JP2529661B2

JP2529661B2 - 粒子検出装置

Info

Publication number: JP2529661B2
Application number: JP5228332A
Authority: JP
Inventors: 治三宮下
Original assignee: アネルバ株式会社
Priority date: 1993-08-20
Filing date: 1993-08-20
Publication date: 1996-08-28
Anticipated expiration: 2011-08-28
Also published as: US5467188A; JPH0755692A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は粒子検出装置に関し、特
に、半導体製造装置内で発生する塵等の微粒子を検出す
るための粒子検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在の半導体製造プロセスにおいては、
歩留りが製品の値段と信頼性を決定する。この歩留りは
半導体製品を製造する装置内に発生する塵粒子と深い関
係があり、半導体製造装置内で発生する塵粒子の数を極
力少なくすることが歩留りの向上につながる。つまり、
塵粒子が多い環境下で半導体製品を製造すると、ウェハ
上に塵粒子が付着する確率が上昇し、その結果、ウェハ
上の配線パターンに欠陥を引き起こすなど、製品の不良
率が増し、歩留りが減少する。現在のほとんどの半導体
製造装置は、製品を製造する過程で真空室内に塵粒子を
発生させ、それらは徐々に真空室内に蓄積される。そし
て、塵粒子の数が或る値以上になると製品の歩留りは或
る値を下回り、製品を販売しても利益を得ることができ
ない。従って、半導体製品を製造する際には半導体製造
装置内で発生する塵粒子の数を常に把握し、それが上記
の或る値（しきい値）に達した時点で半導体製造装置の
メンテナンスを行い、真空室内部に蓄積した塵粒子を除
く必要がある。

【０００３】塵等の微粒子を検出する一般的方法とし
て、従来、光散乱方式がしばしば用いられる。光散乱方
式とは、レーザ光線を塵粒子に照射したときに発生する
散乱光を受光素子で検出し、微粒子の数や大きさ等を計
測する方式である。

【０００４】半導体製造装置の内部の塵粒子発生状況を
計測する場合においても、光散乱方式が用いられる。半
導体製造装置における塵粒子の検出において光散乱方式
を採用した従来技術の例として、特開平２−５５９３７
号公報に開示される小型粒子束モニタがある。この文献
に開示される小型粒子束モニタでは、レーザダイオード
から出射されたレーザ光線を集光レンズによって塵粒子
検出区域で焦点を結ばせ、塵粒子がレーザ光線を横切る
ときにレーザ光を散乱させ、その散乱光をフォトダイオ
ードによって捕集することにより塵粒子の数と大きさを
計測するように構成される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】真空中の微粒子を検出
するための微粒子検出装置では、一般的に検出装置のす
べてを真空室内に設置して使用しなければならないた
め、次のようないくつかの問題が提起される。

【０００６】まず、プラズマエッチング装置のように腐
食性ガス雰囲気中で塵粒子の測定を行う場合、検出装置
内に設けられたレーザダイオードやレンズ、フォトダイ
オード等を劣化させ、検出装置の寿命を著しく短くする
点である。また、これらの光学部品等は非常に高価でか
つ精密な部品であるために、それらを修理するには多大
の経費と労力が必要である点である。さらに、プラズマ
ＣＶＤやスパッタ装置ではウェハ等を加熱しながら成膜
を行うため、真空室の内部は数百度の高温状態にあり、
この高温状態によって検出装置の部品が破損する点であ
る。

【０００７】前述の従来の小型粒子束モニタは、その明
細書に明示される通り、気体または液体中の自由な微粒
子を高い応答性で検出することを主目的としており、真
空中の微粒子を検出するための微粒子検出装置としては
本来不向きである。前述の検出装置をそのままで真空室
内に設置すると、検出装置自体がガス放出源となり、半
導体製品に悪影響を及ぼす可能性がある。しかし市販さ
れる実際の製品レベルでは、真空中でも使用できるよう
に工夫が施されている。また上記のような高温環境の中
で上記検出装置を用いると、レーザダイオードが破損し
てしまうため、プラズマＣＶＤやスパッタ装置の真空室
内部の塵粒子を計測することは困難である。

