JP2005156221A - Particle distribution measuring instrument - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To perform measurement with high sensitivity, with a high dynamic range, and at a high speed, by enhancing the S/N ratio of a detection signal on light emitted from measuring object particles, in a measuring instrument for measuring the distribution of the object particles by measuring light emitted from the object particles such as plasma-state molecules owing to laser light irradiation. <P>SOLUTION: This particle distribution measuring instrument 10 comprises a laser light generation unit 12, a focus lens 18a for focusing laser light as irradiation light to the measuring object particles, a detection unit 20 for detecting light emitted from the object particles irradiated with the irradiation light, and a confocal optics system forming means for causing at least a part of laser light incoming from the generation unit 12 to exit from a point at an image surface position of the focus lens 18a as irradiation light and causing light focusing at a point of a focal position of the focus lens 18a out of light emitted by the object particles to progress to the detection unit 20. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、生成されるラジカル、励起種、イオン等の活性種の粒子にレーザ光を照射し、これによって励起された粒子から発光する光を検出して、流れ場中の粒子の濃度分布や生成された粒子の濃度分布等を測定する粒子分布測定装置に関する。   The present invention irradiates particles of active species such as generated radicals, excited species, and ions with laser light, detects light emitted from the excited particles, and detects the concentration distribution of particles in the flow field. The present invention relates to a particle distribution measuring apparatus for measuring a concentration distribution of generated particles.

今日、半導体プロセスにおいて、CVD(Chemical Vapor Deposition)やPVD(Physical Vapor Deposition)、さらにはスパッタリングに用いる半導体製造装置では、チャンバ内の気相中に生成されるプラズマを利用して薄膜の形成やエッチングに用いる。
近年、Si基板等の大型化に伴って、CVDやPVDさらにはスパッタリング等に用いる半導体製造装置のチャンバも大型化し、これらの装置において大型化したSi基板に薄膜を均一に形成することが強く求められている。このため、チャンバ内にプラズマ状態の分子等が均一に発生している否かを確認することが必要となってきている。
Nowadays, in semiconductor processes, CVD (Chemical Vapor Deposition), PVD (Physical Vapor Deposition), and semiconductor manufacturing equipment used for sputtering use the plasma generated in the gas phase in the chamber to form and etch thin films. Used for.
In recent years, with the increase in size of Si substrates and the like, the chambers of semiconductor manufacturing apparatuses used for CVD, PVD and sputtering are also increased in size, and it is strongly required to form a thin film uniformly on the enlarged Si substrates in these apparatuses. It has been. For this reason, it is necessary to confirm whether or not plasma molecules or the like are uniformly generated in the chamber.

一般に、レーザ光をプラズマ状態の分子等を測定する場合、測定対象とする分子等にレーザ光を照射し、励起したプラズマ状態の分子から発光する光を測定することでプラズマ状態の分子の種類を観測するLIF(Laser Induced Fluorescence)法が知られている。
LIF法では、非特許文献1に示されるように、プラズマ状態の分子を有する気相中の一点にレーザ光を照射して気相中の一点を測定する。このためプラズマ状態の分子の分布を測定するには、レーザ光の集束する位置を変えるために、レーザ光源とこれに付随する光学ユニットを一体的に移動しなければならない。このような集束位置の移動は正確に行なわなければ正確な分布を得ることはできず、正確な移動ユニットを設けるには装置自体を大型化しなければならず、装置自体も煩雑なものとなってしまう。
In general, when measuring molecules in a plasma state with laser light, the molecules to be measured are irradiated with the laser light, and the light emitted from the excited molecules in the plasma state is measured to determine the types of molecules in the plasma state. An LIF (Laser Induced Fluorescence) method for observation is known.
In the LIF method, as shown in Non-Patent Document 1, one point in the gas phase is measured by irradiating one point in the gas phase having molecules in the plasma state with laser light. For this reason, in order to measure the distribution of molecules in the plasma state, the laser light source and the associated optical unit must be moved together in order to change the focus position of the laser light. If the movement of the focusing position is not performed accurately, an accurate distribution cannot be obtained. To provide an accurate moving unit, the apparatus itself must be enlarged, and the apparatus itself becomes complicated. End up.

一方、CCD撮像素子等の撮像管を用いてプラズマ状態の発光する光の分布を撮像して気相中の分布を測定することも行なわれているが、撮像管等により発光する光を撮像して分布を得る場合、発光する光は照射するレーザ光に対して極めて微弱であり、撮像管で光量子(フォトン)の単位で短時間に精度良く検出することはできない。また、撮像管で得られる撮像信号は撮像官に対して奥行き方向に発光した光を累積した検出信号となり、所定のピンポイントの位置で発光した光の検出信号を得ることはできない。
また、励起したプラズマから発光する光は照射されたレーザ光に比べて極めて微弱であるため、チャンバの壁面で反射したレーザ光の戻り光やプラズマ状態の分子の自然発光する光等の外乱光によるオフセット成分に影響されて、励起した分子等の発光する光の検出信号におけるS/N比は極めて低くノイズに埋もれ易い。
On the other hand, the distribution of light emitted in the plasma state is measured by using an imaging tube such as a CCD imaging device to measure the distribution in the gas phase, but the light emitted by the imaging tube or the like is imaged. When the distribution is obtained, the emitted light is extremely weak with respect to the irradiating laser light, and cannot be accurately detected in a short time in units of photons by the imaging tube. Further, the image pickup signal obtained by the image pickup tube is a detection signal obtained by accumulating light emitted in the depth direction with respect to the image pickup person, and a detection signal of light emitted at a predetermined pinpoint position cannot be obtained.
In addition, the light emitted from the excited plasma is extremely weak compared to the irradiated laser light, so it is caused by disturbance light such as the return light of the laser light reflected by the wall surface of the chamber and the light that spontaneously emits plasma molecules. Under the influence of the offset component, the S / N ratio in the detection signal of light emitted from excited molecules or the like is extremely low and is easily buried in noise.

「最新プラズマプロセスのモニタリング技術と解析・制御」、林康明編、株式会社リアライズ社、第29〜31頁、第280頁“Latest Plasma Process Monitoring Technology and Analysis / Control”, Yasuaki Hayashi, Realize, Inc., pages 29-31, 280

そこで、本発明は、レーザ光を照射することによりプラズマ状態の分子等の測定対象粒子の発光する光を測定することで測定対象粒子の分布を測定する測定装置であって、測定対象粒子の発光する光の検出信号のS/N比を高め、高感度に高ダイナミックレンジで高速に測定することができる小型の粒子分布測定装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention is a measuring apparatus for measuring the distribution of particles to be measured by measuring the light emitted from the particles to be measured such as molecules in a plasma state by irradiating the laser beam. An object of the present invention is to provide a small particle distribution measuring apparatus capable of increasing the S / N ratio of a detection signal of light to be measured and measuring at high speed with high sensitivity and high dynamic range.

上記目的を達成するために、本発明は、測定対象粒子にレーザ光を照射することにより前記測定対象粒子の発光する光を検出して前記測定対象粒子の分布を測定する粒子分布測定装置であって、レーザ光を出射するレーザ光生成ユニットと、前記レーザ光を前記測定対象粒子への照射光として、前記測定対象粒子が分布する空間内の所定の位置に集束させるフォーカスレンズを備えるレンズユニットと、前記照射光の照射を受けて前記測定対象粒子の発光する光を検出する検出ユニットと、前記レーザ光生成ユニットから入射したレーザ光の少なくとも一部分を、前記照射光として前記フォーカスレンズの像面位置の点から出射させるとともに、前記測定対象粒子の発光する光のうち前記フォーカスレンズの焦点位置の点に集まる光を前記検出ユニットへ進ませる共焦点光学系形成手段と、を有することを特徴とする粒子分布測定装置を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a particle distribution measuring apparatus for detecting the light emitted from the measurement target particle by irradiating the measurement target particle with laser light and measuring the distribution of the measurement target particle. A laser light generation unit that emits laser light; and a lens unit that includes a focus lens that focuses the laser light as irradiation light on the measurement target particles at a predetermined position in a space in which the measurement target particles are distributed; A detection unit that detects the light emitted from the measurement target particle upon receiving the irradiation light, and at least a part of the laser light incident from the laser light generation unit as the irradiation light, the image plane position of the focus lens Of the light emitted from the particles to be measured and collected at the focal point of the focus lens. To provide a particle distribution measuring apparatus characterized by comprising: a confocal optical system forming means for advancing the unit.

ここで、前記共焦点光学系形成手段は、入射した光を反射する反射面を有し、この反射面上に前記像面位置があり、前記レーザ光生成ユニットから前記焦点に入射したレーザ光を反射して前記照射光として出射させ、前記測定対象粒子の発光する光のうち前記焦点に集まる光を反射して前記検出ユニットへ進ませる反射ミラーを有するのが好ましい。   Here, the confocal optical system forming means has a reflecting surface for reflecting incident light, the image plane position is on the reflecting surface, and the laser beam incident on the focal point from the laser beam generating unit is received. It is preferable to have a reflecting mirror that reflects and emits the irradiation light, reflects the light collected at the focal point out of the light emitted from the measurement target particle, and advances the light to the detection unit.

また、本発明は、測定対象粒子にレーザ光を照射することにより前記測定対象粒子の発光する光を検出して前記測定対象粒子の分布を測定する粒子分布測定装置であって、レーザ光を出射するレーザ光生成ユニットと、前記レーザ光を前記測定対象粒子への照射光として、前記測定対象粒子が分布する空間内の所定の位置に集束させるフォーカスレンズを備えるレンズユニットと、前記照射光の照射を受けて前記測定対象粒子の発光する光を検出する検出ユニットと、前記測定対象粒子が分布する空間内で、前記照射光の集束位置を少なくとも一方向に走査するように前記照射光を制御する照射光制御手段と、を有し、
前記照射光制御手段により前記照射光の集束位置を走査することにより、前記空間内での前記測定対象粒子の分布を測定することを特徴とする粒子分布測定装置を提供する。
The present invention also relates to a particle distribution measuring apparatus for detecting the light emitted from the measurement target particle by irradiating the measurement target particle with laser light and measuring the distribution of the measurement target particle, and emitting the laser light. A laser light generating unit, a lens unit including a focus lens that focuses the laser light as irradiation light on the measurement target particles at a predetermined position in a space where the measurement target particles are distributed, and irradiation of the irradiation light And detecting the light emitted from the measurement target particle, and controlling the irradiation light so as to scan the focused position of the irradiation light in at least one direction within the space in which the measurement target particle is distributed. Irradiation light control means,
Provided is a particle distribution measuring apparatus that measures the distribution of the measurement target particles in the space by scanning the focusing position of the irradiation light by the irradiation light control means.

