JP2013015427A - 微粒子検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
真空装置内部の所望の箇所に設置してリアルタイムで浮遊する微粒子を検出することができ、しかも、安価で、高感度な微粒子計測を実現することのできる微粒子検出装置を提供する。
【解決手段】
微粒子に測定光６５を照射するための測定光照射光学系を、外部のレーザ光源に結合された第１の光ファイバ６２から出射されるレーザ光の波長を短い波長に変換する非線形光学結晶６３２と、非線形光学結晶６３２の入射側の面に形成された反射膜６３３と、非線形光学結晶６３２から出射される光の光線幅を拡大するビームエキスパンダ光学系６３４と、ビームエキスパンダ光学系６３４から出射される光を反射する高反射率ミラー６４１とから構成し、測定ユニット内に光学的共振器を組むと共に、この光学的共振器内で繰り返し反射を行う測定光の光軸と交わるように検出領域を設定するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体製造装置などの真空装置内部における微粒子の数量及び大きさ（粒径）を計測する微粒子検出装置に関する。

従来の微粒子検出装置は、気体等の被測定対象流体を装置内部に吸引して外部に排気するように通流させると共にレーザ光を照射し、このレーザ光の照射時に流体中に含まれる微粒子での散乱光を受光素子で捕捉して、受光素子から出力される電気信号を波高分析処理することにより微粒子の数量及び大きさを求めるようになっている。

ところで、半導体製造プロセスにおいては、半導体製品を製造する装置（薄膜形成装置、エッチング装置）内で発生する微粒子が歩留まりに大きく影響する。微粒子が多い環境下で半導体製品を製造すると、ウエハ上への微粒子の付着が発生しやすくなり、ウエハ上の配線パターンの欠陥などによる不良率の増加で歩留まりが低下してしまう。

したがって、半導体製造装置などの真空装置においては、その内部が極めて高い清浄度であることが必要とされ、真空装置内部の発塵状況を把握することが歩留まり向上につながると言われている。例えば、真空装置内部に蓄積した微粒子を取り除くメンテナンスタイミングを微粒子の発生量から知るといった用途や、微粒子の発生源や発生条件を解明する用途などに、真空装置内部の発塵状況の把握が必要となる。

そこで、真空装置に用いるに好適な微粒子検出装置が考案されており、そのうちの１つとして、例えば、特許文献１に記載のもの（パーティクル検出システム）が知られている。図３は従来装置の概要を示す図であり、図３（Ａ）は従来装置の断面図、図３（B）は従来装置の斜視図である。

微粒子検出装置は、ビーム光Ｌをパイプ部材１内に照射するレーザ光源２、レンズと絞りからなるコリメータ光学系３、ビーム光Ｌを受け止めるビームストッパー４、ビーム照射時の微粒子からの散乱光を集光レンズを介して受光する光ファイバケーブル５、光ファイバケーブル５に接続されたフォトマルチプライヤー６、フォトマルチプライヤー用高圧電源６a、プリアンプ６ｂ、フォトマルチプライヤー６の出力信号を処理する信号処理装置７とで構成される。

この微粒子検出装置では、パイプ部材１の一方のフランジ１aを不図示の真空装置の排気ラインに接続すると共に、他方のフランジ１ｂを真空ポンプに接続するようにしている。これによって、真空装置内の微粒子がパイプ部材１の検出領域１ｃに導かれる。そして、ビーム光Lを照射された微粒子から散乱光が発せられ、点線で示す散乱光L’が光ファイバケーブル５を介してフォトマルチプライヤー６に入射すると、フォトマルチプライヤー６で電気信号に変換され、その電気信号が信号処理装置7で処理され、信号処理装置７の液晶パネル７ａには微粒子数のカウント値と粒径が表示される。

特開平５−２８８６６９号公報

上述のように従来の微粒子検出装置にあっては、真空装置の排気ラインに検出装置を配置することで真空装置内部の微粒子の検出を行っている。しかしながら、排気ラインにおける測定では、真空装置内部の総和的な微粒子数の測定は可能であるものの、真空装置内部の発塵箇所の特定や発塵のタイミングを明確にすることは困難である。歩留まり向上の観点から発塵源を特定し対策を講じるにしても、排気ラインの測定だけでは対処する事ができない。加えて、排気ラインに到達せずに真空処理装置内部に留まる微粒子もあると想定され、真空装置内部の発塵状況を正確に把握することもできない。

このような事情から、真空装置内部に検出装置を配置してリアルタイムで微粒子を測定することが望まれるようになっており、微粒子の検出に必要な光学系を真空装置内部に配置して微粒子を測定することも試みられている。しかしながら、真空装置の内部は、高真空かつ高温環境下であり、殆どの光源、受光素子には耐真空性および耐熱性がないため何らかの工夫が必要となる。

