JP2013160514A - 粒子径計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 全粒子個数に対する各粒子径区分の粒子個数割合を円グラフで表示する粒子径計測装置を提供する。
【解決手段】 Ｎ個の光検出素子からのＮ個のアナログ信号をＮ個のデジタル信号に変換させた後、Ｎ個のデジタル信号を出力する変換ハードウェア１５と、変換ハードウェア１５からのＮ個のデジタル信号に基づいて、被測定粒子が測定空間を通過したと認識する粒子個数計測部４２と、Ｎ個の光検出素子の内から選択されたＸ個の光検出素子からのＸ個のアナログ信号を出力する出力ファームウェア１６と、出力ファームウェア１６からのＸ個のアナログ信号に基づいて、測定空間を通過した被測定粒子の粒子径区分を分類して出力する粒子径計測部４３と、各粒子径区分の粒子個数を表示器５０に表示する表示制御部５４とを備える粒子径計測装置１であって、表示制御部５４は、全粒子個数に対する各粒子径区分の粒子個数の割合を円グラフで表示する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学的手法（例えば、レーザ回折・散乱式等）を用いて、被測定粒子群が分散している被測定物について各粒子径区分における粒子個数を計測する粒子径計測装置に関する。特に、半導体製造工程において発生する微細な被測定粒子群について各粒子径区分における粒子個数をリアルタイムで計測する粒子径計測装置に関する。

液体中に被測定粒子群が分散してなる懸濁液（或いは、気体中に被測定粒子群が分散してなるエアロゾル）は、食品や医薬品や化学工業やセラミックス等の種々の分野において取り扱われており、その懸濁液中の被測定粒子群の粒度分布（各粒子径区分における粒子個数）は、プロセスの効率化や製品の品質管理等において重要な項目とされている。

液体中の被測定粒子群の粒度分布の測定方法については、種々の方式のものが知られているが、そのうち、レーザ回折・散乱法と称される方式のものは、所要測定時間が他の方式に比して極端に短くてよい等の多くの利点を有しており、特にプロセスでのオンライン測定等において多用されている。レーザ回折・散乱式の粒子径計測装置においては、測定空間に存在する媒体（例えば、水や空気等）中に分散状態の被測定粒子群にレーザ光（測定光）を照射することにより、被測定粒子群で回折・散乱されたレーザ光の空間的な光強度分布を複数個の光検出素子で検出して、その光強度分布からフラウンホーファ回折理論やミーの散乱理論に基づく演算を行うことによって、被測定粒子群の粒度分布を算出している（例えば、特許文献１参照）。よって、測定空間を真空装置の排気ラインに接続することにより、排気ラインを通過する被測定粒子群について被測定粒子群の粒度分布を算出することができる。

また、図４は、各粒子径区分における粒子個数を表示させることができる粒子径計測装置の概略構成の一例を示す図であり、図５は、図４に示す装置の光学系の構成を表す模式図である。
粒子径計測装置１０１は、測定空間を配置するための測定空間配置部１３と、測定空間に対してレーザ光を照射する照射光学系１２と、光強度分布を検出する検出光学系１４と、アナログ信号をデジタル信号に変換させる変換ハードウェア１５と、アナログ信号を出力する出力ファームウェア１６と、制御ユニット１７と、制御ユニット１７とシリアルクロスケーブル５１を介して接続されたモニタＰＣ（表示器）１５０とを備える。

ここでは、被測定粒子群を真空中に分散させたエアロゾルを測定することにより、エアロゾルについて下記（Ａ）〜（Ｇ）の７段階の粒子径区分における粒子個数を表示するものとする。（Ａ）Ｒ_１ｎｍ未満、（Ｂ）Ｒ_１ｎｍ以上Ｒ_２ｎｍ未満、（Ｃ）Ｒ_２ｎｍ以上Ｒ_３ｎｍ未満、（Ｄ）Ｒ_３ｎｍ以上Ｒ_４ｎｍ未満、（Ｅ）Ｒ_４ｎｍ以上Ｒ_５ｎｍ未満、（Ｆ）Ｒ_５ｎｍ以上Ｒ_６ｎｍ未満、（Ｇ）Ｒ_６ｎｍ以上。

