JP2704651B2

JP2704651B2 - 粒子状物質の分析方法およびその装置

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Publication number: JP2704651B2
Application number: JP1004527A
Authority: JP
Inventors: 賢次横瀬; 武彦北森; 哲也松井; 正治坂上
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-01-11
Filing date: 1989-01-11
Publication date: 1998-01-26
Anticipated expiration: 2013-01-26
Also published as: JPH02184739A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、粒子状物質の分析方法およびその装置に係
り、たとえば半導体製造工程およびバイオテクノロジ分
野等で使用される超純水や薬液等に含まれる粒子状物質
の分析方法およびその装置に関する。

〔従来の技術〕

上述した分野等における粒子状物質の分析、特に粒径
計測にあっては、いわゆるレーザ散乱方式の微粒子カウ
ンタが一般的に使用されている。これは、液体試料にレ
ーザ光を照射し、該液体試料中に含有される微粒子によ
って散乱された光の強度を測定し、該粒子の大きさある
いは数を測定するものである。しかしこのような方法で
は検出される粒径は約0.1μｍ程度という限界を有する
ものであった。

そこで近年では、液体試料に、レンズで集光させたパ
ルスレーザ光を照射させるようにするとともに、集光さ
れた該レーザ光のエネルギ密度を該液体試料中の粒子の
ブレイクダウン閾値より高く、かつ媒質である液体のブ
レイクダウン閾値より低く設定するようにしたものが知
られている。なお、前記ブレイクダウン閾値とはたとえ
ば該粒子に対し機械的破壊（ブレイクダウン）するに足
る光の強さである。このようにすることによって、集光
された該レーザ光中で粒子を１個ずつプラズマ化させ、
これによって発生する音響波（弾性波）を検出すること
によって、粒子計測あるいは粒径計測ができるものであ
る（特開昭62−38345号公報参照）。

〔発明が解決しようとする課題〕

第２図は、上述した方法において、レンズ30によって
集光されたレーザ光31のうちビームウェスト32と称され
る領域（粒子がプラズマ化されるに充分な光領域を有す
る領域）に粒子33が存在する場合を示したものである。

粒子33が、図中ビームウェスト32のほぼ中央にあるも
のの場合、その粒子33が完全にレーザ光31中に存在する
ため、該粒子33がその全部分においてブレークダウンを
起こし、この際に発生する音響波の検出によって、該粒
子33の完全なる情報を得ることができる。ちなみに、該
音響波の強度は粒子の粒径に比例することからも粒径計
測にあっても信頼性ある情報が得られる。

ところが、粒子33が、図中ビームウェスト32の左右に
あるものの場合、その粒子33の一部がレーザ光31中に存
在するため、該粒子33がその一部（図中斜線部）におい
てブレークダウンを起こすのみとなる。したがってこれ
らの粒子から得られる音響波は、上述した図中中央にあ
る粒子よりも強度の低いものとなり信頼性ある情報が得
られないという問題があった。

このことは、粒径を計測する場合はもちろんのこと、
粒径に応じた粒数の分布を得ようとする場合にも同様と
なっていた。

それ故、本発明は、このような事情に基づいてなされ
たものであり、同一の粒子に対し得られる音響波強度の
ばらつきをなくし、これによって正確かつ信頼性のある
情報が得られる粒状物質の分析方法およびその装置を提
供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

このような目的を達成するために、本発明は、基本的
には、測定対象となる粒子の存在する部分に照射され、
該粒子をプラズマ化させるに充分な強度を有する第１の
光路と、この第１の光路の光軸に沿った周辺に照射さ
れ、該粒子をプラズマ化させるに至らないが一旦プラズ
マ化された粒子から弾性波を出すに充分な強度を有する
第２の光路と、前記第１の光路および第２の光路の近傍
に配置され前記弾性波を検知するための音響検出手段と
を備えてなるようにしたものである。

〔作用〕

このように構成すれば、粒子は、第１の光路中におい
て、その全部分が存在しておれば、前記第１の光路はプ
ラズマ化させるに充分な強さを有することから、該全部
分がブレイクダウンし該粒子の全部分に対応する強さの
弾性波を発生させることになる。

また、第１の光路中に、粒子がその一部分においての
み存在している場合は、その一部分のみがブレイクダウ
ンすることになる。しかし、このように一部分にのみブ
レークダウンされなかったとしても、前記第１の光路の
周囲には第２の光路があり、前記粒子の他の残りの部分
は、この第２の光路中に存在することになる。そして、
前記第２の光路は、粒子をプラズマ化させるには至らな
いが一旦プラズマ化された粒子からは弾性波を出すに充
分な強度を有していることから、前記第１の光路中に存
在しない部分からも弾性波を発生させるようにすること
ができる。