【０００８】半導体製造装置において最も多くの塵粒子
が発生する箇所は、真空室である成膜室またはエッチン
グ室である。従って、真空室における塵粒子の発生状況
を常に把握することは最も重視されなければならないの
であるが、従来の塵粒子検出装置によれば、前述のよう
に、真空室内における塵粒子の計測を行うことは可能で
あるが、エッチングのごとき反応性の強いガス雰囲気中
や、プラズマＣＶＤのような高温中で使用することは困
難であった。

【０００９】本発明の目的は、半導体製造装置等の真空
室で発生する粒子の数と大きさを検出し、真空室で使用
するガスの種類やプロセス温度の影響を受けることな
く、安定して粒子の計測を行うことができ、しかも半導
体製造装置への設置およびそのメインテナンスが容易な
粒子検出装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る粒子検出装
置は、特定の処理が行われる対象の真空室で発生する微
粒子の数と大きさを検出する粒子検出装置であり、真空
室を形成する壁部の外側に、その内部空間が真空室のみ
と通じた状態で、かつ当該真空室内の前記微粒子が飛来
できる程度の真空室に近付けた位置で取り付けられ、さ
らにレーザ光線透過用窓と散乱光取出し用窓とを有する
検出用真空室と、検出用真空室の外側の大気環境下に設
けられ、レーザ光線透過用窓を通して検出用真空室内に
レーザ光線を与えるレーザダイオードと、検出用真空室
内で発生した散乱光を散乱光取出し用窓を通して取り込
んで検出するフォトセンサとを含み、さらに単独ユニッ
トとして形成され、検出用真空室の外側からこの検出用
真空室に取り付けられ、検出用真空室に対して取付けお
よび取外しを自在に行える構造を有する粒子検出器とを
備える。

【００１１】上記構成を有する粒子検出装置では、小型
の検出用真空室は、処理用真空室に隣合う位置関係で、
この処理用真空室内の微粒子が飛来できる程度の処理用
真空室に近付けた状態で配置される。また検出用真空室
は、処理用真空室の内部空間のみに通じた部屋状の内部
空間を有するように形成される。このような位置関係お
よび構造を有するため、処理用真空室の内部で浮遊する
微粒子は、検出用真空室に飛来することが可能となる。
このような状態で検出用真空室に飛来する微粒子を、検
出用真空室に対して、取付けおよび取外し自在に設けた
粒子検出器で検出するように構成した。

【００１２】前記の構成において、好ましくは、検出用
真空室は、真空室に対して取付けおよび取外しを自在に
行える構造を有する。

【００１３】前記の構成において、好ましくは、粒子検
出器のユニットケースに開口部を形成し、検出用真空室
を開口部に嵌め込むことにより、粒子検出器ユニットを
検出用真空室に取り付ける。

【００１４】前記の構成において、好ましくは、フォト
センサは、レーザ光線の光軸に対して直角に近い角度で
発生した散乱光を検出する位置に配置される。

【００１５】前記の構成において、好ましくは、フォト
センサは、レーザ光線の光軸に対して１０°〜７０°の
範囲に含まれる角度で発生した散乱光を検出する位置に
配置されること特徴とする。

【００１６】前記の構成において、好ましくは、レーザ
光線透過用窓はレーザ光線導入用窓とレーザ光線導出用
窓からなり、レーザ光線導出用窓と前記散乱光取出し用
窓は兼用される。

【００１７】

【作用】本発明では、半導体製造装置等のウェハ処理が
行われる真空室の内部に浮遊する微粒子を当該真空室の
外部の大気側にて検出する粒子検出装置であって、測定
の対象となる真空室に対して小型の検出用真空室を付設
し、この小型真空室にレーザ光線導入用窓およびレーザ
光線導出用窓（これらはレーザ光線透過用窓である）、
微粒子によって散乱されたレーザ光線を検出用真空室外
に導出するための散乱光取出し用窓とを設け、真空室か
ら検出用真空室に飛来した微粒子がレーザ光線を横切っ
た際に生じる散乱光を散乱光取出し用窓を通して検出用
真空室外に取出し、散乱光をフォトセンサで検出するこ
とによって真空室中の微粒子を検出するものである。ま
た、フォトセンサの配置箇所としては、散乱光をもっと
も有効に検出できる箇所が選択される。