ここで、前記照射光制御手段は、前記レーザ光生成ユニットから入射したレーザ光の少なくとも一部分を、前記照射光として前記フォーカスレンズの像面位置の点から出射させるとともに、前記測定対象粒子の発光する光のうち前記フォーカスレンズの焦点位置の点に集まる光を前記検出ユニットへ進ませる共焦点光学系形成手段を有するのが好ましい。
また、前記レーザ光生成ユニットは、レーザ光を射出するレーザ光源と、このレーザ光源から射出したレーザ光の光束を拡大するビームエキスパンダとを備え、前記共焦点光学系形成手段は、入射した光を反射する反射面を有する反射ミラーであって、この反射ミラーは、前記ビームエキスパンダにより光束の拡大したレーザ光を反射する微小ミラーを平面上に複数配列し、これらの微小ミラーのそれぞれに入射するレーザ光の反射方向を変えるように微小ミラーの向きが制御可能に可動する微小ミラー配列素子であり、この微小ミラー配列素子の各微小ミラーの向きを制御して、前記拡大したレーザ光の光束の一部分を光束とする照射光を生成することにより、前記測定対象粒子が分布する空間内を一方向にあるいは二方向に走査して、前記測定対象粒子に照射するのが好ましい。さらに、前記レンズユニットは、レーザ光の光路の方向に沿って前記フォーカスレンズを移動させる移動ステージを備え、この移動ステージを移動させることによって、前記測定対象粒子が分布する空間内で前記照射光の集束する位置を変えるのが好ましい。
Here, the irradiation light control means emits at least a part of the laser light incident from the laser light generation unit as the irradiation light from a point at the image plane position of the focus lens, and emits light from the measurement target particles. It is preferable to have confocal optical system forming means for causing the light collected at the focal point of the focus lens to travel to the detection unit.
The laser light generation unit includes a laser light source that emits laser light, and a beam expander that expands a light beam of the laser light emitted from the laser light source, and the confocal optical system forming unit includes incident light. The reflecting mirror has a reflecting surface that reflects the laser beam. The reflecting mirror has a plurality of micromirrors arranged on a plane that reflect the laser beam expanded by the beam expander and is incident on each of these micromirrors. The micromirror array element is movable so that the direction of the micromirrors can be controlled so as to change the reflection direction of the laser beam to be controlled, and the direction of each micromirror of the micromirror array element is controlled to increase the luminous flux of the laser light By generating irradiation light having a part of the light beam as a luminous flux, the space in which the particles to be measured are distributed is scanned in one direction or two directions, Preferably, irradiating the measurement target particles. Further, the lens unit includes a moving stage that moves the focus lens along the direction of the optical path of the laser light, and moving the moving stage allows the irradiation light to pass through the space in which the particles to be measured are distributed. It is preferable to change the focusing position.

また、前記レーザ光生成ユニットと前記ミラー配列素子との間の光路中に、入射した光が所定の透過率および反射率で透過および反射する光学素子であって、前記レーザ光および前記測定対象粒子の発光する光が入射するビームスプリッタが設けられ、前記レーザ光生成ユニットから出射した前記レーザ光は、前記ビームスプリッタ、前記ミラー配列素子および前記レンズユニットに向かって進み、前記測定対象粒子の発光する光は、前記レンズユニット、前記ミラー配列素子および前記ビームスプリッタに向かって前記レーザ光の進行方向と逆行して進み、前記検出ユニットは、前記ビームスプリッタから出射した、前記測定対象粒子の発光する光を検出するように、前記レーザ光生成ユニットと異なる位置に配置されているのが好ましい。その際、前記ビームスプリッタは、入射した光の第1の偏光成分および第2の偏光成分の一方の偏光成分を主に反射し、入射した光の他方の偏光成分を主に透過する偏光ビームスプリッタであって、前記レーザ光生成ユニットと前記偏光ビームスプリッタとの間の光路中にレーザ光の一方の偏光成分を透過する偏光子が設けられ、レーザ光の偏光成分が前記偏光ビームスプリッタに入射するのが好ましい。   An optical element that transmits and reflects incident light at a predetermined transmittance and reflectance in an optical path between the laser light generation unit and the mirror array element, the laser light and the measurement target particle A beam splitter is provided on which the light emitted from the laser beam is incident, and the laser light emitted from the laser light generation unit travels toward the beam splitter, the mirror array element, and the lens unit, and emits light from the measurement target particles. Light travels in a direction opposite to the traveling direction of the laser light toward the lens unit, the mirror array element, and the beam splitter, and the detection unit emits light emitted from the measurement target particle emitted from the beam splitter. Is preferably arranged at a position different from that of the laser light generation unit.In this case, the beam splitter mainly reflects one polarization component of the first polarization component and the second polarization component of the incident light, and mainly transmits the other polarization component of the incident light. A polarizer that transmits one polarization component of the laser beam is provided in an optical path between the laser beam generation unit and the polarization beam splitter, and the polarization component of the laser beam is incident on the polarization beam splitter. Is preferred.

なお、前記測定対象粒子は、例えば、気相中のプラズマ中の活性化された粒子であり、より具体的には、チャンバ内に閉じ込められた気相中のプラズマ中の活性化された粒子であり、前記チャンバの壁面に設けられた窓から前記照射光を前記真空チャンバ内の気相中に照射するのが好ましい。   The particles to be measured are, for example, activated particles in plasma in the gas phase, and more specifically, activated particles in plasma in the gas phase confined in the chamber. It is preferable that the irradiation light is irradiated into the gas phase in the vacuum chamber from a window provided on the wall surface of the chamber.

また、前記レーザ光生成ユニットの出射するレーザ光は射出時間が5ナノ秒以下のパルスレーザ光であり、前記検出ユニットは、前記測定対象粒子の発光する光の検出信号を計数するためにサンプリングし、前記レンズユニットの前記フォーカスレンズは、前記サンプリングにおけるサンプリング周期と光速との積を2で割った値と同等あるいはそれより長い像面距離を前記測定対象粒子側に有するのが好ましい。
なお、本発明における測定対象粒子とは、気相中に生成されるラジカル、励起種、イオン等の活性状態にある分子、原子をはじめとする粒子、例えば半導体製造装置や液晶製造装置におけるチャンバ内や燃焼火炎中の活性化状態の分子や原子の他、さらには液相中や固相中の粒子を含む。
The laser beam emitted from the laser beam generation unit is a pulse laser beam having an emission time of 5 nanoseconds or less, and the detection unit performs sampling to count the detection signal of the light emitted from the measurement target particle. The focus lens of the lens unit preferably has an image plane distance on the measurement target particle side that is equal to or longer than a value obtained by dividing the product of the sampling period and the speed of light in the sampling by two.
The particles to be measured in the present invention are particles such as radicals, excited species, ions, and other active molecules and atoms generated in the gas phase, for example, in a chamber in a semiconductor manufacturing apparatus or a liquid crystal manufacturing apparatus. In addition to activated molecules and atoms in combustion flames, particles in liquid and solid phases are also included.

本発明では、共焦点光学系形成手段を利用して測定対象粒子にレーザ光を照射するとともに、この測定対象粒子の発光する微弱な光を検出するので、測定対象粒子の発光する微弱な光を、外乱光等の影響を抑制することができ、S/N比の向上した検出を実現する。
また、微小ミラー配列素子を利用して、測定対象粒子の位置する空間内を走査するようにレーザ光の照射を制御するので、平面状の測定対象粒子の分布を測定できる小型の装置を構成することができる。また、フォーカスレンズを移動ステージに載置することにより、測定対象粒子の位置する空間内で、フォーカスレンズの光軸の奥行き方向に照射位置を変えることができ、空間内の測定対象粒子の3次元分布を短時間に測定することができる。
また、偏光子や偏光ビームスプリッタを用いることで、さらには、数ナノ秒以下のサンプリング周期で検出ユニットは高速サンプリングを行うことで、測定対象粒子の位置する空間を形成する壁面で照射光が表面反射する場合でも、反射光等の外乱光によるオフセット成分を小さくすることができ、測定対象粒子の発光する光の検出信号のダイナミックレンジを広くとることができる。
In the present invention, the confocal optical system forming means is used to irradiate the measurement target particle with laser light and detect the weak light emitted from the measurement target particle. Thus, the influence of disturbance light or the like can be suppressed, and detection with improved S / N ratio is realized.
In addition, since the irradiation of the laser beam is controlled so as to scan the space in which the measurement target particles are located using the micromirror array element, a small apparatus that can measure the distribution of the planar measurement target particles is configured. be able to. Further, by placing the focus lens on the moving stage, the irradiation position can be changed in the depth direction of the optical axis of the focus lens in the space where the measurement target particle is located, and the three-dimensional measurement target particle in the space can be changed. Distribution can be measured in a short time.
In addition, by using a polarizer and a polarizing beam splitter, the detection unit performs high-speed sampling with a sampling period of several nanoseconds or less, so that the irradiation light is surfaced on the wall surface that forms the space where the particles to be measured are located. Even in the case of reflection, the offset component due to disturbance light such as reflected light can be reduced, and the dynamic range of the detection signal of the light emitted from the particles to be measured can be widened.

以下、本発明の粒子分布測定装置について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。   Hereinafter, the particle distribution measuring apparatus of the present invention will be described in detail based on a preferred embodiment shown in the accompanying drawings.

