CA2234515C - Appareil de mesure de retombees de particules sur une surface, utilisant une plaque temoin - Google Patents

Abstract

L'appareil de mesure selon l'invention comprend une base annulaire (11) entourant une plaque témoin Plaque témoin (P1a) contaminée par des particules, à laquelle sont fixées, équiréparties, des diodes électroluminescentes (D1, D x), émettant sur une longueur d'onde de 630 nm. Dans une variante préférée, ces diodes (D1, D x) sont au nombre de douze et illuminent la surface supérieure de la plaque témoin (P1a) sous faible incidence. La structure annulaire inférieure (11) supporte une enceinte optique cylindrique (10), surmontée d'une structure supérieure annulaire (12). Cette dernière supporte un détecteur du type "CCD" (122) mesurant la lumière diffusée par les particules et un filtre optique (124) centré sur la longueur d'onde 630 nm. Le filtre (124) et le détecteur (122) sont amovibles de manière à pouvoir les remplacer par un microscope.

Description

Appareil de mesure de retcunbées de pa~ti~les sur une surface, uti-lisant une. plaque tdmoin.
L'invention concerne un instrument de mesure de retombées de particules sur une surface, utilisant une plaque témoin.
Dans de nombreuses industries, il est nécessaire de protéger toutes sortes de produits, objets, dispositifs, etc., de la contamination, notamment par des particules. C'est particulièrement le cas pour la fabrication de circuits intégrés, les instruments de mesures destinés aux avions ou aux applications spatiales, lo l'instrumentation médicale, les films minces, les préparations pharmaceutiques, les émulsions photographiques, etc. Pour toutes ces applications, la contamination la plus minime peut conduire à un rendement plus faible ou une durée de vie plus courte. Le contrôle des contaminants qui peuvent se déposer sur un produit est donc vital pour ce type d'industries.
Pour cette raison, la production et les examens sont réalisés en "salles blanches" dont le renouvellement d'air est filtré de manière à minimiser les risques de contamination. En outre, on maintient une surpression par rapport au milieu extérieur. Cependant, à cause de l'activité du personnel présent, une grande quantité
. de particules est émise dans l'environnement de ces salles. L'action de la gravité sur 2o ces particules entraîne un dépôt de celle-ci sur toutes les surfaces de la salle et, ce qui plus important, sur les produits en cours de fabrication ou de montage.
Initialement, la contamination des produits en "salle blanche" n'était pas mesurée directement. En lieu et place de cette mesure directe, on mesurait la taille et le nombre de particules en suspension par unité de volume. Cependant cette méthode ne pouvait donner qu'une indication très incertaine du degré exact de contamination des produits eux-mêmes due à la retombée des particules. En effet, les particules les plus grosses, générées par un opérateur donné, ont tendance à
retomber rapidement et, ce, à proximité immédiate de l'opérateur en question.
Par ailleurs, celui-ci est susceptible de se déplacer dans l'enceinte protégée.
Cette 3o méthode présentait de gros inconvénient.
Il a été proposé de mesurer la contamination de surfaces due à la retombée de particules en faisant appel à des surfaces échantillon sous la forme de plaques témoins. Ces plaques témoins sont disposées à proximité immédiate du produit en cours de fabrication ou du dispositif en cours de montage. Les particules en suspension peuvent donc se déposer librement sur ces plaques témoins pendant une période de temps déterminée. En fin de cette période déterminée, les plaques