【００１８】

【実施例】以下に、本発明の好適な実施例を添付図面に
基づいて説明する。図１は本発明に係る粒子検出装置の
要部構造を示す断面図、図２は当該粒子検出装置の組付
け状態を説明するための外観斜視図である。

【００１９】本発明に係る粒子検出装置は、半導体製造
装置の真空室を形成する容器の外側に取り付けられた例
えば小型の検出用の真空室（以下、小型真空室という）
と、この小型真空室に取り付けられる粒子検出器ユニッ
トとで構成される。

【００２０】図２において４は小型真空室であり、小型
真空室４の下部は真空フランジ構造を有する。小型真空
室４は、そのフランジ４ａによって、図示しない半導体
製造装置の真空室の容器壁部の外側に取り付けられ、小
型真空室４の内部空間は開口部（図示せず）を介して半
導体製造装置の真空室と通じている。半導体製造装置の
真空室の容器壁部に対し前記小型真空室４を取り付ける
ことは、構造的に容易である。小型真空室４は、真空室
に対して自在に取付けおよび取外しを行うことができ
る。この取付けおよび取外しの構造は任意の構造を用い
ることができる。図２で、小型真空室４の下部の空間は
真空室である。小型真空室は、図２に示されるごとく、
例えば立方体形状を有し、対向する２つの側壁部のそれ
ぞれにレーザ光線導入用窓５（図１に示す）とレーザ光
線導出用窓６が形成され、かつ残りの対向する２つの側
壁部に散乱光導出用窓１０が形成されている。レーザ光
線導入用窓５とレーザ光線導出用窓６は、レーザ光線
を、小型真空室内に透過させるための窓である。

【００２１】図２において、矢印２１は真空室側から飛
来する微粒子（測定対象である塵等の粒子）の進行方向
を示し、矢印２２はレーザ光線の照射方向を示す。小型
真空室４の内部空間は上記開口部を介して真空室と通じ
ており、真空室と同じ減圧状態（真空状態）に保持され
る。上記の微粒子は上記開口部を通って小型真空室４の
内部空間に入ってくる。

【００２２】かかる形態を有する小型真空室４に対し
て、粒子検出器ユニット１４が取り付けられる。本実施
例の粒子検出器ユニット１４は、小型真空室４から分離
した独立の単独ユニットとして形成され、小型真空室４
に対して着脱自在な形態および構造を有する。しかし、
この構造に限定されることはなく、小型真空室４に組み
付ける構造であってもよい。粒子検出器ユニット１４の
外観を形成するケースは、所定箇所にほぼ正方形の開口
部１４ａを備える。この開口部１４ａは、図２に示すご
とく粒子検出器ユニット１４のケースの上面側から下面
側に通じる孔である。粒子検出器ユニット１４を小型真
空室４に取り付けるときには、図２での矢印２３に示さ
れるごとく、開口部１４ａが小型真空室４に嵌合するよ
うにして所定の位置に取り付ける。このような取付け状
態において、図示しない結合手段で粒子検出器ユニット
１４は小型真空室４に固定される。すなわち粒子検出器
ユニット１４は、小型真空室４の外側部分（大気側）に
付加的に設置される。

【００２３】次に図１を参照して、粒子検出器ユニット
１４の内部構造と小型真空室４の内部構造とを、微粒子
検出の作用と共に説明する。図１は、図２においてＡ方
向から見た状態にて粒子検出器ユニット１４および小型
真空室４の各内部構造を断面図で示したものである。図
１では粒子検出器ユニット１４の開口部１４ａに小型真
空室４が嵌合している状態を示し、粒子検出器ユニット
１４の内部構造と併せて関連する小型真空室４の内部構
造を説明する。

