線ガス分析計を備えた半導体製造システムの構成を概略的に示す説明図である。この発明の第二実施例に係る赤外線ガス分析計の校正方法が適用される赤外線ガス分析計を備えた半導体製造システムの構成を概略的に示す説明図である。上記実施例における各検出器の構成を概略的に示す正面図である。測定対象ガス、校正用ガスおよび比較ガスをそれぞれ透過した光源からの赤外線の周波数と光強度との関係を概略的に示すグラフである。この発明の第三実施例に係る赤外線ガス分析計の校正方法が適用される赤外線ガス分析計を備えた半導体製造システムの構成を概略的に示す説明図である。上記実施例における各検出器の構成を概略的に示す正面図である。（Ａ）は、光源からの赤外線の波長と光強度との関係を概略的に示すグラフ、（Ｂ）は、測定対象ガスを透過した光源からの赤外線の波長と光強度との関係を概略的に示すグラフである。

符号の説明

２第一供給ライン
３第二供給ライン
６赤外線ガス分析計
８分岐ライン
１９測定用波長検出器
２１校正用波長検出器

Claims

半導体製造システムのガスラインを流れ赤外吸収波長を有するガスを測定対象ガスとし、この測定対象ガスを検出する測定用波長検出器を備えた赤外線ガス分析計の校正方法であって、前記測定用波長検出器の検出領域外に赤外吸収波長を有する所定濃度のガスが流れる前記半導体製造システムの他のガスラインに、前記所定濃度のガスを校正用ガスとして赤外線ガス分析計に導入するための分岐ラインを設けるとともに、前記校正用ガスを検出する校正用波長検出器を赤外線ガス分析計に設け、校正用波長検出器による前記校正用ガスの検出信号に基づいて、測定用波長検出器の検出信号に補正を加えることを特徴とする赤外線ガス分析計の校正方法。
前記測定用波長検出器および校正用波長検出器の検出領域外に検出領域をもつ比較用波長検出器と、前記測定用波長検出器および校正用波長検出器の検出領域内に赤外吸収波長を有しない比較ガスを導入するラインとを赤外線ガス分析計に設ける請求項１に記載の赤外線ガス分析計の校正方法。
前記測定対象ガスの赤外吸収波長よりも波長の短い赤外線および長い赤外線を検出する二つのリファレンス用波長検出器を赤外線ガス分析計に設ける請求項１に記載の赤外線ガス分析計の校正方法。