したがって、後者の場合にあっても、前者の場合と同
様に音響検出手段によって粒子全部分から弾性波をとら
えることができるようになる。

このため、同一の粒子に対して得られる音響波強度の
ばらつきをなくし、これによって正確かつ信頼性のある
情報が得られるようになる。

〔実施例〕

以下、本発明による粒子状物質の分析方法およびその
装置の実施例について説明する。

まず、第１図は、本発明の本質的部分を示す実施例で
ある。同図において、レンズ30によって集光され第１の
光路となるレーザ光31があり、このレーザ光31は測定す
べき粒子が存在すべき部分を照射するようになってい
る。このレーザ光31は、その集光部分において、該測定
粒子をプラズマ化させるに充分な強度を有するビームウ
ェスト32の領域を有する。

一方、前記レンズ30と光軸をほぼ同じにし、前記ビー
ムウェスト32を間において前記レンズ30と対向するよう
にしてレンズ33が配置されている。このレンズ33からは
前記ビームウェスト32の光軸に沿った周辺を被うように
して集光され第２の光路となるレーザ光34が照射されて
いるようになっている。前記ビームウェスト32周辺の光
は、前記測定粒子をプラズマ化させるに至らないが、一
旦プラズマ化された粒子からは弾性波を出すに充分な強
度を有するものとして設定されている。

このようにした場合、まず、粒子33がレーザ光31のつ
くる強力な電場によりブレイクダウンに到るとともに、
プラズマ化する。そして、前記粒子33は急激な体積膨張
がなされ、この体積膨張の結果、弾性波すなわち音響波
が発生する。ここで、粒子33がプラズマ化するのに必要
な時間は10′ピコ秒（10^-11秒）程度とされている。そ
れ故、光の照射時間が10′ピコ秒よりも大きい場合に
は、該ブレイクダウンによって発生したプラズマはレー
ザ光31のエネルギを吸収し、このエネルギを熱として放
出し、熱膨張としての前記体積膨張が誘起されることに
なる。このため、粒子33がレーザ光31のエネルギを吸収
し得るのは、該レーザ光31に存在する部分であり、それ
以外の残りの部分では前記エネルギを吸収し得ず、した
がって体積膨張も起り得ず、弾性波も発し得なくなる。

しかし、この残りの部分は、第２の光路を形成するレ
ーザ光34内に存在しており、このレーザ光34によってエ
ネルギが与えられるようになる。このため、該残りの部
分においても体積膨張が誘起され、弾性波が発生し、結
果として、粒子33全体からその粒径に応じた強さの弾性
波を発生することになる。

以下、このような本発明の本質的部分を踏まえたうえ
で、具体的な装置について説明する。

まず、第３図において、１台の光源３により発振した
光をハーフミラー４を用いて２本に分岐する。分岐した
後のビーム１は粒子をブレイクダウンに到らせるために
光の強度あるいはエネルギー密度を粒子のブレイクダウ
ン閾値より高くかつ媒質のブレイクダウン閾値より低く
設定し、ビーム２はビーム１により発生したプラズマに
エネルギーを供給する光とするため光の強度あるいはエ
ネルギー密度を粒子のブレイクダウン閾値より低く設定
し、レンズ６により集光した後試料を充填したセル７の
内部において焦点を一致させて照射するようになってい
る。

前記セル７は、第４図にその詳細を示すように、液体
試料を入口7Aから出口7Bへ通過させる容器7Cがあり、こ
の容器7Cの通過路に沿ってビーム1,2が照射されるよう
に構成されている。なお、図において、前記容器7Cの側
面には後述する圧電素子８が配置されている。

ハーフミラー４からセル７までの光路長はビーム１に
対しビーム２が長くなるように構成されている。これに
よりセル７内に光が照射するタイミングに時間差が設け
られ、まずビーム１が試料に入射し、プラズマを発生さ
せて、その後ビーム２がプラズマに照射されるようにな
る。

ビーム１及びビーム２の照射により発生した音響波
を、検出器である圧電素子８により検出して電気信号に
変換した後信号処理装置９において波高弁別し、得られ
た音響波の波高分布を記録装置10に記録するようになっ
ている。