【００２４】粒子検出器ユニット１４において、１はレ
ーザダイオード（発光手段）であり、例えば光出力５０
ｍＷのソニー製半導体レーザＳＬＤ２０１−３を用いる
ことができる。このレーザダイオード１から発射された
レーザ光線２はコリメータレンズ３によって平行ビーム
またはスポット状ビームに補正される。またコリメータ
レンズ３の他にシリンドリカルレンズを追加することに
よってシート状ビームを形成するビームコントロールユ
ニットを作ることができる。このビームコントロールユ
ニットによって粒子の検出確率を向上させることができ
る。

【００２５】上記コリメータレンズ３を通過したレーザ
光線２は、小型真空室４に取り付けられた上記レーザ光
線導入用窓５から入射して小型真空室４の中を通過し、
再び上記レーザ光線導出用窓６を通って入射側とは反対
側の箇所に出る。粒子検出器ユニット１４の上記反対側
の箇所には光吸収器７が配置され、レーザ光線導出用窓
６から出たレーザ光線２は光吸収器７に入射する。光吸
収器７は不必要な光が外部に漏れて微粒子測定誤差の原
因となることを防ぐ目的で設けられ、入射した光を吸収
するためのものである。

【００２６】ここで、図２に示される矢印２１の方向に
基づき真空室から小型真空室４の中に微粒子が入ってき
たとする。８が当該微粒子であり、微粒子８がレーザ光
線２を横切る状態を示している。小型真空室４の内部を
レーザ光線２が通過する際に、微粒子８がレーザ光線２
を横切ると、散乱光９が発生する。散乱光９は、小型真
空室４の側面に設けられた上記散乱光導出用窓１０を通
って外部に出たものが、粒子検出ユニット１４に設けら
れた光学フィルタ１１を透過して、ユニット内部に設け
られた２つのフォトセンサ（受光手段）１２のそれぞれ
によって検出される。フォトセンサ１２は図１中上下の
位置で両側に設けられる。この実施例によるフォトセン
サ１２では、その受光面がレーザ光線２の進行方向（光
軸）とほぼ平行になっており、この受光面によって、発
生した上記散乱光のうちレーザ光線２の進行方向に対し
て直角または直角に近い角度の方向に発生したもの（散
乱光９）を検出するように構成されている。散乱光９を
検知した各フォトセンサ１２の出力信号に基づいて、微
粒子８が散乱させる光の頻度と強度から、半導体製造装
置の真空室の側から小型真空室４に飛来する微粒子の数
とその大きさを計測することが可能となる。なお、図１
および図２において、フォトセンサ１２の検出信号を処
理する処理回路の図示は省略されている。

【００２７】また、フォトセンサ１２の検出面の手前に
配置された光学フイルタ１１は、レーザ光線の散乱光以
外の波長の光がフォトセンサ１２に入射するのを防ぐた
めのものである。これによって微粒子検出装置を使用す
る環境下での様々な光が迷光としてフォトセンサに入射
し、微粒子の計測誤差の原因となることを防止してい
る。

【００２８】小型真空室４には、前述のごとくレーザ光
線導入用窓５、レーザ光線導出用窓６、散乱光導出用窓
１０が設けられているが、これらの窓には反射防止膜処
理が施されている。またこれらの窓５，６，１０に使用
される部材は、使用しているレーザ光線２の波長に対し
て高い透過率を有する材質であることが必要である。さ
らにこれらの窓５，６，１０は、気密性を保持するため
にＯリング１３によって真空シールされている。

【００２９】前述の通り小型真空室４の内部空間は真空
状態になっており、真空状態では空気摩擦がない上に微
粒子は数ミクロン以下と微小であるため、真空室内の微
粒子は高速で小型真空室４内に飛来する。そして、微粒
子８はレーザダイオード１から出射されるレーザ光線２
を横切って散乱光９を発生させ、その散乱光９はフォト
センサ１２によって検出される。

【００３０】真空室内において腐食性ガスを使用するプ
ラズマエッチング装置に本発明に係る粒子検出装置を適
用する場合には、前述の通り、レーザダイオード１やフ
ォトセンサ１２等の重要な部品は、粒子検出器ユニット
１４内に組み込まれて大気側に設置されるので、これら
の高価な部品が腐食性ガスによって劣化する心配はな
く、さらに真空室内部が高温状態であってもレーザダイ
オード１等が異常に加熱されることはない。仮にレーザ
ダイオード１等が真空室からの熱を受けて加熱されたと
しても、レーザダイオード１は大気側に設置されている
ために、水冷手段あるいは空冷手段などの対策を容易に
施すことができる。