図1は、本発明の粒子分布測定装置の一例であるプラズマ分布測定装置10の構成を模式的に示した説明図である。
プラズマ分布測定装置10は、所定の光束のレーザ光を生成するレーザ光生成ユニット12と、レーザ光を透過および反射するビームスプリッタ14と、プラズマ状態の測定対象粒子に照射する照射光を生成する、共焦点光学系形成手段として機能する照射光生成ユニット16と、照射光をプラズマ状態の粒子が位置する所定の空間に集束させるレンズユニット18と、測定対象粒子の発光した光を検出する検出ユニット20と、これらの各ユニットの駆動を制御する制御部22と、を有して構成される。また、照射光生成ユニット16および制御部22は、測定対象粒子が分布する空間内で、照射光の集束位置を少なくとも一方向に走査するように照射光を制御する照射光制御手段として機能する。
なお、共焦点光学系形成手段とは、レーザ光生成ユニット12から入射したレーザ光の少なくとも一部分を、レンズユニット18に備えるフォーカスレンズの像面位置上の点から照射光として出射させるとともに、測定対象粒子の発光する光のうちフォーカスレンズの焦点位置上の点に集まる光を検出ユニット20へ進ませる機能を有するものをいう。
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a configuration of a plasma distribution measuring apparatus 10 which is an example of a particle distribution measuring apparatus of the present invention.
The plasma distribution measuring apparatus 10 generates a laser light generation unit 12 that generates laser light of a predetermined light flux, a beam splitter 14 that transmits and reflects laser light, and irradiation light that irradiates measurement target particles in a plasma state. An irradiation light generating unit 16 that functions as a confocal optical system forming unit, a lens unit 18 that focuses the irradiation light into a predetermined space where particles in a plasma state are located, and a detection unit 20 that detects the light emitted from the particles to be measured. And a control unit 22 that controls the driving of each of these units. The irradiation light generation unit 16 and the control unit 22 function as irradiation light control means for controlling the irradiation light so as to scan the convergence position of the irradiation light in at least one direction within the space in which the measurement target particles are distributed.
Note that the confocal optical system forming means emits at least a part of the laser light incident from the laser light generation unit 12 as irradiation light from a point on the image plane position of the focus lens included in the lens unit 18 and is a measurement target. Of the light emitted by the particles, the light having the function of advancing to the detection unit 20 the light collected at a point on the focal position of the focus lens.

レーザ光生成ユニットは12は、半導体レーザ12aと、ビームエキスパンダ12bと、偏光子12cとを有する。
半導体レーザ光源12aは、例えば、GaAs基板やInP基板に活性層およびクラッド層を積層した公知の半導体レーザ光源であり、5ナノ秒以下の時間幅で短パルスレーザ光を制御部22より供給される制御信号に応じて射出する。射出されるレーザ光は、例えば、波長が250nm〜500nmで、最大時の光強度は数kWである。
本発明においては半導体レーザ光源の他に、パルス色素レーザ光源やエキシマレーザ光源やYAGレーザ光源等の各種のレーザ光源を用いることができる。これらは、射出されるレーザ光の波長、光強度および射出する時間幅等を考慮して、測定対象の活性化された粒子に応じて適宜選択するとよい。
The laser light generation unit 12 includes a semiconductor laser 12a, a beam expander 12b, and a polarizer 12c.
The semiconductor laser light source 12a is, for example, a known semiconductor laser light source in which an active layer and a cladding layer are stacked on a GaAs substrate or an InP substrate, and a short pulse laser beam is supplied from the control unit 22 with a time width of 5 nanoseconds or less. Injecting according to the control signal. The emitted laser light has, for example, a wavelength of 250 nm to 500 nm and a maximum light intensity of several kW.
In the present invention, various laser light sources such as a pulse dye laser light source, an excimer laser light source, and a YAG laser light source can be used in addition to the semiconductor laser light source. These may be appropriately selected according to the activated particles to be measured in consideration of the wavelength of the emitted laser beam, the light intensity, the emission time width, and the like.

ビームエキスパンダ12bは、半導体レーザ光源12aから射出される光束の小さいレーザ光を太い光束に拡大するもので、2組のレンズを焦点位置が重なるように対向させて配置したものである。レーザ光の光束を拡大するのは、後述するように、光束の一部分を用いて測定対象のプラズマ状態の粒子を照射する照射光とするためである。
偏光子12cは、光束の拡大されたレーザ光のS偏光成分を取り出す。
The beam expander 12b expands a laser beam having a small luminous flux emitted from the semiconductor laser light source 12a into a thick luminous flux, and has two sets of lenses facing each other so that their focal positions overlap. The reason why the laser light beam is enlarged is that, as will be described later, a part of the light beam is used as irradiation light for irradiating particles in a plasma state to be measured.
The polarizer 12c extracts the S-polarized component of the laser light whose beam has been expanded.

ビームスプリッタ14は、レーザ光および後述する測定対象のプラズマ状態の粒子の発光する光が入射し、この入射した光を所定の透過率および反射率で透過および反射する光学素子である。このビームスプリッタ14は、入射する光がS偏光波の場合主に反射し、入射する光がP偏光波の場合主に透過する偏光ビームスプリッタである。主に反射とはS偏光波の反射率が99%以上であり、主に透過とはP偏光波の透過率が99%以上であることをいう。
したがって、偏光子12cから出射したレーザ光のS偏光成分は、ビームスプリッタ14で主に反射して、照射光生成ユニット16に進む。一方、後述する測定対象であるプラズマ状態の粒子の発光する光が照射光生成ユニット16からビームスプリッタ14に進み、P波偏光成分のみがビームスプリッタ14を主に透過するように進む。
The beam splitter 14 is an optical element that receives laser light and light emitted from particles in a plasma state to be measured, which will be described later, and transmits and reflects the incident light with a predetermined transmittance and reflectance. This beam splitter 14 is a polarization beam splitter that mainly reflects when incident light is an S-polarized wave and transmits mainly when incident light is a P-polarized wave. Mainly reflection means that the reflectance of the S-polarized wave is 99% or more, and mainly transmission means that the transmittance of the P-polarized wave is 99% or more.
Therefore, the S-polarized component of the laser light emitted from the polarizer 12 c is mainly reflected by the beam splitter 14 and proceeds to the irradiation light generation unit 16. On the other hand, light emitted from plasma particles to be measured, which will be described later, travels from the irradiation light generation unit 16 to the beam splitter 14, and only the P-wave polarization component travels mainly through the beam splitter 14.

照射光生成ユニット16は、プリズム16aおよび微小ミラー配列素子16bを有して構成され、後述するように共焦点光学系形成手段および照射光制御手段として機能する。
プリズム16は、ビームスプリッタ14からのレーザ光のS偏光成分を透過させて微小ミラー配列素子16bに進めるとともに、後述する測定対象のプラズマ状態の粒子の発光する光を微小ミラー配列素子16bに向けて反射するように構成される。さらに、微小ミラー配列素子16bで反射した光をビームスプリッタ14に向けて進ませる。
The irradiation light generation unit 16 includes a prism 16a and a micromirror array element 16b, and functions as a confocal optical system forming unit and an irradiation light control unit as will be described later.
The prism 16 transmits the S-polarized component of the laser light from the beam splitter 14 and advances it to the micromirror array element 16b. At the same time, the light emitted from particles in the plasma state to be measured, which will be described later, is directed toward the micromirror array element 16b. Configured to reflect. Further, the light reflected by the micromirror array element 16 b is advanced toward the beam splitter 14.

微小ミラー配列素子16bは、微小ミラー17が平面上に複数配列し、これらの微小ミラー17のそれぞれが微小ミラーの向きが変わるように、制御部22から供給される制御信号により可動する空間変調素子であり、図1では、プリズム15の垂直下方に設けられている。微小ミラー配列素子16bは、例えば、米国TI社製デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)(商標)が好適に用いられる。DMDは微小ミラーそれぞれが有する回転軸を中心に所定の角度自在に可動するように構成され、これらの各微小ミラーが外部から供給される制御信号によって微小ミラーの回転角度が+12°もしくは−12°に制御される。
配列している微小ミラー17の1つ(図1中の微小ミラー17a)のみがレーザ光の入射方向と測定対象粒子の発光する光の反射方向が一致し、それ以外は全て入射方向と反射方向がずれるように微小ミラー17の向きが制御される。
したがって、プリズム16aを透過したレーザ光のS偏光成分は微小ミラー17aで反射した光のみがプリズム16aの斜面で全反射され、図1中の左方向に(レンズユニット18の側に)進み、プラズマ状態の粒子に照射する照射光となる。
The micromirror array element 16b is a spatial modulation element that is movable by a control signal supplied from the control unit 22 so that a plurality of micromirrors 17 are arranged on a plane and the direction of the micromirrors changes. In FIG. 1, it is provided vertically below the prism 15. As the micromirror array element 16b, for example, a digital micromirror device (DMD) (trademark) manufactured by TI, USA is suitably used. The DMD is configured to be movable at a predetermined angle around the rotation axis of each micromirror, and the rotation angle of the micromirror is + 12 ° or −12 ° according to a control signal supplied from the outside. Controlled.
Only one of the arranged micromirrors 17 (the micromirror 17a in FIG. 1) has the same incident direction of the laser beam and the reflected direction of the light emitted from the particle to be measured. The direction of the micromirror 17 is controlled so that the angle is deviated.
Accordingly, the S-polarized component of the laser light transmitted through the prism 16a is only totally reflected by the inclined surface of the prism 16a only in the light reflected by the micromirror 17a, and proceeds to the left in FIG. 1 (to the lens unit 18 side). The irradiation light is applied to the particles in the state.