2 précitées sont collectées et le dépôt de particule est mesuré à l'aide d'un appareil optique à base d'un photomètre.
Cette méthode présente plusieurs avantages. Tout d'abord, la précision des mesures est grandement améliorée : elle permet notamment de tenir compte des particules les plus lourdes produites par les opérateurs, puisque les plaques sont disposées aussi à proximité de ceux-ci lorsqu'ils travaillent sur un produit ou un dispositif donné. Elle. est simple à mettre en oeuvre, elle est moins onéreuse que les méthodes prëcédemment utilisées. Elle permet également de mesurer la qualité
de l'air renouvelé. Il suffit d'effectuer des mesures pendant des périodes d'inactivé.
1 o Un appareil permettant des mesures selon cette méthode a été développé
par la société SAAB AKTIEBOLAG et est décrit dans la demande de brevet britannique GB-A-1 14~ 657.
La figure 1, annexée à la présente description, illustre schématiquement le principe de fonctionnement d'un tel appareil de mesure.
La plaque témoin Pta est contenue dans un porte-plaque (non représenté) pour éviter toute contamination accidentelle. Lors de la mesure, elle est placée sur un tiroir mobile Ti (position I : hors appareil de mesure, position II :
position de mesure). La plaque témoin Pia, une fois introduite dans (appareil de mesure PFO, est éclairée, en lumière rasante, par deux faisceaux lumineux intenses, fl et f2. Ces deux faisceaux, fl et f2, sont issus d'une source lumineuse unique Sp, du type lampe halogène. Un jeu de miroirs M~ à Mg, convenablement orientés, et de lentilles de focalisation, L1-L2 et L3-L4, permet de diviser le faisceau principal f, émis par la source unique Sp, en deux sous-faisceaux, fl et f2, et de les diriger, en incidence rasante, sur la plaque témoin Pla, suivant deux directions orthogonales entre elles.
Les particules déposées sur la plaque témoin Pla diffuse la lumière incidente dans toutes les directions. Une cellule photoélectrique PHp, du type cadmium sulphide, mesure la lumière diffusée suivant une direction orthogonale à la surface de la plaque témoin Pua, c'est-à-dire suivant un angle de diffusion de 90°.
L'intensité lumineuse occasionne la variation de sa résistance interne.
3o De manière à pouvoir observer également la lumière diffusée suivant cet axe de mesure à l'aide d'un microscope Mi, on a prévu un miroir MM, mobile en rotation autour d'un axe parallèle à la surface de la plaque témoin Pla. Un mécanisme approprié Me entraîne le miroir MM. Celui-ci est relevé (position II) pour permettre (observation à (aide du microscope M~. Par contre, le miroir MM
fait un angle de 45° (position II) avec la surface de la plaque témoin Pua, et également avec le faisceau diffusé mesuré L"S, pour permettre la mesure, par

3 déflexion à 90°, du faisceau Lus vers la cellule photoélectrique PHp.
Les signaux de ~ sortie sont transmis à des circuits électroniques AMp qui comportent un amplificateur de mesure et des circuits de commande de la source de lumière Sp.
~ L'amplitude des signaux électriques en sortie de l'amplificateur de mesure sont transmis à un appareil de mesure. Ceux-ci sont représentatifs de la quantité de particules déposée, par unité de surface, sur la surface de la plaque témoin Pla. Connaissant sa surface et le temps d'exposition de celle-ci, il est possible d'en déduire le degré de contamination des objets à proximité desquels elle avait été
placée. Si plusieurs plaques ont été utilisées, une moyenne peut être effectuée pour 1 o augmenter la précision de la mesure.
' L'appareil décrit comporte trois gammes de mesures, l'amplificateur de mesure AMp étant muni de circuits électroniques de commutation automatique. Ce dernier est alimenté par une tension stabilisé de manière à ce que les mesures soient insensibles aux variations du secteur et aux variations de température. Le flux lumineux de la lampe halogène Sp est stabilisé à (aide d'une photodiode supplémentaire (non représentée) placée dans un circuit de contre-réaction.
Un circuit de calibration (non représenté) est également rendu nécessaire. Un potentiomètre (non représenté) permet d'ajuster les mesures, dans la . phase de calibration.
Ce type d'appareil de mesure représentait un réel progrès par rapport aux méthodes de mesures précédemment connues. Cependant, il n'est pas complètement exempts d'inconvénients. Ceux-ci peuvent être résumés comme suit - L'aire utile de mesure est faible : limitée sensiblement à un cercle de 15 mm ;
- L'alignement de la lumière incidente est difficile, en particulier lorsque l'appareil a été déplacé : l'origine de ces problèmes d'alignement se trouve dans la fixation de la lampe halogène et des quatre miroirs ;
- L'utilisation d'une source de lumière blanche restreint la mesure à des particules non fluorescentes ;
- L'amère plan optique est limité typiquement à 10 ppm environ sur des plaques non contaminées, du fait des problèmes de lumière parasite.
L'invention, tout en conservant les avantages du dispositif selon l'art connu qui vient d'être décrit, se fixe pour but d'en pallier les inconvénients, dont certains viennent d'être rappelés.
Pour ce faire, selon une caractéristique importante de l'invention, la lampe halogène est remplacée par une couronne de sources lumineuses constituées