【００３１】また本発明に係る粒子検出装置はメンテナ
ンス性にも優れている。粒子検出装置を長時間にわたっ
て使用していると、微粒子が小型真空室の内部にも蓄積
する可能性があるが、本発明の粒子検出装置のメンテナ
ンスでは、小型真空室４を半導体製造装置の真空室から
取り外して４つの窓を清掃するだけで済む。また、腐食
性ガスを使用すると、これらの窓の光透過率が低下して
くることも考えられるが、そのような場合には予め用意
しておいた再生済みの窓ガラスと交換するだけでよく、
新しく付け換えた窓ガラスを使用している間に使用済み
の窓ガラスは研磨および表面処理するなどして再生する
ことができ、粒子検出装置のランニングコストを低く押
さえることができる。

【００３２】次に、図３および図４に基づいて本発明の
他の実施例を説明する。図３は平面図、図４は図３中の
IV-IV 線断面図である。この実施例では、散乱光を検出
するフォトセンサの位置を変更して、検出の感度を高め
ている。図３および図４において、前記の実施例で説明
した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付して
いる。

【００３３】粒子検出器ユニット１４には、小型真空室
４と嵌合する開口部１４ａが形成され、さらにその中空
部３１にレーザ出射ユニット３２とコネクタ３３が設け
られる。レーザ出射ユニット３２は、レーザダイオード
１とコリメータレンズ３を内蔵する。コネクタ３３とレ
ーザダイオード１は電気配線で接続され、外部から供給
される電力が、コネクタ３３を通してレーザダイオード
１に与えられる。開口部１４ａを間にして上記の中空部
３１と対向する反対側の部分には、光吸収器が配設され
る。本実施例では、２つの光吸収器３４，３５を備え、
第１の光吸収器３４は、レーザ出射ユニット３２から出
射されるレーザ光線２の光軸に対して例えば４５°傾斜
して配置され、第２の光吸収器３５は、第１の光吸収器
３４で反射されたレーザ光線を受けるような箇所に配置
される。２つの光吸収器３４，３５を設けることにより
レーザ光線の吸収効率を高めている。

【００３４】また光吸収器３４，３５が設けられた部分
には、さらに、光吸収器３４の配置箇所の手前部分かつ
開口部１４ａ側の部分であってレーザ光線の光軸の周囲
にフォトセンサ３６が配置される。フォトセンサ３６は
その受光面がレーザ光線２の進行方向にほぼ直角になる
ように配置されている。フォトセンサ３６の受光面は、
その前面に光学フィルタ１１を配置して、小型真空室４
の内部空間に臨んでいる。またフォトセンサ３６の後面
にはクッションゴム３７が配置される。

【００３５】かかる粒子検出器ユニット１４の構造に対
し、その開口部１４ａに嵌合する小型真空室４の構造は
基本的部分に関し前記実施例で説明したものと同じであ
る。本実施例による小型真空室４における特徴的な構造
は、前述した散乱光導出用窓を特別に設けず、レーザ光
線導出用窓が散乱光導出用窓として兼用されることであ
る。図４において、３８はレーザ光導出用窓兼散乱光導
出用窓である。この窓３８は比較的に広い面積で形成さ
れる。５はレーザ光導入用窓、１３はＯリングである。

【００３６】上記の実施例によれば、フォトセンサ３６
の上記配置箇所に基づき、図５に示すように、小型真空
室４内の空間に進入した微粒子８にレーザ光線２が衝突
することによって発生する散乱光のうち、レーザ光線の
進行方向側におけるレーザ光線２の光軸と散乱光が形成
する角度θにおいて１０°〜７０°の範囲に含まれる散
乱光９を検出するようにしている。上記の角度範囲に含
まれる散乱光の強度がもっとも大きいことに基づいて、
このような散乱光を検出するべくフォトセンサ３６の配
置箇所が決定される。これにより検出効率を高めること
ができる。