レンズユニット18は、フォーカスレンズ18aと、移動ステージ18bと、移動ステージ18cに接続された駆動モータ18cとを有して構成される。
フォーカスレンズ18aは移動ステージ18bに載置されてフォーカスレンズ18aの光軸方向に自在に移動するように構成されている。また、移動ステージ18bに接続される駆動モータ18cは、制御部22の制御信号に応じて、測定対象粒子の位置するチャンバ24の側に向かって移動ステージ18bが前進あるいは後退するように回転する。
プリズム16aの斜面で全反射して進行する照射光は、フォーカスレンズ18aを通り、チャンバ24の窓24aを透過して、チャンバ24内の所定の位置で照射光が集束するように構成される。
The lens unit 18 includes a focus lens 18a, a moving stage 18b, and a drive motor 18c connected to the moving stage 18c.
The focus lens 18a is placed on the moving stage 18b and is configured to move freely in the optical axis direction of the focus lens 18a. Further, the drive motor 18c connected to the moving stage 18b rotates so that the moving stage 18b moves forward or backward toward the side of the chamber 24 where the measurement target particles are located, according to the control signal of the control unit 22.
The irradiation light that travels by being totally reflected by the slope of the prism 16 a passes through the focus lens 18 a, passes through the window 24 a of the chamber 24, and is configured such that the irradiation light is focused at a predetermined position in the chamber 24.

チャンバ24は、プラズマCVDによる薄膜の形成を行なうために低圧状態、例えば5〜133Paとされ、チャンバ24内のガス分子が印加電圧によってプラズマ状態の粒子となって活性化されている。このようなプラズマ状態に活性化されたガスの分子が、測定対象の粒子となっている。
なお、微小ミラー配列素子16bの平面状に並ぶ微小ミラーは、フォーカスレンズ18aの像面位置に設けられており、光束が拡大された平行光であるレーザ光の一部分が照射光として生成され、フォーカスレンズ18aによりチャンバ24内の焦点位置に集束される。
プラズマ状態の粒子は、照射光が照射されることで励起され、このとき励起状態から基底状態に遷移するときに発光する。この発光した光は、フォーカスレンズ18a、プリズム16a、微小ミラー17aおよびプリズム16aを経由して、ビームスプリッタ14に進む。ビームスプリッタ14で、P偏光成分のみが透過し検出ユニット20に進む。
The chamber 24 is in a low pressure state, for example, 5 to 133 Pa in order to form a thin film by plasma CVD, and gas molecules in the chamber 24 are activated as particles in a plasma state by an applied voltage. Gas molecules activated in such a plasma state are particles to be measured.
Note that the micromirrors arranged in a planar shape of the micromirror array element 16b are provided at the image plane position of the focus lens 18a, and a part of the laser beam, which is a parallel beam with an expanded luminous flux, is generated as the irradiation light, and the focus The light is focused on the focal position in the chamber 24 by the lens 18a.
The particles in the plasma state are excited by irradiation with irradiation light, and emit light when transitioning from the excited state to the ground state. The emitted light travels to the beam splitter 14 via the focus lens 18a, the prism 16a, the minute mirror 17a, and the prism 16a. Only the P-polarized light component is transmitted through the beam splitter 14 and proceeds to the detection unit 20.

検出ユニット20は、レンズ20aと、狭帯域フィルタ20bと、光電子増倍管20cと、アンプ20dと、カウンタボード20eと、コンピュータ20fとを有して構成される。
レンズユニット20aは、検出ユニット20に至る測定対象粒子の発光する光(P偏光成分)を光電子増倍管20cの受光面である光電陰極で集束させるように配置される。
狭帯域フィルタ20bは、測定対象粒子の発光する光を、照射光の光から区別して抽出されるように狭帯域フィルタ特性を有し、波長帯域でフィルタリングする。
光電子増倍管20cは、入射した光を大きな電流信号(検出信号)に変える電子管であり、周知のように、光電陰極と陽極の間にいくつかのダイノードを備えたものである。
The detection unit 20 includes a lens 20a, a narrow band filter 20b, a photomultiplier tube 20c, an amplifier 20d, a counter board 20e, and a computer 20f.
The lens unit 20a is arranged so that the light (P-polarized component) emitted from the measurement target particles reaching the detection unit 20 is focused by the photocathode that is the light receiving surface of the photomultiplier tube 20c.
The narrow band filter 20b has a narrow band filter characteristic so that the light emitted from the measurement target particle is extracted separately from the light of the irradiation light, and filters the light in the wavelength band.
The photomultiplier tube 20c is an electron tube that changes incident light into a large current signal (detection signal). As is well known, the photomultiplier tube 20c includes several dynodes between a photocathode and an anode.

カウンタボード20eは、光電子増倍管20cで生成されてアンプ20で増幅された光の検出信号を用いて、光電子増倍管20cに入射した光をフォトンとして計数する回路である。
アンプで増幅された検出信号、すなわち、測定対象粒子の発光した微弱な光が光量子(フォトンともいう)の検出信号として生成され、フォトンの検出数が計数されるように2ナノ秒以下のサンプリング周期で検出信号が高速サンプリングされ、1つのフォトンの検出に対して1つの計数をカウントするように構成される。具体的には、カウンタボード20eに所定の閾値を定め、アンプ20dからの検出信号が閾値を横切って越した場合、1つのフォトンが検出されたとして計数する。
なお、2ナノ秒以下の高速サンプリングは、例えば、1秒間に5G回サンプリングするGaGe社(Gage Applied Sciences Inc.)のA/D変換ボードCompuScope 85Gが好適に挙げられる。このように高速サンプリングを行なうのは、狭帯域フィルタ20bとともに、測定対象粒子の発光する微弱な光のみを効率よく検出するためである。特に、高速サンプリングによる検出の感度に与える効果は大きい。
コンピュータ20fは、本装置全体の駆動を制御部22を介して制御するほか、カウンタボード20eで計数されたフォトンのデータを蓄積してデータを処理するとともに、処理結果を表示する装置である。
制御部22は、コンピュータ20fの指示に応じて各ユニットへの制御信号を生成して供給する回路である。
The counter board 20e is a circuit that counts light incident on the photomultiplier tube 20c as photons using a detection signal of light generated by the photomultiplier tube 20c and amplified by the amplifier 20.
A sampling period of 2 nanoseconds or less so that the detection signal amplified by the amplifier, that is, the weak light emitted from the measurement target particle is generated as a detection signal of photon (also called photon) and the number of photons detected is counted. The detection signal is sampled at high speed and configured to count one count for the detection of one photon. Specifically, a predetermined threshold value is set for the counter board 20e, and if the detection signal from the amplifier 20d crosses the threshold value, it is counted that one photon has been detected.
For example, a high-speed sampling of 2 nanoseconds or less is preferably an A / D conversion board CompuScope 85G manufactured by GaGe (Gage Applied Sciences Inc.) that samples 5G times per second. The reason why high-speed sampling is performed in this way is to efficiently detect only the weak light emitted from the particles to be measured together with the narrow band filter 20b. In particular, the effect on detection sensitivity by high-speed sampling is large.
The computer 20f is a device that controls driving of the entire apparatus via the control unit 22, accumulates photon data counted by the counter board 20e, processes the data, and displays a processing result.
The control unit 22 is a circuit that generates and supplies a control signal to each unit in accordance with an instruction from the computer 20f.

図2は、測定対象粒子に照射する照射光の波長帯域での光強度分布と測定対象粒子の発光する光の光強度分布の例を、狭帯域フィルタ20bのフィルタ特性とともに示す図である。
測定対象粒子の発光する光は、光強度が照射光に比べて極めて微弱であり(光強度は照射光の1/10以下)、しかも、ストークスシフトが略10nm(中心波長の差が略10nm)であり、波長帯域で照射光に極めて近接している。このため、狭帯域フィルタ20bのフィルタ特性におけるサイドローブの部分に照射光の一部が重なり、フィルタリング処理後においても照射光の一部が測定対象粒子の光に混入する場合がある。この混入する照射光の一部は、測定対象粒子の発光する光が照射光に比べてきわめて微弱であることから、フィルタリングによって大部分が除去されたとしても、測定対象粒子の発光する微弱な光にとっては光強度が十分高く、測定するには極めて大きな障害となる。このため、検出ユニット20では、2ナノ秒以下の高速サンプリングを行なっている。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the light intensity distribution in the wavelength band of the irradiation light irradiated to the measurement target particle and the light intensity distribution of the light emitted from the measurement target particle, together with the filter characteristics of the narrow band filter 20b.
The light emitted by the particles to be measured has an extremely weak light intensity compared to the irradiated light (the light intensity is 1/10 9 or less of the irradiated light), and the Stokes shift is approximately 10 nm (the difference between the center wavelengths is approximately 10 nm). And is very close to the irradiation light in the wavelength band. For this reason, a part of the irradiation light may overlap with the side lobe part in the filter characteristics of the narrow band filter 20b, and a part of the irradiation light may be mixed into the light of the measurement target particle even after the filtering process. Part of this mixed irradiation light is very weak compared to the irradiation light, so even if most of the light is removed by filtering, the weak light emitted by the measurement target particles For this, the light intensity is sufficiently high, which is a very big obstacle to measurement. For this reason, the detection unit 20 performs high-speed sampling of 2 nanoseconds or less.

図3は、測定対象粒子の発光する微弱な光の時間に伴って変化する光強度分布Aを示している。また、図3では、測定対象粒子に照射する照射光が照射した位置からフォーカスレンズ18a、プリズム16a、微小ミラー配列素子16b、プリズム16a、ビームスプリッタ14を経由して検出ユニット20の光電子増倍管20にて受光されるであろう仮想の時点を基準としている。また、図3中の光強度分布Bは、照射光がチャンバ24の内壁面で反射した戻り光の光強度分布である。図3に示すように、測定対象粒子の発光する光は戻り光の到達前に光電子増倍管20cに到達する。   FIG. 3 shows a light intensity distribution A that changes with the time of weak light emitted from the measurement target particle. In FIG. 3, the photomultiplier tube of the detection unit 20 passes through the focus lens 18 a, the prism 16 a, the micromirror array element 16 b, the prism 16 a, and the beam splitter 14 from the position irradiated with the irradiation light that irradiates the measurement target particles. A virtual time point at which light is received at 20 is used as a reference. A light intensity distribution B in FIG. 3 is the light intensity distribution of the return light reflected by the inner wall surface of the chamber 24. As shown in FIG. 3, the light emitted from the measurement target particle reaches the photomultiplier tube 20c before the return light arrives.