4 par des diodes électroluminescentes illuminant la surface de la plaque témoin selon une incidence rasante, suivant plus de deux directions distinctes. Dans une variante préférée de l'invention, les diodes électroluminescentes sont au nombre de douze, équi-réparties sur un cercle.
L'invention a donc pour objet un appareil de mesure de retombées de particules sur une surface, du type mettant en oeuvre une plaque témoin de dimensions déterminée, exposée pendant un intervalle de temps déterminé à
ladite retombée de particules, comprenant des moyens d'illumination de ladite plaque témoin lorsqu'elle est introduite dans l'appareil de mesure, des moyens de détection opto-électroniques, suivant une direction orthogonale à la surface de ladite plaque témoin, die la lumière diffusée par lesdites particules éclairées par lesdits moyens d'illumination, de manière à mesurer l'intensité de la lumière diffusée suivant ladite direction orthogonale et à en déduire le degré de contamination, par unité de surface, de la plaque témoin par lesdites particules, caractérisé en ce qu'il comprend une structure annulaire inférieure, entourant ladite plaque témoin, et supportant une enceinte optique et en ce que lesdits moyens d'illumination de la plaque témoin sont constitués par au moins deux sources optiques monochromatiques fixées à la structure annulaire et agencées dans l'espace de manière à éclairer la surface supérieure de la plaque témoin suivant autant de directions distinctes et sous faible incidence de manière à obtenir une lumière rasante.
La structure de l'appareil de mesure de l'invention présente de nombreux avantages et parmi lesquels - L'aire utile de mesure peut être augmentée d'un cercle de diamètre I S
mm à, typiquement, un cercle de 30 mm de diamètre, tout en utilisant une plaque témoin de mêmes dimensions. Il s'ensuit un facteur d'augmentation égal à
quatre, ce qui est très important pour les interprétations statistiques ;
- L'utilisation de miroirs n'est plus nécessaire puisque la structure annulaire de diodes électroluminescentes peut être directement fixée à un bâti, également annulaire, qui entoure la plaque témoin. L'angle d'incidence est fixe. Il 3o est alors possible de déterminer, une fois pour toute, une structure optimisée pour obtenir un maximum de lumière diffusé pour l'aire précitée et des acquisitions de lumière parasite les plus faibles possibles. Cette structure évite le ré-ajustement des chemins optiques (faisceaux fl et f2 sur la figure 1 ) ;
- Les diodes électroluminescentes génèrent une lumière monochromatique, avantageusement sur une longueur d'onde 630 nm, ce qui permet WO 97/14030 PC~'/FR96/01505 la suppression des effets de fluorescence quand un filtre optique de 630 nm est disposé en regard du détecteur électro-optique ;
- L'enceinte optique est peinte en noire ce qui permet des acquisitions optiques typiques inférieures ou égales à 1 ppm (ce qui doit être comparé avec la