この点については、（１）真空装置の観察窓からレーザ光を照射したり、（２）光ファイバを介して真空装置内部にレーザ光を導く、といった対応が考えられる。
しかしながら、（１）の方法に関しては、実際の真空装置の観察窓が必ずしも都合の良い位置にはなく、ましてや都合の良い数があるわけでもないので、真空装置内部でミラーやプリズムを用いてレーザ光を曲げ、所望の位置までレーザ光を導くという形態にせざるを得ない場合が多く、光学部品の汚損に起因する光量減衰や光軸調整の煩雑さといった問題もあって実現が難しい。

また、（２）の方法に関しては、光ファイバを介すると光量が大幅に減衰するため、計測に必要な測定用のレーザ光の光量を確保するには高出力レーザ光源を用意する必要があり、高価な装置となってしまう。

本発明は上記の問題点に鑑みなされたもので、真空装置内部の所望の箇所に設置してリアルタイムで浮遊する微粒子を検出することができ、しかも、安価で、高感度な微粒子計測を実現することのできる微粒子検出装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、真空装置の外部に設置されたレーザ光源と、微粒子の通過する検出領域を有し、前記真空装置内部の測定対象箇所に設置された測定ユニットと、前記レーザ光源から出射されるレーザ光を第１の光ファイバを介して前記測定ユニットの内部へ導き、前記レーザ光を変調して微粒子検出用の測定光を照射する測定光照射光学系と、前記測定光の照射時に前記測定ユニットの検出領域を通過する微粒子から発せられる散乱光を受光し、第２の光ファイバを介して前記真空処理装置の外部に配置された受光素子へ導く散乱光受光光学系と、前記受光素子から出力される信号を演算処理して微粒子検出信号を出力する信号処理ユニットと、を備えた微粒子検出装置であって、
前記測定光照射光学系は、前記レーザ光の波長を短い波長に変換する非線形光学結晶と、前記非線形光学結晶の入射側の面に形成され、波長変換された光のみを反射する反射膜と、前記非線形光学結晶から出射される光の光線幅を拡大するビームエキスパンダ光学系と、前記ビームエキスパンダ光学系の光軸上に前記非線形光学結晶と対向するように配置され、前記ビームエキスパンダ光学系から出射される光を反射する反射ミラーと、を含み、
前記反射膜および前記反射ミラーが前記非線形光学結晶と協働して前記測定ユニット内に光学的共振器を構成すると共に、この光学的共振器内で繰り返し反射を行う前記測定光の光軸と交わるように前記検出領域を設定した、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の微粒子検出装置において、前記非線形結晶は前記レーザ光を第二高調波に変換することを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の微粒子検出装置において、前記非線形光学結晶として、ＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）、または、ＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）を用いたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３に記載の微粒子検出装置において、前記測定ユニットの筐体は金属材料製であり、その表面にはレイデント処理が施されていることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光源、受光素子、および信号処理ユニットなどの構成要素を真空装置の外部に設置する一方、真空装置内部の所望の測定対象箇所に測定ユニットを配置し、測定光照射光学系の第１の光ファイバを介してレーザ光を測定ユニットへ導くと共に、微粒子から発せられる散乱光を散乱光受光光学系の第２の光ファイバを介して外部の受光素子へ導く構成としているので、微粒子検出装置に耐真空性および耐熱性を持たせることが出来る。

また、レーザ光をより短い波長に変換して測定光として照射するようにしているので微粒子から発せられる散乱光の光量を多くすることができ、さらに、測定ユニット内に光学的共振器を組み、この光学的共振器内で反射を繰り返す測定光の光軸と交わるように検出領域を設定しているので、検出領域に照射される測定光の光量（光パワー密度）は非常に高いものとなり、光ファイバによる伝送損失を十分に補うことができることと相俟って、高感度で微粒子の検出を行うことが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る微粒子検出装置の構成を示す図である。 測定光照射光学系の主要部分の詳細を説明するための図である。 図３（Ａ）は従来の微粒子検出装置の構成を示す断面図、図３（Ｂ）は従来の微粒子検出装置の概要を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１に示す微粒子検出装置１００は、半導体製造装置、液晶をはじめとするフラットディスプレイ製造装置など、その内部が１．３３×１０^−３Ｐａ（10^-5Torr）といった高真空状態になる真空処理装置１０を対象に、装置内部で発生する粉塵の量を管理するものである。

微粒子検出装置１００は、微粒子に測定光を照射したときに微粒子から発せられる散乱光に基づいて数量および大きさを測定する光散乱検出方式を採用している。
図１に示すように、レーザ光源４０とその駆動回路４１、受光信号（光信号）を電気信号に変換して出力する受光素子７４、信号処理ユニット（電気回路）５０などの構成要素は、耐真空性及び耐熱性の問題から、真空装置１０の外部に設置された本体筐体３０内に収容されている。