また、図3中にはチャンバ24内のプラズマ自体が自然発光する光の強度分布を含む、外乱となる光強度分布Cを示している。この光強度分布Cのレベルは、光強度分布Aのピークレベルに比べて低いが、光強度分布Cは常時外乱光として存在するため、数10ナノ秒の期間、フォトンを累積して計数したり、撮像管のように蓄積時間を定めて撮像信号を生成する受光センサでは光強度分布Aが光強度分布Cに埋もれてしまう。また、数10ナノ秒のサンプリング周期ではすでに光強度分布Aは減衰し、外乱光による光強度分布Cのレベル以下になる。このため、所定時間受光して蓄積する受光センサでは光強度分布Aは光強度分布Cに埋もれて検出が不可能である。   Further, FIG. 3 shows a light intensity distribution C that is a disturbance, including an intensity distribution of light that the plasma in the chamber 24 spontaneously emits. The level of the light intensity distribution C is lower than the peak level of the light intensity distribution A. However, since the light intensity distribution C is always present as disturbance light, photons are accumulated and counted for a period of several tens of nanoseconds. The light intensity distribution A is buried in the light intensity distribution C in a light receiving sensor that generates an image pickup signal by setting an accumulation time like an image pickup tube. Further, the light intensity distribution A is already attenuated in the sampling period of several tens of nanoseconds, and becomes below the level of the light intensity distribution C caused by the disturbance light. For this reason, the light intensity distribution A is buried in the light intensity distribution C and cannot be detected by a light receiving sensor that receives and accumulates light for a predetermined time.

また、フォーカスレンズ18aにて集束する照射光の結像位置とフォーカスレンズ18aの距離、すなわち結像距離(像面距離)sを光(光速をcとする)が通過する時間s/cの2倍の時間と同等またはこれより短い周期で高速サンプリングされる。具体的には、結像距離sが15cmの場合、光速c=3.0×1010(cm/秒)として、サンプリング周期は1ナノ秒(=15/(3.0×1010×2)以下となる。
このようにサンプリング周期の上限値を規定するのは、フォーカスレンズ18aを通過した照射光が測定対象粒子に照射して測定対象粒子が即座に励起され、この励起された粒子から即座に発光する場合においても、測定時間の帯域で発光した光を、フォーカスレンズ18aに入射した際に発生する反射照射光成分から区別できるようにするためである。
したがって、フォーカスレンズ18aが固定されていればカウンタボード20eのサンプリング周期の上限値を上述の結像距離sと光速cの関係を用いて定めることで、検出ユニット20で受光する光をフォーカスレンズ18aでの反射照射光成分と区別することができる。
また、サンプリング周期が固定されていれば、上記結像距離sと光速cとの関係を用いて結像距離sの下限値を定め、これに応じてフォーカスレンズ18aを選択することもできる。
Further, the distance between the imaging position of the irradiation light focused by the focus lens 18a and the focus lens 18a, that is, the imaging distance (image surface distance) s, which is the time s / c of 2 during which light (the speed of light is c) passes. High-speed sampling is performed at a period equivalent to or shorter than twice the time. Specifically, when the imaging distance s is 15 cm, the light velocity c = 3.0 × 10 10 (cm / sec) and the sampling period is 1 nanosecond (= 15 / (3.0 × 10 10 × 2). It becomes as follows.
The upper limit value of the sampling period is defined in this case when the measurement target particle is immediately excited by irradiation light passing through the focus lens 18a, and the measurement target particle is immediately excited, and the excited particle emits light immediately. This is because the light emitted in the measurement time band can be distinguished from the reflected irradiation light component generated when the light enters the focus lens 18a.
Therefore, if the focus lens 18a is fixed, the upper limit value of the sampling period of the counter board 20e is determined using the above-described relationship between the imaging distance s and the light velocity c, so that the light received by the detection unit 20 can be received by the focus lens 18a. It can be distinguished from the reflected irradiation light component in FIG.
If the sampling period is fixed, the lower limit value of the imaging distance s can be determined using the relationship between the imaging distance s and the light velocity c, and the focus lens 18a can be selected accordingly.

このようなプラズマ分布測定装置10では、微小ミラー配列素子16bでは、上述したように、光束の広がった平行光であるレーザ光の一部分を微小ミラー17aで反射させて照射光を生成する。このため、平行光である照射光は、微小ミラー配列素子16bの微小ミラー17aの点を点光源とするレーザ光と見做すことができる。この場合、点光源は、無限遠の位置に置かれて平行光を生成するものとされる。また、測定対象粒子の発光する光が微小ミラー配列素子16bに入射すると、微小ミラー17aの点に集束した光が検出ユニット20に向けて反射される。   In such a plasma distribution measuring apparatus 10, in the micromirror array element 16b, as described above, a part of the laser light, which is parallel light with spread light flux, is reflected by the micromirror 17a to generate irradiation light. For this reason, the irradiation light which is parallel light can be regarded as laser light using the point of the micromirror 17a of the micromirror array element 16b as a point light source. In this case, the point light source is placed at a position at infinity to generate parallel light. Further, when the light emitted from the measurement target particle enters the micromirror array element 16b, the light focused on the point of the micromirror 17a is reflected toward the detection unit 20.

すなわち、微小ミラー配列素子16bにおいて入射方向と同じ方向に反射するように向きの調整された微小ミラー17aによって反射したレーザ光のみを照射光としてフォーカスレンズ18aに向けて反射し、かつ、この照射光によって発光する光がフォーカスレンズ18aによって微小ミラー17aに進み、さらに検出ユニット20に到達する。このため、フォーカスレンズ18aからみると、微小ミラー17aは照射光を生成する点光源と見做すことができ、かつ微小ミラー17aはチャンバ24内の所定の位置で発光する粒子の光を測定するために一点に集めるものと見做すことができる。したがって、微小ミラー配列素子16bおよびフォーカスレンズ18aは、S/N比の高い共焦点レーザ顕微鏡のような共焦点方式のシステムを構成する。すなわち、照射光の光源となる位置と、測定対象粒子の発光する光を測定のために集まる位置とは、同じ微小ミラー17aの位置であり、これらの位置がフォーカスレンズに対して光学的に共益の位置関係にある共焦点となる。
したがって、微小ミラー17aに進み検出ユニット20で受光される光の検出信号のS/N比は共焦点レーザ顕微鏡と同様に向上する。また、照射光がフォーカスレンズ18aにより集束する際の絞り角を大きくすることが検出信号のS/N比を向上させる点で好ましく、フォーカスレンズ18aのF数(焦点距離/レンズの口径)は2.5以下であるのが好ましい。
また、チャンバ24の内壁面は鏡面仕上げとなっているのでチャンバ24内に照射した照射光は反射、散乱され易い。しかし、共焦点方式のシステムを構成するため反射光および散乱光である外乱光の影響を抑制することができる。
That is, only the laser beam reflected by the micromirror 17a whose direction is adjusted so as to be reflected in the same direction as the incident direction in the micromirror array element 16b is reflected toward the focus lens 18a as irradiation light, and this irradiation light The light emitted by the light advances to the micro mirror 17a by the focus lens 18a and further reaches the detection unit 20. Therefore, when viewed from the focus lens 18 a, the micromirror 17 a can be regarded as a point light source that generates irradiation light, and the micromirror 17 a measures the light of particles emitted at a predetermined position in the chamber 24. For this reason, it can be regarded as a single point. Therefore, the micromirror array element 16b and the focus lens 18a constitute a confocal system such as a confocal laser microscope having a high S / N ratio. That is, the position serving as the light source of the irradiation light and the position where the light emitted from the measurement target particles is collected for measurement are the positions of the same micromirror 17a, and these positions are optically beneficial to the focus lens. It becomes confocal in the positional relationship.
Therefore, the S / N ratio of the detection signal of the light that proceeds to the micromirror 17a and is received by the detection unit 20 is improved as in the confocal laser microscope. In addition, it is preferable to increase the aperture angle when the irradiation light is focused by the focus lens 18a in terms of improving the S / N ratio of the detection signal, and the F number (focal length / lens aperture) of the focus lens 18a is 2. .5 or less is preferable.
Further, since the inner wall surface of the chamber 24 has a mirror finish, the irradiation light irradiated into the chamber 24 is easily reflected and scattered. However, since the confocal system is configured, the influence of disturbance light that is reflected light and scattered light can be suppressed.

微小ミラー配列素子16bは、入射した照明光(レーザ光)の反射方向を測定対象粒子の発光する光の入射方向と一致させる微小ミラーの位置を時間と共に移動するように制御される。すなわち、制御部22は、微小ミラー配列素子16bの各微小ミラー17の向きを制御し、照明光の入射方向と測定対象粒子の発光する光の反射方向とが一致する微小ミラーを変化させる制御信号を供給する。これにより、例えば微小ミラー配列素子16bの一方向に並ぶ微小ミラーを順番に光の入射方向と反射方向とが一致するように制御することで、照射光の集束する位置をチャンバ24内で一方向に走査することができる。したがって、微小ミラー配列素子16bの平面に配列される微小ミラーを二方向に走査することにより、チャンバ24内の照射光の集束する位置を平面上で二方向に走査することができ、チャンバ24内の測定対象粒子の分布を知ることができる。勿論、微小ミラーを一方向に走査してチャンバ24内の照射光の集束する位置を一方向に走査してもよい。
さらに、制御部22は、移動ステージ18bに接続される駆動モータ18cの回転を制御することにより、フォーカスレンズ18aから見て光軸方向(図1中左右方向)のチャンバ24内の測定対象粒子の分布を測定することもできる。
The micromirror array element 16b is controlled so as to move the position of the micromirror that matches the reflection direction of the incident illumination light (laser light) with the incident direction of the light emitted from the measurement target particle with time. That is, the control unit 22 controls the direction of each micromirror 17 of the micromirror array element 16b, and changes the micromirror in which the incident direction of the illumination light matches the reflection direction of the light emitted from the measurement target particle. Supply. Accordingly, for example, by controlling the micromirrors arranged in one direction of the micromirror array element 16b so that the light incident direction and the reflection direction coincide with each other in order, the position where the irradiation light converges in one direction in the chamber 24 Can be scanned. Therefore, by scanning the micromirrors arranged in the plane of the micromirror array element 16b in two directions, the position where the irradiation light in the chamber 24 is focused can be scanned in two directions on the plane. It is possible to know the distribution of particles to be measured. Of course, the position where the irradiation light in the chamber 24 is focused may be scanned in one direction by scanning the micromirror in one direction.
Further, the control unit 22 controls the rotation of the drive motor 18c connected to the moving stage 18b, so that the particles to be measured in the chamber 24 in the optical axis direction (left-right direction in FIG. 1) viewed from the focus lens 18a. The distribution can also be measured.