5 valeur typique de 10 ppm précitée), "ppm" étant (abréviation de "parts per million".
- La structure de (appareil conforme à l'invention autorise une électronique très simple associée à une très faible consommation énergétique et, comme conséquence directe, un temps de stabilisation thermique très court. Il n'est pas non plus nécessaire de disposer d'une embase très stable, puisque l'ajustement des miroirs n'est plus nécessaire, ceux-ci n'existant plus comme indiquée précédemment. Enfin, en raison de la miniaturisation rendue possible, tant d'un point de vue mécanique qu'électronique, l'appareil présente un encombrement beaucoup plus réduit que les appareils de l'art connu conformes à la figure 1 ;
- Comme il sera décrit de façon détaillée ci-après, la structure globale de (appareil de mesure comprend deux compartiments principaux : une enceinte optique et une partie détecteur. Cette disposition autorise, comme dans l'art connu, soit l'utilisation d'un détecteur, avantageusement dans le cas de (invention de type dit "CCD" (de fanglo-saxon "Charge Coupled Device" ou "Dispositif à Charge Couplées"), soit (utilisation d'un microscope ;
- Le système de calibration interne complexe n'est également plus nécessaire. Ceci permet d'éviter des causes supplémentaires d'erreurs dans les mesures, du fait de la présence mécanisme compliqué nécessité pour le réglage de l'angle de déflexion des miroirs (agissant sur les faisceaux fl et f2) et d'un miroir amovible (MM).
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit en référence aux figures annexées, et parmi lesquelles - La figure 1 illustre schématiquement un exemple d'appareil de mesure des retombées de particules sur une surface, utilisant une plaque témoin, selon l'art connu ;
- La figure 2 illustre schématiquement un exemple d'appareil de mesure des retombées de particules sur une surface, utilisant une plaque témoin, selon un mode de réalisation préféré de l'invention.
L'appareil de mesure selon l'invention va maintenant être décrit en regard de la figure 2, qui illustre un mode préféré de réalisation d'un tel appareil. La méthode de mesure, en soi, ne differe pas de la méthode de mesure mise en oeuvre

6 dans l'art connu et qui a été rappelée. Il est donc inutile de la redécrire en détail. La plaque témoin Pua est exposée, pendant une période déterminée, aux retombées de particules. La contamination va ensuite être mesurée, par le biais de la mesure de la lumière diffusée par ces particules, lorsque la plaque Pia est illuminée par plusieurs faisceaux incidents, en lumière rasante.
L'appareil 1 comprend essentiellement deux parties - une partie inférieure comportant une structure annulaire 11, support des diodes électroluminescentes, D1 et DX, et une enceinte optique 10 disposée au-dessus de cette structure 11 ;
l0 - et une partie supérieure 12, avantageusement de structure annulaire, destinée à supporter des organes de détection optoélectroniques 122.
La structure inférieure 11 comporte une ouverture inférieure 110, par laquelle peut être introduite la plaque témoin Pua. L'introduction de la plaque témoin s'effectue de façon similaire à ce qui est prévu pour le dispositif objet de Ia demande de brevet britannique précitée. Les diodes électroluminescentes, au nombre de douze dans un mode de réalisation préféré de l'invention, sont réparties de façon régulière tout autour de la plaque témoin Pua à éclairer. Les faisceaux lumineux, par exemple fl et fx, produits par les diodes électroluminescentes, D 1 et DX, éclairent la plaque témoin Pta sous une très faible incidence oc, c'est-à-dire en lumière rasante.
Typiquement, (angle cc est de (ordre de 4 degrés .
Avantageusement, le nombre de diodes électroluminescentes, c'est-à-dire de sources lumineuses est élevé, supérieur à deux et de façon préférentielle, comme il a été indiqué, égal à douze. L'indice "X" associé à DX est un nombre arbitraire dépendant du nombre total de diode électroluminescentes. Des circuits classiques 13 alimentent en énergie électrique les diodes électroluminescentes, D 1 -Dx.
L'enceinte optique 10, d'axe de symétrie Op, est fixée une fois pour toutes sur la base annulaire 11.
La partie supérieure 12, disposée sur l'enceinte optique 10, supporte, 3o outre les organes optoélectroniques de détection 122 précités, un filtre optique 121, disposé sous le détecteur 122 et, à sa partie inférieure, une lentille de focalisation 120. Celle-ci (dans l'exemple décrit sur la figure 2), est située à la jonction de la structure annulaire 12 et de l'enceinte optique 10.
Le filtre 121 est du type passe-bande, à bande étroite. Comme il à été
indiqué, les diodes électroluminescentes, par exemple D ~ et DX, émettent une lumière sensiblement monochromatique, centrée sur une longueur d'onde de WO 97/14030 PCTI~'R96/ot505