測定空間配置部１３は、下端部に下側接続口１３ａを上端部に上側接続口１３ｂを有する。そして、上側接続口１３ｂは真空装置の排気ライン（図示せず）と接続されている。このような構成において、エアロゾルが、上側接続口１３ｂから測定空間に流入し、そして、測定空間を上方から下方へ通過し、その後、下側接続口１３ａから流出するようになっている。

粒子径計測装置１０１の左側部には、照射光学系１２が設置され、具体的にはレーザ光源１２ａと集光レンズ１２ｂとが左からこの順に配置されている。このような照射光学系１２の構成において、レーザ光源１２ａで発生されたレーザ光は、集光レンズ１２ｂを通過して平行光とされ、左から右へ向かうように測定空間へ照射される。これにより、測定空間をエアロゾルが通過していれば、レーザ光は測定空間の被測定粒子群で回折・散乱して、空間的に回折・散乱光の光強度分布パターンが生ずることになる。

粒子径計測装置１０１の前部には、検出光学系１４が設置され、具体的には集光レンズ１４ａとアレイ型受光器（光電子増倍管）１４ｂとが奥からこの順に配置されている。アレイ型受光器１４ｂは、Ｎ個の光検出素子を左から右へ一直線状に順番に素子番号が並ぶように配置してあり、各光検出素子には、それぞれの位置に応じた回折・散乱角度を持つ光が入射するようにしてある。したがって、各光検出素子が検出するアナログ信号（ＰＭＴ生信号）は、各回折・散乱角度ごとの光の強度を表すことになる。

アレイ型受光器１４ｂのＮｃｈの光検出素子からのＮｃｈのアナログ信号（ＰＭＴ生信号）は、ＰＭＴＩ／Ｆケーブル４６を介して変換ハードウェア１５によって所定の電圧第一閾値Ｖ_１を境界としてＨ／Ｌのデジタル信号にデジタル化され、Ｎｃｈのデジタル信号が制御ユニット１７に送信される。図６は、アナログ信号（ＰＭＴ生信号）を変換ハードウェア１５によって所定の電圧第一閾値Ｖ_１を境界としてＨ／Ｌのデジタル信号にデジタル化することを説明するための図である。なお、縦軸は電圧値であり横軸は時間である。また、「電圧第一閾値Ｖ_１」とは、設計者等によって予め決められた任意の数値である。

また、アレイ型受光器１４ｂのＮｃｈの光検出素子の内から選択されたＸｃｈ（＜Ｎｃｈ）の光検出素子からのＸｃｈのアナログ信号（ＰＭＴ生信号）は、ＰＭＴＩ／Ｆケーブル４６を介して出力ファームウェア１６によって制御ユニット１７に送信される。

制御ユニット１７はＣＰＵ４０を備える。ＣＰＵ４０が処理する機能をブロック化して説明すると、レーザ光源１２ａをＬＤＩ／Ｆケーブル４５を介して制御する光源制御部４１と、デジタル信号に基づいて被測定粒子が測定空間を通過したと認識する粒子個数計測部４２と、アナログ信号に基づいて測定空間を通過した被測定粒子の粒子径区分を分類して出力する粒子径計測部４３とを有する。

粒子個数計測部４２は、変換ハードウェア１５からのＮｃｈのデジタル信号に基づいて、被測定粒子が測定空間を通過したと認識して、その粒子個数を計測する制御を行う。具体的には、変換ハードウェア１５によって所定の電圧第一閾値Ｖ_１を境界として変換されたＨ／Ｌのデジタル信号を取得する。そして、Ｈのデジタル信号を１個の粒子が通過したと判定する一方、Ｌのデジタル信号を粒子が通過していないと判定する。このような判定を、各Ｎｃｈでそれぞれ実行する。