図1に示す例では、測定対象粒子が、プラズマCVD装置のチャンバ24内で発生するプラズマ状態の粒子であるが、本発明においては測定対象粒子はチャンバ等の閉ざされた気相空間内の粒子に限定されない。例えば、火炎中のプラズマ状態の粒子であってもよいし、固体や液体中の粒子であってもよく、少なくとも測定対象粒子にレーザ光を照射することにより測定対象粒子の発光する光を測定してこの測定対象粒子の空間中における分布を測定できればよい。
以上がプラズマ分布測定装置10の構成である。
In the example shown in FIG. 1, the particles to be measured are particles in a plasma state generated in the chamber 24 of the plasma CVD apparatus. In the present invention, the particles to be measured are particles in a closed gas phase space such as a chamber. It is not limited to. For example, it may be plasma particles in a flame or particles in a solid or liquid, and at least measure the light emitted from the measurement target particles by irradiating the measurement target particles with laser light. It is only necessary to measure the distribution of the particles to be measured in the space.
The above is the configuration of the plasma distribution measuring apparatus 10.

次に、プラズマ分布測定装置10の動作を説明する。
プラズマ分布測定装置10では、まず、制御部22の制御信号により半導体レーザ光源12aから数ナノ秒の短パルスレーザ光が射出され、ビームエキスパンダ12bで光束が拡大される。光束の拡大されたレーザ光は偏光子12cによりレーザ光のS偏光成分が生成される。
この後、レーザ光(S偏光成分)はビームスプリッタ14で反射されて、図1中の下方向に進みプリズム16aに入射される。
Next, the operation of the plasma distribution measuring apparatus 10 will be described.
In the plasma distribution measuring apparatus 10, first, a short pulse laser beam of several nanoseconds is emitted from the semiconductor laser light source 12a by a control signal of the control unit 22, and a light beam is expanded by the beam expander 12b. The laser beam with the expanded luminous flux generates an S-polarized component of the laser beam by the polarizer 12c.
Thereafter, the laser light (S-polarized component) is reflected by the beam splitter 14, proceeds downward in FIG. 1, and enters the prism 16a.

プリズム16aでは、レーザ光(S偏光成分)は透過して、プリズム16aの垂直下方に位置する微小ミラー配列素子16bに入射される。このとき制御部22からの制御信号により例えば微小ミラーの1つ(図1では微小ミラー17a)のみがレーザ光の入射方向と測定対象粒子の発光する光の反射方向とが同じ方向になるように微小ミラーの向きが垂直上方に制御されており、この微小ミラーに入射したレーザ光のみがプリズム16aに戻され、プリズム16aの斜面で全反射し、フォーカスレンズ18aに向けられる。一方、これ以外の微小ミラーはレーザ光の入射方向と反射方向とが異なるように向きが制御されるので、プリズム16aで反射したレーザ光はフォーカスレンズ18aに進まない。これにより、例えば1つの微小ミラーで反射されたレーザ光のみが照射光として生成されフォーカスレンズ18aを透過する。
照射光はフォーカスレンズ18aの像面距離に応じて定まるチャンバ24内の気相中の位置に集束し、この位置に存在するプラズマ状態の測定対象粒子を発光するように励起させる。発光は必ずしも頻繁に発生するものでなく、所定の確率過程に沿って三々五々発生する。
In the prism 16a, the laser light (S-polarized component) is transmitted and is incident on the micromirror array element 16b positioned vertically below the prism 16a. At this time, according to the control signal from the control unit 22, for example, only one of the micromirrors (the micromirror 17a in FIG. 1) has the same incident direction of the laser light and the reflection direction of the light emitted from the measurement target particle. The direction of the micromirror is controlled vertically upward, and only the laser light incident on the micromirror is returned to the prism 16a, totally reflected by the slope of the prism 16a, and directed to the focus lens 18a. On the other hand, the direction of the other minor mirrors is controlled so that the incident direction and the reflection direction of the laser beam are different from each other, so that the laser beam reflected by the prism 16a does not travel to the focus lens 18a. Thereby, for example, only laser light reflected by one minute mirror is generated as irradiation light and transmitted through the focus lens 18a.
The irradiation light is focused at a position in the gas phase in the chamber 24 determined according to the image plane distance of the focus lens 18a, and the measurement target particles in the plasma state existing at this position are excited to emit light. Luminescence does not always occur frequently, but occurs three to five along a predetermined stochastic process.

発光した光は、フォーカスレンズ18a、プリズム16aを経由して垂直下方に位置する微小ミラー16bに進む。その際、微小ミラー16bは、上述したように測定対象粒子の発光する光の反射方向とレーザ光の入射方向が一致する微小ミラーは1つ(微小ミラー17a)に制御されているので、この微小ミラーに入射した光はこの微小ミラーによりプリズム16aに向けて反射されプリズム16aを透過する。これ以外は、プリズム16aの斜面で全反射され、検出ユニット20の方向に進まない。
プリズム16aを透過した光は、偏光ビームスプリッタであるビームスプリッタ14でP偏光成分のみが選択されて、ビームスプリッタ14を透過して、検出ユニット20に進む。
The emitted light travels through the focus lens 18a and the prism 16a to the minute mirror 16b positioned vertically downward. At this time, since the minute mirror 16b is controlled to one minute mirror (the minute mirror 17a) whose reflection direction of the light emitted from the measurement target particle coincides with the incident direction of the laser light as described above, this minute mirror 16b is controlled. The light incident on the mirror is reflected by the micromirror toward the prism 16a and passes through the prism 16a. Other than this, the light is totally reflected on the slope of the prism 16a and does not travel toward the detection unit 20.
Only the P-polarized light component of the light transmitted through the prism 16 a is selected by the beam splitter 14 which is a polarization beam splitter, passes through the beam splitter 14, and proceeds to the detection unit 20.

なお、ビームスプリッタ14を偏光ビームスプリッタとするのは、測定対象粒子の発光する光は、照射光に対して極めて微弱であり、精度の高い光の検出が要求されるためである。すなわち、照射光として用いるレーザ光と測定対象粒子の発光する光の偏光成分を異ならせることにより、検出ユニット20での測定対象粒子の発光する光を感度良く検出し、かつ、S/N比の高い検出信号を得、高ダイナミックレンジでサンプリングするためである。   The reason why the beam splitter 14 is a polarization beam splitter is that the light emitted from the measurement target particle is extremely weak with respect to the irradiation light, and it is required to detect the light with high accuracy. That is, by making the polarization component of the laser light used as the irradiation light and the light emitted from the measurement target particle different, the light emitted from the measurement target particle in the detection unit 20 can be detected with high sensitivity, and the S / N ratio can be increased. This is because a high detection signal is obtained and sampling is performed with a high dynamic range.

このように、微小ミラー配列素子16bは、1つの微小ミラー(微小ミラー17a)が照射光を生成する点光源として機能するとともに、測定対象粒子の発光する光のうち、上記点光源として機能する微小ミラーに入射する光が測定対象の光として検出ユニット20に進むので、点光源として機能する微小ミラーの位置に測定する光が集まるといえる。すなわち、微小ミラー配列素子16bは、共焦点方式のシステムにおけるピンホールの機能を有する。   As described above, the micromirror array element 16b functions as a point light source in which one micromirror (micromirror 17a) generates irradiation light, and also functions as the point light source among the light emitted from the measurement target particles. Since the light incident on the mirror proceeds to the detection unit 20 as the light to be measured, it can be said that the light to be measured gathers at the position of the micromirror that functions as a point light source. That is, the micromirror array element 16b has a pinhole function in a confocal system.

検出ユニット20に進んだ、測定対象粒子の発光する光はレンズ20aで集光され、さらに、狭帯域フィルタ20bにより照射光の波長帯域と概略分離するようにフィルタリングされる。こうして、所定の波長帯域の光が光電子増倍管20cで受光されて検出信号が生成される。
光電子増倍管20cで生成された検出信号はアンプ20dで増幅され、カウンタボード20eでサンプリングされる。カウンタボード20eではサンプリングされた検出信号のレベルをチェックしながら設定された閾値を越えたとき、1つのフォトンを光電子増倍管20cが受光したものとする。そして、半導体レーザ光源12aの射出のタイミングに同期して測定される時間を用いて、検出されたフォトンの時間遅れがデータとして求められる。このデータは、コンピュータ20fに送られて蓄積される。
このような測定対象粒子の発光によるフォトンの検出は1回のレーザ光で確実に行えるとは必ずしも限らない。このため照射光を複数回断続的に照射して、フォトンの検出を行なうのが好ましい。
The light emitted from the measurement target particles that has traveled to the detection unit 20 is collected by the lens 20a, and further filtered by the narrow band filter 20b so as to be roughly separated from the wavelength band of the irradiation light. In this way, light of a predetermined wavelength band is received by the photomultiplier tube 20c, and a detection signal is generated.
The detection signal generated by the photomultiplier tube 20c is amplified by the amplifier 20d and sampled by the counter board 20e. In the counter board 20e, it is assumed that one photon is received by the photomultiplier 20c when a threshold value set while checking the level of the sampled detection signal is exceeded. The time delay of the detected photon is obtained as data using the time measured in synchronization with the emission timing of the semiconductor laser light source 12a. This data is sent to and stored in the computer 20f.
Such detection of photons by light emission of the measurement target particles cannot always be reliably performed with one laser beam. Therefore, it is preferable to detect the photons by intermittently irradiating the irradiation light a plurality of times.