7 630 nm. La bande passante du filtre 121 sera centrée également sur cette longueur' d'onde.
On prévoit aussi des moyens amovibles 123, de fixation de l'ensemble détecteur 122 - filtre 121, par exemple du type classique à vis et à lame ressort appuyant sur (ensemble précité pour le maintenir dans un logement 124 pratiqué
dans la partie supérieure de la structure 12.
L'intérieur. de (enceinte optique 10 est avantageusement peint en noir mat pour éviter Ies réflexions parasites.
Les organes de détection optoélectronique 122 sont avantageusement l0 constitués, comme i1 a été indiqué, par des circuits du type dit "CCD". Les signaux électriques dus à la conversion du flux mesuré, sous incidence égale à
90° (suivant l'axe de symétrie 00), de la lumière diffusée par les particules contaminant la surface de la plaque témoin PIa, sont transmis à des circuits électroniques de détection 14. Ceux-ci comprennent des circuits d'amplification classiques (non représentés). Les signaux ainsi amplifiés sont, comme précédemment (figure 1) représentatif du nombre de particules déposées par unité de surface, et par là
du degré de contamination. Cependant, en raison des dispositions propres à
(invention, faire utile de mesure est typiquement un cercle de 30 mm de diamètre, pour des dimensions de plaque témoin PIa inchangées, ce qui constitue un facteur d'agrandissement de quatre.
Les signaux amplifiés peuvent être exploités tels quels et transmis à un appareil de mesure analogique ou, auparavant subir une conversion analogique-numérique, également de manière classique, pour être exploités par un appareil de mesure numérique, voire être traités ebou enregistrés dans des circuits de traitement de signaux, par exemple un micro-ordinateur.
Comme il a été précédemment indiqué, l'appareil selon l'invention reste compatible avec (utilisation d'un microscope. Dans ce cas, i1 suffit de démonter l'organe de détection 122 et le filtre associé 124, à (aide des moyens de fixation à
vis 123. L'embase du microscope (non représenté) doit naturellement être prévu pour autoriser son introduction dans le compartiment 124 et sa fixation à
l'aide des moyens de fixation à vis 123 précités.
Un s~stème de calibration compliqué n'est plus exigé. Des protocoles simples peuvent être mis en oeuvre. Ils consistent, par exemple, dans le dépôt quantifié de sphères de polystyrènes standardisées, de diamètre sensiblement égal à
40 ~.m, sur une plaque témoin Pia.. On peut également utiliser des particules en métal dans un substrat en verre fondu.