粒子径計測部４３は、出力ファームウェア１６からのＸｃｈのアナログ信号（ＰＭＴ生信号）に基づいて、測定空間を通過した被測定粒子の粒子径区分を分類して出力する制御を行う。図７は、アナログ信号（ＰＭＴ生信号）からの粒子径の算出方法を説明するための図である。なお、縦軸は電圧値であり横軸は時間である。また、「電圧第二閾値Ｖ_２」とは、設計者等によって予め決められた任意の数値である。
具体的には、出力ファームウェア１６からのアナログ信号を取得し、所定の電圧第二閾値Ｖ_２を超えた時間から所定の時間Δｔが経過するまでの間に得られた最大電圧値Ｖ_ｍａｘを取得する。そして、最大電圧値Ｖ_ｍａｘから（Ａ）〜（Ｇ）の７段階の粒子径区分の内のいずれの粒子径区分に該当するかを判定するとともに、その粒子径区分における粒子個数を１個増加させる。このような計測を、各Ｘｃｈでそれぞれ実行する。

モニタＰＣ（表示器）１５０は、ＣＰＵ１５３とメモリ５２と入力装置５５とモニタ５６とを備える。ＣＰＵ１５３は、各粒子径区分における粒子個数をモニタ５６に表示させる表示制御部１５４を有する。このような表示制御部１５４は、モニタＰＣ１５０にソフトウェアとしてインストールされている。

表示制御部１５４は、粒子径計測部４３から出力されメモリ５２に記憶された測定結果データに基づいて、（Ａ）〜（Ｇ）の７段階の粒子径区分における粒子個数をモニタ５６に表示させる制御を行う。図８は、モニタ５６に表示された画像の一例を示す図である。下段には、（Ａ）〜（Ｇ）の７段階の粒子径区分における粒子個数が示され、左側領域に（Ａ）〜（Ｇ）の粒子径区分、右側領域に粒子個数（パーティクル個数）であるリストボックス（表）として表示されている。上段には、（Ａ）〜（Ｇ）の７段階の粒子径気分における粒子個数が、縦軸は粒子個数（パーティクル個数）、横軸は粒子径区分である棒グラフとして表示されている。

特開２０００−０４６７１９号公報

ところで、上述したような粒子径計測装置１０１では、Ｘｃｈのアナログ信号に基づいて計測する粒子径計測部４３と、Ｎｃｈのデジタル信号に基づいて計測する粒子個数計測部４２とを有する。図９は、粒子個数計測部４２で計測された粒子個数も併せて表示させた画像の一例を示す図である。右側領域には、粒子個数計測部４２によって計測された粒子個数が、縦軸は粒子個数、横軸は粒子径区分である棒グラフとして表示されている。
しかしながら、図９に示すように、粒子個数計測部４２によって計測された粒子個数と、粒子径計測部４３によって計測された粒子個数とは一致していない。

そこで、本出願人らは、各粒子径区分における粒子個数を表示させる表示方法について検討した。粒子個数計測部４２によって計測された粒子個数と、粒子径計測部４３によって計測された粒子個数とが一致しない原因は、使用しているｃｈ数（ＸｃｈとＮｃｈ）や、サンプリング周期や、電圧閾値（電圧第一閾値Ｖ_１と電圧第二閾値Ｖ_２）が異なるためである。よって、棒グラフでなく、全粒子個数に対する各粒子径区分における粒子個数の割合を円グラフで表示させることを見出した。