なお、カウンタボード20eによるサンプリング周期は2ナノ秒以下である。このように高速サンプリングを行うのは、照射光と測定対象粒子の発光する光の光強度レベルに大きな強度差があることから、測定対象粒子の発光の応答遅れを利用して、時間軸上で照射光と効果的に分離するためである。また、このような高速サンプリングにより外乱光によるオフセット成分を小さく抑えることができ、S/N比の高い検出信号を得て、高ダイナミックレンジで高速に測定することができる。
このように、共焦点方式のシステム構成、偏光成分および狭帯域フィルタの利用により、測定対象粒子の発光する微弱な光を感度高く検出することができる。
The sampling period by the counter board 20e is 2 nanoseconds or less. The reason why high-speed sampling is performed in this way is that there is a large difference in intensity between the light intensity of the irradiated light and the light emitted from the measurement target particle. This is to effectively separate the irradiation light. In addition, the offset component due to disturbance light can be suppressed to a small value by such high-speed sampling, and a detection signal with a high S / N ratio can be obtained and measured at high speed with a high dynamic range.
As described above, the use of the confocal system configuration, the polarization component, and the narrow band filter can detect the weak light emitted from the measurement target particle with high sensitivity.

次に、微小ミラー配列素子16bの微小ミラー17の向きが制御部22から供給される制御信号に基づいて変わり、チャンバ24内の異なる位置に照射光を集束させる。こうして、異なる位置で測定対象粒子を励起してフォトンを検出し計数する。
このようにして、逐次微小ミラー17の向きを制御しながら、チャンバ24内の一平面上の測定対象粒子のフォトンを検出し、検出したフォトンの数を計数する。さらに、移動ステージ18上のフォーカスレンズ18aを光軸方向に移動して、チャンバ24内の別の平面上における測定対象粒子のフォトンを検出し、計数する。
Next, the direction of the micromirrors 17 of the micromirror array element 16 b is changed based on the control signal supplied from the controller 22, and the irradiation light is focused at different positions in the chamber 24. In this way, the particles to be measured are excited at different positions to detect and count photons.
In this manner, while controlling the direction of the micromirror 17 sequentially, the photons of the measurement target particles on one plane in the chamber 24 are detected, and the number of detected photons is counted. Further, the focus lens 18a on the moving stage 18 is moved in the optical axis direction, and photons of the measurement target particles on another plane in the chamber 24 are detected and counted.

こうして、チャンバ24内で発生するフォトンを計数することで、測定対象粒子の分布を3次元で測定することができる。照射光で励起された測定対象粒子は、所定の確率で基底状態に遷移する際に発光するので、フォトンの検出数を計数することで測定対象粒子の分布を測定することができる。
このように、微小ミラー配列素子16bおよびフォーカスレンズ18aを載置した移動ステージ18を用いることで、空間中の測定対象粒子の3次元分布を測定する小型の装置を構成することができる。
コンピュータ20fでは、計数されたフォトンの時間遅れのデータが蓄積され、例えば、所定の時間遅れの範囲内におけるフォトンの数がまとめられ、この結果を用いて測定対象粒子の分布がコンピュータ20fのモニタ上に表示される。
Thus, by counting the photons generated in the chamber 24, the distribution of the measurement target particles can be measured in three dimensions. Since the measurement target particles excited by the irradiation light emit light when transitioning to the ground state with a predetermined probability, the distribution of the measurement target particles can be measured by counting the number of detected photons.
As described above, by using the moving stage 18 on which the micromirror array element 16b and the focus lens 18a are mounted, a small apparatus for measuring the three-dimensional distribution of the measurement target particles in the space can be configured.
The computer 20f accumulates the time delay data of the counted photons, for example, summarizes the number of photons within a predetermined time delay range, and uses this result to determine the distribution of the measurement target particles on the monitor of the computer 20f. Is displayed.

なお、上記装置のビームスプリッタ20は、偏光ビームスプリッタであるが、本発明においては、偏光成分により反射率および透過率が変化しない通常のビームスプリッタを用いてもよい。この場合、偏光子12cも不要である。また、検出ユニット20は、狭帯域フィルタ20bおよび光電子倍増管20cを用いてフォトンを計数するものであるが、検出ユニット20はこれに限定されず、例えば、分光器を配置して発光スペクトルを得てもよい。   The beam splitter 20 of the above apparatus is a polarizing beam splitter. However, in the present invention, a normal beam splitter whose reflectance and transmittance do not change depending on the polarization component may be used. In this case, the polarizer 12c is also unnecessary. The detection unit 20 counts photons using the narrow band filter 20b and the photomultiplier tube 20c. However, the detection unit 20 is not limited to this. For example, a spectroscope is provided to obtain an emission spectrum. May be.

図4(a)は、測定対象粒子をアルコールランプの火炎中の活性化された分子とし、この火炎中の測定位置P,Q,Rを示す図である。
図4(b)〜(d)は、それぞれ火炎の状態、照射光の戻り光の状態および火炎に照射光を照射した状態において検出されるフォトンのカウント数を時系列に表したグラフである。図4(d)中の領域Rは、活性化された粒子が発光することにより検出されるフォトンの数が支配的となっている領域である。領域Rにおけるフォトンのカウント数を求めて空間における分布として表したのが図4(e)のグラフである。図4(e)からわかるように、フォトンのカウント数が測定位置によって変化しており、火炎中の活性化された分子の分布を知ることができる。
FIG. 4A is a diagram illustrating measurement positions P, Q, and R in the flame, where the particles to be measured are activated molecules in the flame of the alcohol lamp.
4 (b) to 4 (d) are graphs showing time series of photon counts detected in a flame state, a return light state of irradiation light, and a state in which irradiation light is irradiated on the flame, respectively. Region R in FIG. 4D is a region where the number of photons detected by the activated particles emitting light is dominant. The graph of FIG. 4E shows the photon count number in the region R and is expressed as a distribution in space. As can be seen from FIG. 4 (e), the photon count varies depending on the measurement position, and the distribution of activated molecules in the flame can be known.

以上、本発明の粒子分布測定装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
本発明では、プラズマ中の活性化された分子や原子等を含む粒子を測定対象とする他、NO等のガスを加熱して活性化された粒子を測定対象としてもよい。また、気相中の粒子の他、液相中や固相中の粒子を測定対象としてもよい。
The particle distribution measuring apparatus of the present invention has been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and changes may be made without departing from the gist of the present invention. It is.
In the present invention, particles including activated molecules or atoms in plasma are measured, and particles activated by heating a gas such as NO x may be measured. In addition to particles in a gas phase, particles in a liquid phase or a solid phase may be measured.

本発明の粒子分布測定装置の一例であるプラズマ分布測定装置の構成を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically the structure of the plasma distribution measuring apparatus which is an example of the particle | grain distribution measuring apparatus of this invention. プラズマ状態の粒子に照射する照射光の光強度分布と測定対象粒子の発光する光の光強度分布の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the light intensity distribution of the irradiation light irradiated to the particle | grains of a plasma state, and the light intensity distribution of the light emitted from the measurement object particle. 図1に示すプラズマ分布測定装置にて検出される、測定対象粒子の発光する微弱な光の光強度分布を示す図である。It is a figure which shows the light intensity distribution of the weak light which the measurement object particle | grains shown in FIG. (a)は本発明の粒子分布測定装置を用いて火炎中の粒子の分布を測定する際の測定位置を示す図であり、(b)〜(d)は、測定される検出されるフォトンのカウント数を示す時系列のグラフであり、(e)は、測定されたフォトンのカウント数の結果を示す図である。(A) is a figure which shows the measurement position at the time of measuring the distribution of the particle | grains in a flame using the particle | grain distribution measuring apparatus of this invention, (b)-(d) is the photon to be detected to be measured. It is a time-sequential graph which shows a count number, (e) is a figure which shows the result of the count number of the measured photon.

符号の説明Explanation of symbols

10 プラズマ分布測定装置
12 レーザ光生成ユニット
12a 半導体レーザ光源
12b ビームエキスパンダ
12c 偏光子
14 ビームスプリッタ
16 照射光生成ユニット
16a プリズム
16b 微小ミラー配列素子
17,17a 微小ミラー
18 レンズユニット
18a フォーカスレンズ
18b 移動ステージ
18c 駆動モータ
20 検出ユニット
20a レンズ
20b 狭帯域フィルタ
20c 光電子増倍管
20d アンプ
20e カウンタボード
20f コンピュータ
22 制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Plasma distribution measuring device 12 Laser light generation unit 12a Semiconductor laser light source 12b Beam expander 12c Polarizer 14 Beam splitter 16 Irradiation light generation unit 16a Prism 16b Micro mirror arrangement element 17, 17a Micro mirror 18 Lens unit 18a Focus lens 18b Moving stage 18c Drive motor 20 Detection unit 20a Lens 20b Narrow band filter 20c Photomultiplier tube 20d Amplifier 20e Counter board 20f Computer 22 Controller

Claims (11)