【００３７】なお、前記フォトセンサ３６はレーザ光線
の進行方向側に配置されたが、破線９′で示すような散
乱光を検出対象として、前述の同一の角度範囲の散乱光
を検出すべく後ろ側の位置に配置することも可能であ
る。同様にして、後側における前記角度範囲に含まれる
散乱光を検出すべく、周囲の任意の位置にフォトセンサ
を配置することも可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、半導体製造装置等の真空室に装着した小型真空室
内部に飛来する微粒子の数と大きさを、小型真空室の外
の大気側に設けた粒子検出器で検出するようにしたた
め、真空室内で使用するガスの種類やプロセス温度等に
関係なく安定して塵等の微粒子の数と大きさを計測する
ことができ、加えて粒子検出装置のメインテナンスや本
体装置への設置を容易に行うことができる。またレーザ
光線の光軸に対して所定の角度範囲で発生する散乱光を
検出することにより、検出感度を向上することができ
る。またレーザ光線導出用窓と散乱光導出用窓を兼用す
ることにより、粒子検出装置の構造を簡易化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る粒子検出装置の要部構造を示す断
面図である。

【図２】粒子検出装置の組付け状態を説明するための外
観斜視図である。

【図３】本発明に係る粒子検出装置の他の実施例を示す
平面図である。

【図４】本発明に係る粒子検出装置の他の実施例の内部
構造を示す図３中のIV-IV 線断面図である。

【図５】散乱光の角度範囲を示す図である。

【符号の説明】

１レーザダイオード２レーザ光線３コリメータレンズ４小型真空室５レーザ光線導入用窓６レーザ光線導出用窓７，３４，３５光吸収器８微粒子９，９′ 散乱光１０散乱光導出用窓１１光学フィルタ１２フォトセンサ１３Ｏリング１４粒子検出器ユニット１４ａ開口部３８レーザ光導出用窓兼散乱光導出
用窓

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】処理が行われる真空室で発生する微粒子
の数と大きさを検出する粒子検出装置において、前記真空室を形成する壁部の外側にその内部空間が前記
真空室のみと通じた状態で、かつ前記真空室内の前記微
粒子が飛来できる程度の前記真空室に近付けた位置で取
り付けられ、レーザ光線透過用窓と散乱光取出し用窓と
を有する検出用真空室と、前記検出用真空室の外側の大気環境下に設けられ、前記
レーザ光線透過用窓を通して前記検出用真空室内にレー
ザ光線を与える発光手段と、前記検出用真空室内で発生
した散乱光を前記散乱光取出し用窓を通して検出する受
光手段とを含み、さらに単独ユニットとして形成され、
前記検出用真空室の外側からこの検出用真空室に取り付
けられ、前記検出用真空室に対して取付けおよび取外し
を自在に行える構造を有する粒子検出器と、を備えることを特徴とする粒子検出装置。
【請求項２】請求項１記載の粒子検出装置において、
前記検出用真空室は、前記真空室に対して取付けおよび
取外しを自在に行える構造を有することを特徴とする粒
子検出装置。
【請求項３】請求項１記載の粒子検出装置において、
前記粒子検出器のケースに開口部を形成し、前記検出用
真空室を前記開口部に嵌め込むことにより、前記粒子検
出器を前記検出用真空室に取り付けるようにしたことを
特徴とする粒子検出装置。
【請求項４】請求項１記載の粒子検出装置において、
前記受光手段は、前記レーザ光線の光軸に対して直角に
近い角度で発生した散乱光を検出する位置に配置される
ことを特徴とする粒子検出装置。
【請求項５】請求項１記載の粒子検出装置において、
前記受光手段は、前記レーザ光線の光軸に対して１０°
〜７０°の範囲に含まれる角度で発生した散乱光を検出
する位置に配置されること特徴とする粒子検出装置。
【請求項６】請求項５記載の粒子検出装置において、
前記レーザ光線透過用窓はレーザ光線導入用窓とレーザ
光線導出用窓からなり、前記レーザ光線導出用窓と前記
散乱光取出し用窓は兼用されることを特徴とする粒子検
出装置。