8 A la lecture de ce qui précède, on constate aisément que l'invention atteint bien les buts qu'elle s'est fixés et présente les avantages qui ont été rappelés dans le préambule de la présente description.
Notamment, l'appareil selon l'invention ne comporte pas de pièces ' amovibles ou à régler, du moins à l'intérieur de l'enceinte optique, y compris le support de diodes électroluminescentes. Les diodes électroluminescents sont fixées une fois pour toutes et leur nombre important permet un éclairage uniforme et une diffusion maximale, sans nécessiter une grande puissance énergëtique. Les chemins optiques ne sont pas critiques et ne nécessitent pas de réglages in situ.
lo La structure dans son ensemble est donc beaucoup moins complexe et l'appareil peut être miniaturisé.
Les effets de fluorescence sont minimisés, ce qui élargit le champ des types de particules mesurables.
Il doit être clair cependant que l'invention n'est pas limitée aux seuls exemples de réalisations précisément décrits, notamment en relation avec la figure 2.
En particulier, comme il a été indiqué, le nombre de diodes électrolumiscentes n'est pas limité à douze, bien que ce nombre assure une bonne illumination et une diffusion de la lumière importante. Enfin, l'utilisation de diodes 2o électroluminescentes de longueur d'onde 630 nm soit particulièrement adaptée, il est cependant tout à fait possible de les remplacer par d'autres types de sources lumineuses monochromatiques : diodes laser par exemple, bien que ces dernières soient plus onéreuses.
Si l'utilisation d'un microscope n'est pas souhaitée, l'ensemble détecteur "CCD" et filtre peut être fixé à demeure sur le support supérieur, ce qui est de nature à rendre plus robuste l'appareil de mesure selon l'invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Appareil de mesure (1) de retombées de particules sur une surface, du type mettant en oeuvre une plaque témoin (P la) de dimensions déterminées dont la surface supérieure est exposée pendant un intervalle de temps déterminé à
ladite retombée de particules, cet appareil comprenant des moyens d'illumination de ladite plaque témoin (P la) lorsqu'elle est introduite dans l'appareil de mesure (1), ces moyens d'illumination étant adaptés à émettre au moins un pinceau de lumière sensiblement parallèle à ladite surface supérieure, des moyens optoélectroniques de détection de la lumière diffusée par lesdites particules éclairées par lesdits moyens d'illumination, agencés de manière à mesurer l'intensité de la lumière diffusée suivant une direction (.DELTA. O) orthogonale à ladite surface et à en déduire le degré de contamination, par unité de surface, de la plaque témoin (P la) par lesdites particules, caractérisé en ce qu'il comprend une structure annulaire inférieure (11), entourant ladite plaque témoin (P la) et supportant une enceinte optique (10), et en ce que lesdits moyens d'illumination de la plaque témoin sont constitués par au moins deux sources optiques monochromatiques (D 1, D x) fixées à la structure annulaire (11) et réparties régulièrement autour de la plaque témoin de manière à
éclairer la surface supérieure de la plaque témoin suivant autant de directions distinctes et sous un angle d'incidence faible de manière à obtenir une lumière rasante.

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites sources monochromatiques sont des diodes électroluminescentes (D1, Dx) dont l'émission est centrée sur une longueur d'onde de 630 nm.

3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites diodes électroluminescentes (D1, Dx) sont au nombre de douze, équi-réparties sur ladite structure annulaire (11).

4. Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit angle d'incidence est sensiblement égal à 4 degrés.

5. Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite enceinte optique (10) est dotée d'une structure cylindrique d'axe de symétrie (.DELTA.O) orthogonal à la surface de ladite plaque témoin (P la) et en ce que les parois internes à cette enceinte sont recouvertes d'une peinture noire mate de manière à
éviter les réflexions parasites.

6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite enceinte est surmontée d'une structure annulaire supérieure (12), en ce que cette structure (12) supporte lesdits moyens de détection optoélectroniques et en ce que ces moyens de détection optoélectroniques comprennent des circuits semi-conducteurs à
couplage de charge (122).

7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite structure annulaire supérieure (12) supporte également un filtre optique disposé sous lesdits moyens de détection optoélectroniques (122), du type passe-bande, dont la longueur d'onde centrale est appariée à la longueur d'onde d'émission desdites sources optiques monochromatiques (Dl, Dx).

8. Appareil selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que ladite structure annulaire supérieure (12) supporte, en outre, en sa partie inférieure, une lentille optique (120) focalisant la lumière diffuse sur lesdits moyens de détection optoélectroniques (122).

9. Appareil selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que ladite structure annulaire supérieure (12) est munie de moyens de fixation amovibles desdits moyens de détection optoélectroniques (102) et le cas échéant dudit filtre (121), de manière à les remplacer par un microscope d'observation directe de la plaque témoin (P la).

10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens de fixation amovibles comprennent des moyens de vissage et de maintien élastique à ressort à lame (123) desdits moyens de détection optoélectroniques(122) et le cas échéant dudit filtre (121) à l'intérieur d'un logement (124) pratiqué dans la partie supérieure de ladite structure annulaire supérieure (12).