すなわち、本発明の粒子径計測装置は、被測定粒子群を含む被測定物を通過させる測定空間に測定光を出射する光源と、前記光源からの測定光を前記被測定物に照射することにより発生する光強度分布をＮ個の光検出素子で検出する検出器と、Ｎ個の光検出素子からのＮ個のアナログ信号をＮ個のデジタル信号に変換させた後、Ｎ個のデジタル信号を出力する変換ハードウェアと、前記変換ハードウェアからのＮ個のデジタル信号に基づいて、前記被測定粒子が測定空間を通過したと認識する粒子個数計測部と、Ｎ個の光検出素子の内から選択されたＸ個の光検出素子からのＸ個のアナログ信号を出力する出力ファームウェアと、前記出力ファームウェアからのＸ個のアナログ信号に基づいて、前記測定空間を通過した被測定粒子の粒子径区分を分類して出力する粒子径計測部と、各粒子径区分における粒子個数を表示器に表示させる表示制御部とを備える粒子径計測装置であって、前記表示制御部は、全粒子個数に対する各粒子径区分における粒子個数の割合を円グラフで表示させることが可能となっているようにしている。

ここで、「測定光」としては、レーザ光が好ましいが、これに限らず、ＬＥＤによる光や分光器で分光された光、干渉フィルタやバンドパスフィルタ等で波長範囲が制限された光を用いてもよい。
また、「光強度」とは、光検出素子で検出される数値そのものではなくてもよく、被測定物を測定する前に既に検出されている初期余剰光の光強度が存在する場合もあるので、光検出素子で検出される数値と初期余剰光の数値との差分であることが好ましい。

以上のように、本発明の粒子径計測装置によれば、全粒子個数に対する各粒子径区分における粒子個数の割合を円グラフで表示させるため、粒子個数計測部によって計測された粒子個数と、粒子径計測部によって計測された粒子個数とは一致していなくても問題がなく、さらに見やすくなる。

（その他の課題を解決するための手段および効果）
また、本発明の粒子径計測装置においては、前記表示制御部は、各粒子径区間における粒子個数を棒グラフで表示させることが可能となっており、円グラフか棒グラフかのいずれで表示させるかを切り替えるようにしてもよい。
さらに、本発明の粒子径計測装置においては、前記表示制御部は、所定の時間区間での円グラフと、開始時間から現時間までの円グラフとを表示させるようにしてもよい。

以上のように、本発明の粒子径計測装置によれば、開始時間から現時間までの円グラフだけでなく、所定の時間区間での円グラフも観察することができるため、各粒子径区分における粒子個数をリアルタイムで知ることができる。このとき、大粒子径の被測定粒子が多く流れると、開始時間から現時間までの円グラフでは比率が大粒子径側に傾くが、その後の細かな粒子径に関する分布をうかがい知ることができる。

本発明の粒子径計測装置の一実施形態を示す全体的な概略構成ブロック図。 モニタに表示された円グラフの画像の一例を示す図。 表示方法について説明するフローチャート。 各粒子径区分の粒子個数を表示する粒子径計測装置の一例の概略構成図。 図４に示す装置の光学系の構成を表す模式図。 アナログ信号を変換ハードウェアによりデジタル化する際の説明図。 アナログ信号から粒子径を算出する際の説明図。 モニタに表示された画像の一例を示す図。 粒子個数計測部で計測された粒子個数も並列表示した画像の一例を示す図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれる。

図１は、本発明の一実施形態である粒子径計測装置の全体構成を示す概略構成ブロック図である。なお、粒子径計測装置１０１と同様のものについては、同じ符号を付している。粒子径計測装置１は、測定空間を配置するための測定空間配置部１３と、測定空間に対してレーザ光を照射する照射光学系１２と、光強度分布を検出する検出光学系１４と、アナログ信号をデジタル信号に変換させる変換ハードウェア１５と、アナログ信号を出力する出力ファームウェア１６と、制御ユニット１７と、制御ユニット１７とシリアルクロスケーブル５１を介して接続されたモニタＰＣ（表示器）５０とを備える。

モニタＰＣ（表示器）５０は、ＣＰＵ５３とメモリ５２と入力装置５５とモニタ５６とを備える。ＣＰＵ５３は、各粒子径区分における粒子個数をモニタ５６に表示させる表示制御部５４を有する。このような表示制御部５４は、モニタＰＣ５０にソフトウェアとしてインストールされている。