真空装置１０内部の所望の場所（測定対象箇所）には測定ユニット２０が設置されている。この測定ユニット２０は、方形状を呈する筐体２１の両側壁に貫通穴を有し、紙面と垂直な方向に微粒子８０の通過する検出領域２２が形成されている。

測定光照射光学系６０は、レーザ光源４０に結合された第１のホルダ６１と第１の光ファイバ６２と測定ユニット２０に設けられた照射部６３とからなり、レーザ光源４０から出射されたレーザ光を第１の光ファイバ６２を介して真空装置１０内部の測定ユニット２０へ導光する。第１のホルダ６１は、レーザ光を集光する集光レンズを収容すると共に、この集光レンズと対向するように第１の光ファイバ６２の入射端側を保持している。なお、検出領域２２に向けて測定光６５を照射する照射部６３の詳細については後述する。

また、散乱光受光光学系７０は、光検出素子７４に結合された第２のホルダ７３と第２の光ファイバ７２と測定ユニット２０に設けられた受光部７１とからなり、微粒子８０から発せられる散乱光８１を捉え、第２の光ファイバ７２を介して受光素子７４へ導光する。

受光部７１は、散乱光８１を集光する集光レンズを収容すると共に、この集光レンズと対向するように第２の光ファイバ７２の入射端側を保持している。そして、第２のホルダ７３は、結合効率を高めるための集光レンズを収容すると共に、この集光レンズと対向するように第２の光ファイバ７２の出射端側を保持している。

ここで、真空装置１０が稼動して真空状態になると、プロセスガスの流れや重力により装置内部で微粒子（パーティクル）が浮遊または降下する。この微粒子８０の一部が測定ユニット２０の検出領域２２に到達した場合、照射部６３から照射された測定光６５によって微粒子８０から散乱光８１が発せられる。この散乱光８１は受光部７１で集光され、第２の光ファイバ７２を介して外部の受光素子７４へと導かれる。受光素子７４は、散乱光８１の受光量に応じた電気信号を信号処理ユニット５０へ出力する。信号処理ユニット５０は、この電気信号を増幅した後、演算処理（波高分析）を行って微粒子の数量と大きさを求め、測定結果を出力する。

このように、外部に設置したレーザ光源４０からの出射光を第１の光ファイバ６２を介して真空装置１０内部の測定ユニット２０へ導く構成とすれば、測定ユニット２０を比較的自由な位置に設置できるという利点がある。しかしながら、レーザ光源４０と測定光照射光学系６０との間、及び受光素子７４と散乱光受光光学系７０との間の結合効率は良くても５０％程度であり、光ファイバによる伝送損失は大きい。粒子の検出感度は、微粒子８０に照射される光量に大きく依存するため、測定ユニット２０の検出領域２２に到達する光量が小さいと微粒子の高感度検出が困難になってしまう。

そこで、本実施形態に係る微粒子検出装置１００では、光ファイバを用いることの利便性を確保しつつ、測定光照射光学系６０の照射部６３の構成に工夫を凝らすことで、高感度な微粒子検出を可能にしている。以下、図２に基づいて照射部６３の構成を詳細に説明する。

測定ユニット２０の一方の側壁に取り付けられた照射部６３の筐体６３５内には、集光レンズ６３１、非線形光学結晶６３２、及びビームエキスパンダ６３４などの光学部品が配置されている。また、測定ユニット２０の他方の側壁には、反射ミラー用のホルダ６４が取り付けられており、非線形光学結晶６３２と対向するように高反射率ミラー６４１が配置されている。

非線形光学結晶６３２は、例えば、「ＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）」や「ＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）」といった入射光の波長を変換することのできる素子である。また、この非線形光学結晶６３２の光源からの光が入射する面側には、波長変換後の光だけを反射する波長選択性を有する反射膜６３３が蒸着されている。

第１の光ファイバ６２の端面から出射されたレーザ光は、集光レンズ６３１を介して非線形光学結晶６３２に照射され、非線形光学結晶６３２で所定の波長に波長変換された後、ビームエキスパンダ６３４でビーム幅を拡大されて測定光６５となる。そして、この測定光６５は、非線形光学結晶６３２と対向する位置に配置された高反射率ミラー６４１で反射され、再度ビームエキスパンダ６３４に戻り、さらには非線形光学結晶６３２に到達する。非線形光学結晶６３２には反射膜６３３が設けられているので、ここで再度、測定光６５は反射し、高反射率ミラー６４１に向かうことになる。