測定対象粒子にレーザ光を照射することにより前記測定対象粒子の発光する光を検出して前記測定対象粒子の分布を測定する粒子分布測定装置であって、
レーザ光を出射するレーザ光生成ユニットと、
前記レーザ光を前記測定対象粒子への照射光として、前記測定対象粒子が分布する空間内の所定の位置に集束させるフォーカスレンズを備えるレンズユニットと、
前記照射光の照射を受けて前記測定対象粒子の発光する光を検出する検出ユニットと、
前記レーザ光生成ユニットから入射したレーザ光の少なくとも一部分を、前記照射光として前記フォーカスレンズの像面位置の点から出射させるとともに、前記測定対象粒子の発光する光のうち前記フォーカスレンズの焦点位置の点に集まる光を前記検出ユニットへ進ませる共焦点光学系形成手段と、を有することを特徴とする粒子分布測定装置。
A particle distribution measuring apparatus that detects light emitted from the measurement target particle by irradiating the measurement target particle with laser light and measures the distribution of the measurement target particle,
A laser light generation unit for emitting laser light;
A lens unit comprising a focus lens that focuses the laser light as irradiation light on the measurement target particles at a predetermined position in a space in which the measurement target particles are distributed;
A detection unit that receives the irradiation of the irradiation light and detects light emitted from the measurement target particles;
At least a part of the laser light incident from the laser light generation unit is emitted from the point of the image plane position of the focus lens as the irradiation light, and the focal position of the focus lens among the light emitted from the measurement target particle is emitted. A particle distribution measuring apparatus comprising: confocal optical system forming means for causing light collected at a point to travel to the detection unit.
前記共焦点光学系形成手段は、入射した光を反射する反射面を有し、この反射面上に前記像面位置があり、前記レーザ光生成ユニットから前記焦点に入射したレーザ光を反射して前記照射光として出射させ、前記測定対象粒子の発光する光のうち前記焦点に集まる光を反射して前記検出ユニットへ進ませる反射ミラーを有する請求項1に記載の粒子分布測定装置。   The confocal optical system forming means has a reflection surface that reflects incident light, the image plane position is on the reflection surface, and reflects the laser light incident on the focus from the laser light generation unit. The particle distribution measuring apparatus according to claim 1, further comprising: a reflection mirror that is emitted as the irradiation light and reflects light collected at the focal point out of light emitted from the measurement target particle and travels to the detection unit. 測定対象粒子にレーザ光を照射することにより前記測定対象粒子の発光する光を検出して前記測定対象粒子の分布を測定する粒子分布測定装置であって、
レーザ光を出射するレーザ光生成ユニットと、
前記レーザ光を前記測定対象粒子への照射光として、前記測定対象粒子が分布する空間内の所定の位置に集束させるフォーカスレンズを備えるレンズユニットと、
前記照射光の照射を受けて前記測定対象粒子の発光する光を検出する検出ユニットと、
前記測定対象粒子が分布する空間内で、前記照射光の集束位置を少なくとも一方向に走査するように前記照射光を制御する照射光制御手段と、を有し、
前記照射光制御手段により前記照射光の集束位置を走査することにより、前記空間内での前記測定対象粒子の分布を測定することを特徴とする粒子分布測定装置。
A particle distribution measuring apparatus that detects light emitted from the measurement target particle by irradiating the measurement target particle with laser light and measures the distribution of the measurement target particle,
A laser light generation unit for emitting laser light;
A lens unit comprising a focus lens that focuses the laser light as irradiation light on the measurement target particles at a predetermined position in a space in which the measurement target particles are distributed;
A detection unit that receives the irradiation of the irradiation light and detects light emitted from the measurement target particles;
Irradiation light control means for controlling the irradiation light so as to scan the focusing position of the irradiation light in at least one direction within the space in which the particles to be measured are distributed;
A particle distribution measuring apparatus that measures the distribution of the measurement target particles in the space by scanning the focusing position of the irradiation light by the irradiation light control means.
前記照射光制御手段は、前記レーザ光生成ユニットから入射したレーザ光の少なくとも一部分を、前記照射光として前記フォーカスレンズの像面位置の点から出射させるとともに、前記測定対象粒子の発光する光のうち前記フォーカスレンズの焦点位置の点に集まる光を前記検出ユニットへ進ませる共焦点光学系形成手段を有する請求項3に記載の粒子分布測定装置。   The irradiation light control unit emits at least a part of the laser light incident from the laser light generation unit as the irradiation light from a point of the image plane position of the focus lens, and among the light emitted from the measurement target particle The particle distribution measuring apparatus according to claim 3, further comprising confocal optical system forming means for advancing light collected at a focal point of the focus lens to the detection unit. 前記レーザ光生成ユニットは、レーザ光を射出するレーザ光源と、このレーザ光源から射出したレーザ光の光束を拡大するビームエキスパンダとを備え、
前記共焦点光学系形成手段は、入射した光を反射する反射面を有する反射ミラーであって、この反射ミラーは、前記ビームエキスパンダにより光束の拡大したレーザ光を反射する微小ミラーを平面上に複数配列し、これらの微小ミラーのそれぞれに入射するレーザ光の反射方向を変えるように微小ミラーの向きが制御可能に可動する微小ミラー配列素子であり、
この微小ミラー配列素子の各微小ミラーの向きを制御して、前記拡大したレーザ光の光束の一部分を光束とする照射光を生成することにより、前記測定対象粒子が分布する空間内を一方向にあるいは二方向に走査して、前記測定対象粒子に照射する請求項4に記載の粒子分布測定装置。
The laser light generation unit includes a laser light source that emits laser light, and a beam expander that expands the luminous flux of the laser light emitted from the laser light source,
The confocal optical system forming means is a reflecting mirror having a reflecting surface that reflects incident light, and the reflecting mirror has a minute mirror that reflects the laser beam expanded by the beam expander on a plane. It is a micromirror array element in which a plurality of micromirrors are arranged so that the direction of the micromirrors can be controlled so as to change the reflection direction of laser light incident on each of these micromirrors.
By controlling the direction of each micromirror of this micromirror array element and generating irradiation light that uses a part of the light flux of the enlarged laser light as a light flux, the space in which the particles to be measured are distributed in one direction. Or the particle distribution measuring apparatus of Claim 4 which scans to two directions and irradiates the said measuring object particle | grain.
前記レンズユニットは、レーザ光の光路の方向に沿って前記フォーカスレンズを移動させる移動ステージを備え、この移動ステージを移動させることによって、前記測定対象粒子が分布する空間内で前記照射光の集束する位置を変える請求項3〜5のいずれかに記載の粒子分布測定装置。   The lens unit includes a moving stage that moves the focus lens along the direction of the optical path of the laser light. By moving the moving stage, the irradiation light is focused in a space where the measurement target particles are distributed. The particle distribution measuring apparatus according to any one of claims 3 to 5, wherein the position is changed. 前記レーザ光生成ユニットと前記ミラー配列素子との間の光路中に、入射した光が所定の透過率および反射率で透過および反射する光学素子であって、前記レーザ光および前記測定対象粒子の発光する光が入射するビームスプリッタが設けられ、
前記レーザ光生成ユニットから出射した前記レーザ光は、前記ビームスプリッタ、前記ミラー配列素子および前記レンズユニットに向かって進み、前記測定対象粒子の発光する光は、前記レンズユニット、前記ミラー配列素子および前記ビームスプリッタに向かって前記レーザ光の進行方向と逆行して進み、
前記検出ユニットは、前記ビームスプリッタから出射した、前記測定対象粒子の発光する光を検出するように、前記レーザ光生成ユニットと異なる位置に配置されている請求項5に記載の粒子分布測定装置。
An optical element that transmits and reflects incident light at a predetermined transmittance and reflectance in an optical path between the laser light generation unit and the mirror array element, and emitting the laser light and the particles to be measured. A beam splitter on which light to enter is provided,
The laser light emitted from the laser light generation unit travels toward the beam splitter, the mirror array element, and the lens unit, and the light emitted from the measurement target particles is the lens unit, the mirror array element, and the Advancing in the direction opposite to the traveling direction of the laser beam toward the beam splitter,
The particle distribution measurement apparatus according to claim 5, wherein the detection unit is arranged at a position different from the laser light generation unit so as to detect light emitted from the beam splitter and emitted from the measurement target particle.
前記ビームスプリッタは、入射した光の第1の偏光成分および第2の偏光成分の一方の偏光成分を主に反射し、入射した光の他方の偏光成分を主に透過する偏光ビームスプリッタであって、
前記レーザ光生成ユニットと前記偏光ビームスプリッタとの間の光路中にレーザ光の一方の偏光成分を透過する偏光子が設けられ、レーザ光の偏光成分が前記偏光ビームスプリッタに入射する請求項7に記載の粒子分布測定装置。
The beam splitter is a polarization beam splitter that mainly reflects one of the first polarization component and the second polarization component of incident light and mainly transmits the other polarization component of incident light. ,
The polarizer which permeate | transmits one polarization component of a laser beam is provided in the optical path between the said laser beam production | generation unit and the said polarization beam splitter, The polarization component of a laser beam injects into the said polarization beam splitter. The particle distribution measuring apparatus described.
前記測定対象粒子は、気相中のプラズマ中の活性化された粒子である請求項1〜8のいずれか1項に記載の粒子分布測定装置。   The particle distribution measuring apparatus according to claim 1, wherein the measurement target particles are activated particles in plasma in a gas phase. 前記測定対象粒子は、チャンバ内に閉じ込められた気相中のプラズマ中の活性化された粒子であり、
前記チャンバの壁面に設けられた窓から前記照射光を前記真空チャンバ内の気相中に照射する請求項1〜9のいずれか1項に記載の粒子分布測定装置。
The particles to be measured are activated particles in a gas phase plasma confined in a chamber;
The particle distribution measuring apparatus according to any one of claims 1 to 9, wherein the irradiation light is irradiated into a gas phase in the vacuum chamber from a window provided on a wall surface of the chamber.
前記レーザ光生成ユニットから出射するレーザ光は出射時間が5ナノ秒以下のパルスレーザ光であり、
前記検出ユニットは、前記測定対象粒子の発光する光の検出信号を計数するためにサンプリングし、
前記レンズユニットの前記フォーカスレンズは、前記サンプリングにおけるサンプリング周期と光速との積を2で割った値と同等あるいはそれより長い像面距離を前記測定対象粒子側に有する請求項1〜10のいずれか1項に記載の粒子分布測定装置。
The laser beam emitted from the laser beam generation unit is a pulsed laser beam having an emission time of 5 nanoseconds or less,
The detection unit samples in order to count a detection signal of light emitted from the measurement target particle,
The focus lens of the lens unit has an image plane distance on the measurement target particle side that is equal to or longer than a value obtained by dividing the product of the sampling period and the speed of light in the sampling by two. 2. The particle distribution measuring apparatus according to item 1.
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