表示制御部５４は、粒子径計測部４３から出力されメモリ５２に記憶された測定結果データに基づいて、（Ａ）〜（Ｇ）の７段階の粒子径区分における粒子個数をモニタ５６に表示させる制御を行う。また、表示制御部５４は、入力装置５５等からの入力信号に基づいて、（Ａ）〜（Ｇ）の７段階の粒子径区分における粒子個数を、棒グラフと円グラフのいずれで表示させるかを切り替えることができるようになっている。図２は、モニタに表示された円グラフの画像の一例を示す図である。下段には、（Ａ）〜（Ｇ）の７段階の粒子径区分における粒子個数が示され、左側領域に（Ａ）〜（Ｇ）の粒子径区分、右側領域に粒子個数（パーティクル個数）であるリストボックス（表）として表示されている。

上段の左側領域には、全粒子個数に対する（Ａ）〜（Ｇ）の７段階の粒子径区分における粒子個数の割合が、所定の時間区分（ｔ_Ｘ秒〜ｔ_Ｘ＋５秒）の瞬時値の円グラフとして表示されている。また、上段の右側領域には、全粒子個数に対する（Ａ）〜（Ｇ）の７段階の粒子径区分における粒子個数の割合が、開始時間ｔ_０から現時間ｔ_ｇまでの累積値の円グラフとして表示されている。なお、「所定の時間区分」での時間間隔は、設計者等によって任意の数値とすることができ、本実施形態では５秒間としている。

ここで、所定の時間区分（ｔ_Ｘ秒〜ｔ_Ｘ＋５秒）の瞬時値の円グラフと、開始時間ｔ_０から現時間ｔ_ｇまでの累積値の円グラフとを表示制御部５４が表示する表示方法の一例について説明する。図３は、表示方法について説明するフローチャートである。
まず、ステップＳ１０１の処理において、n_sec_cnt=1、n_diam_cnt[]=0、n_diam_buf[]=0、n_diam_dt[]=0とする。なお、n_sec_cntは秒数カウンタであり、n_diam_cnt[]は制御機が持つ粒子径区分ごとのパーティクル累積値であり、n_diam_buf[]は粒子径区分ごとのパーティクル数（累積値用）であり、n_diam_dt[]は粒子径区分ごとのパーティクル数（瞬時値用）である。

次に、ステップＳ１０２の処理において、粒子径計測部４３から、例えば１秒間（現時間ｔ_ｇ−１秒〜現時間ｔ_ｇ秒）の各粒子径区分における粒子個数のデータを取得する。
次に、ステップＳ１０３の処理において、n_diam_cnt[]を更新する。つまり、開始時間ｔ_０から現時間ｔ_ｇ−１秒までの各粒子径区分における粒子個数を、開始時間ｔ_０から現時間ｔ_ｇまでの各粒子径区分における粒子個数に更新する。
次に、ステップＳ１０４の処理において、開始時間ｔ_０から現時間ｔ_ｇまでの累積値の円グラフを更新する。つまり、開始時間ｔ_０から現時間ｔ_ｇまでの累積値の円グラフを１秒間隔で更新して表示する。

また、ステップＳ１０２の処理を終了した後に、ステップＳ１０５の処理において、1=n_sec_cntであるか否かを判定する。1=n_sec_cntであると判定したときには、ステップＳ１０６の処理において、n_diam_buf[]=n_diam_cnt[]とする。つまり、現時間ｔ_ｇまでの各粒子径区分における粒子個数（後に現時間ｔ_ｇ−５秒までの各粒子径区分における粒子個数となる）をメモリ５２に記憶しておく。
次に、ステップＳ１０７の処理において、n_sec_cnt++とする。