本実施形態における反射膜６３３および高反射率ミラー６４１は、非常に高い光反射率（好ましくは、99.9％以上の光反射率）を有しており、そのため反射膜６３３及び高反射率ミラー６４１が非線形光学結晶６３２と協働して光学的共振器を構成する。従い、この光学的共振器内で繰り返し反射をする測定光６５は、非常に高い光パワー密度をもつものとなる。

この測定光６５の光量（光パワー密度）は、高反射率ミラー６４１と反射膜６３３の反射率に大きく依存するが、数１０Ｗ以上の高出力を実現することができる。この光パワー密度であれば、微粒子８０の高感度検出（例えば0.1μmの検出）が可能となり、前述の各光ファイバによる伝送損失を十分に補うことができる。
なお、微粒子８０から発せられる散乱光８１に関しては、微粒子８０に照射する光の波長が短い方がより散乱光量が多くなることが知られている。つまり、同じ光量であっても短波長の測定光６５を照射する方が、より高感度に微粒子８０を検出できる。

そこで、本実施形態に係る微粒子検出装置においては、非線形光学結晶６３２を用いた波長変換部により、第１の光ファイバ６２から出射されるレーザ光を第二高調波（光の周波数は2倍、波長は1/2）に変換している。すなわち、測定光６５の光パワーの増強だけでなく、波長も短くすることによっても微粒子８０の高感度検出を可能にするようにしている。具体的には、非線形光学結晶６３２としてニオブ酸リチウムなどの光学結晶を選定すればよい。

また、このような真空装置１０に適用される装置では、微粒子検出装置１００自体からのアウトガスおよび発塵のないことが極めて重要である。特に真空装置１０の内部に設置される測定ユニット２０からの発塵は、真空装置１０内部を汚染するだけに留まらず誤検出の原因になる。
そこで、本実施形態においては、金属材料からなる測定ユニット２０の筐体２１の表面に、耐真空性と耐熱性に優れた表面処理であって真空状態で発塵の少ないレイデント処理を施している。これにより、長期に渡って高い測定精度で微粒子の測定を行うことが可能になる。
なお、上述の実施形態の説明では、真空装置１０内に１つの測定ユニット２０を設置した例にもとづいて説明を行ったが、本発明はこれに限定されるものではなく、真空装置１０内の複数の箇所に測定ユニット２０を設け、レーザ光源４０から伝送されるレーザ光を分岐させて各測定ユニット２０に導くようにして、複数個所で微粒子の検出を同時に行うようにしても良いことは勿論である。

１０：真空装置、 ２０：測定ユニット、 ２２：検出領域、 ４０：レーザ光源、
５０：信号処理ユニット、 ６０：測定光照射光学系、 ６２：第１の光ファイバ、
６５：測定光、 ７０：散乱光受光光学系、 ７２：第２の光ファイバ、
７４：受光素子、 ８０：微粒子、 ８１：散乱光、 １００：微粒子検出装置。

Claims (4)

1. 真空装置の外部に設置されたレーザ光源と、
   微粒子の通過する検出領域を有し、前記真空装置内部の測定対象箇所に設置された測定ユニットと、
   前記レーザ光源から出射されるレーザ光を第１の光ファイバを介して前記測定ユニットの内部へ導き、前記レーザ光を変調して微粒子検出用の測定光を照射する測定光照射光学系と、
   前記測定光の照射時に前記測定ユニットの検出領域を通過する微粒子から発せられる散乱光を受光し、第２の光ファイバを介して前記真空処理装置の外部に配置された受光素子へ導く散乱光受光光学系と、
   前記受光素子から出力される信号を演算処理して微粒子検出信号を出力する信号処理ユニットと、を備えた微粒子検出装置であって、
   前記測定光照射光学系は、前記レーザ光の波長を短い波長に変換する非線形光学結晶と、前記非線形光学結晶の入射側の面に形成され、波長変換された光のみを反射する反射膜と、前記非線形光学結晶から出射される光の光線幅を拡大するビームエキスパンダ光学系と、前記ビームエキスパンダ光学系の光軸上に前記非線形光学結晶と対向するように配置され、前記ビームエキスパンダ光学系から出射される光を反射する反射ミラーと、を含み、
   前記反射膜および前記反射ミラーが前記非線形光学結晶と協働して前記測定ユニット内に光学的共振器を構成すると共に、この光学的共振器内で繰り返し反射を行う前記測定光の光軸と交わるように前記検出領域を設定した、
   ことを特徴とする微粒子検出装置。
2. 請求項１に記載の微粒子検出装置において、前記非線形結晶は前記レーザ光を第二高調波に変換することを特徴とする微粒子検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の微粒子検出装置において、前記非線形光学結晶として、ＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）、または、ＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）を用いたことを特徴とする微粒子検出装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の微粒子検出装置において、前記測定ユニットの筐体は金属材料製であり、その表面にはレイデント処理が施されている、ことを特徴とする微粒子検出装置。