一方、ステップＳ１０５の処理において、1=n_sec_cntでないと判定したときには、ステップＳ１０８の処理において、5=n_sec_cntであるか否かを判定する。5=n_sec_cntであると判定したときには、ステップＳ１０９の処理において、n_diam_dt[]=n_diam_cnt[]-n_diam_buf[]とする。つまり、現時間ｔ_ｇまでの各粒子径区間における粒子個数と、現時間ｔ_ｇ−５秒までの各粒子径区分における粒子個数との差分を算出することで、所定の時間区分（現時間ｔ_ｇ−５秒〜現時間ｔ_ｇ）の各粒子径区分における粒子個数を取得する。
次に、ステップＳ１１０の処理において、n_sec_cnt=1、n_diam_buf[]=0とする。つまり、瞬時値処理について初期化する。

次に、ステップＳ１１１の処理において、所定の時間区分（現時間ｔ_ｇ−５秒〜現時間ｔ_ｇ）の瞬時値の円グラフを更新する。つまり、所定の時間区分（現時間ｔ_ｇ−５秒〜現時間ｔ_ｇ）の瞬時値の円グラフを５秒間隔で更新して表示する。
一方、ステップＳ１０８の処理において、5=n_sec_cntでないと判定したときには、ステップＳ１１２の処理において、n_sec_cnt++とするとともに、ステップＳ１０４、Ｓ１０７、Ｓ１１１の処理が終了していると、ステップＳ１０２の処理に戻る。

以上のように、粒子径計測装置１によれば、全粒子個数に対する各粒子径区分における粒子個数の割合を円グラフで表示させるため、粒子個数計測部４２によって計測された粒子個数と、粒子径計測部４３によって計測された粒子個数とは一致していなくても問題がなく、さらに見やすくなる。また、開始時間ｔ_０から現時間ｔ_ｇまでの円グラフだけでなく、所定の時間区分（現時間ｔ_ｇ−５秒〜現時間ｔ_ｇ）の円グラフも観察することができるため、各粒子径区分における粒子個数をリアルタイムで知ることができる。

本発明は、光学的手法を用いて被測定粒子群が分散している被測定物について各粒子径区分における粒子個数を計測する粒子径計測装置等に使用することができる。

１ 粒子径計測装置
１２ａ レーザ光源
１４ｂ アレイ型受光器（検出器）
１５ 変換ハードウェア
１６ 出力ファームウェア
４２ 粒子個数計測部
４３ 粒子径計測部
５０ モニタＰＣ（表示器）
５４ 表示制御部

Claims (3)

1. 被測定粒子群を含む被測定物を通過させる測定空間に測定光を出射する光源と、
   前記光源からの測定光を前記被測定物に照射することにより発生する光強度分布をＮ個の光検出素子で検出する検出器と、
   Ｎ個の光検出素子からのＮ個のアナログ信号をＮ個のデジタル信号に変換させた後、Ｎ個のデジタル信号を出力する変換ハードウェアと、
   前記変換ハードウェアからのＮ個のデジタル信号に基づいて、前記被測定粒子が測定空間を通過したと認識する粒子個数計測部と、
   Ｎ個の光検出素子の内から選択されたＸ個の光検出素子からのＸ個のアナログ信号を出力する出力ファームウェアと、
   前記出力ファームウェアからのＸ個のアナログ信号に基づいて、前記測定空間を通過した被測定粒子の粒子径区分を分類して出力する粒子径計測部と、
   各粒子径区分における粒子個数を表示器に表示させる表示制御部とを備える粒子径計測装置であって、
   前記表示制御部は、全粒子個数に対する各粒子径区分における粒子個数の割合を円グラフで表示させることが可能となっていることを特徴とする粒子径計測装置。
2. 前記表示制御部は、各粒子径区間における粒子個数を棒グラフで表示させることが可能となっており、
   円グラフか棒グラフかのいずれで表示させるかを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の粒子径計測装置。
3. 前記表示制御部は、所定の時間区間での円グラフと、開始時間から現時間までの円グラフとを表示させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の粒子径計測装置。