ここでビーム２の焦点付近におけるビーム径をビーム
１により発生したプラズマ径よりも大きく設定すれば、
プラズマ全体にビーム２のエネルギーが均等に供給でき
る。またビーム１の焦点付近におけるビーム径を、発生
するプラズマ径よりも小さくすることにより、プラズマ
がビーム１から供給される光のエネルギーを低く設定で
きる。以上の条件の下では、発生したプラズマが吸収す
る光のエネルギーが主としてビーム２から供給されるた
め、ビーム２の光の強度あるいはエネルギー密度によっ
てプラズマが吸収する光の量を制御できる。従って、発
生する音響波の波高をビーム２の光の強度あるいはエネ
ルギー密度により制御可能となる。また、従来問題とな
っていたビーム１の内部に存在するプラズマの体積がビ
ーム１内でのプラズマの発生位置により異なることに起
因して同一の粒径の粒子から発生する音響波の波高に差
異が生じるという問題点もビーム２の光の強度あるいは
エネルギー密度を適切に設定することにより解消できる
ようになる。

また、本実施例において信号処理装置９に予め音響波
波高と粒径を対応させる校正曲線を記憶させることによ
り、測定した音響波の波高分布を粒径分布に変換した
後、記録装置10に記録させ、表示装置により表示させる
ことができる。

第５図は本発明の他の実施例を示す構成図である。本
実施例の基本的な構成は第３図に示したものと同一であ
るが、ビーム１及びビーム２の照射時間を制御するため
それぞれのビーム間に照射時間制御装置11を設けてあ
る。この構成によりビーム１の照射時間に対し、ビーム
２の照射時間を長く設定することが可能となりビーム２
の全照射量（光の強度×照射時間）をビーム１に対し、
より大きく設定できる。これにより、音響波波高は主に
ビーム２により支配されることになり、ビーム２の照射
時間を制御することにより音響波波高を制御することが
容易となる。

また第５図の照射時間制御装置11を光強度制御装置12
に置き換えた実施例を第５図に示している。本実施例で
は、ビーム１の光強度に対しビーム２の光強度を強く設
定できるようになる。従ってビーム２の全照射量をビー
ム１に対し、より大きく設定できる。これにより音響波
波高をビーム２の光強度の制御によって制御することが
容易となる。

また、第７図に本発明による他の実施例の構成を示
す。同図では、各ビームに対応させた２台の光源3,3′
を用いるようにしたものであり、これにより上述の実施
例のように光を分岐するための手段が不要となる。すな
わち光源３から発振した光を照射時間制御装置11、光強
度制御装置12、ビーム径変換器13を経てレンズ６により
集光してビーム１とし、セル７に充填した試料に照射す
る。また光源３′から発振した光をビーム１と同様の手
段によってビーム２とする。その他の音響波の検出手法
及び信号処理方法等は第３図ないし第６図に示した実施
例と同様である。本実施例により２台の光源3,3′から
発生した光を、光のビーム径、光強度、及び光の照射時
間等を自由に制御して照射することができる。本実施例
は、照射時間制御装置11、光強度制御装置12、及びビー
ム径変換器13の全てを配置した例であるが、これらの装
置11〜13のうちの１つあるいは複数個の組合せを採用し
てもよい。また光源を３台以上使用してもよい。

この場合は、複数の光源からの光を合体させてビーム
１およびビーム２を形成するか、もしくはビーム１で発
生したプラズマにエネルギを供給するための光として複
数の光源からの光を合体させ、あるいは独立に照射させ
るようにしてもよい。

さらに、本発明の他の実施例を第８図に示す。本実施
例の基本構成は、第６図と同じである。但し、２台の光
源3,3′に同期装置14を接続してある。この同期装置14
は、同時に、あるいは一定の時間間隔をあけて外部トリ
ガを光源3,3′に入力することにより、２台の光源から
同期した光を発振できる。これにより入射するビーム１
およびビーム２の照射のタイミングを制御することがで
きるようになる。

さらに、本発明による他の実施例を第９図を用いて説
明する。本実施例は、第３図に示した実施例の装置構成
に加えて、粒子のブレイクダウンで発生したプラズマの
散乱光21を検出するための光検出器15を設け、前記散乱
光21の光強度を測定して信号処理９にその結果を入力す
るようになっている。信号処理装置９では、粒子のブレ
イクダウン毎に発生した音響信号22と散乱光21の強度比
を演算し、予め用意した音響信号と散乱光の強度の比と
粒径との間に校正曲線と比較照合して粒径を換算するよ
うになっている。これにより、ビーム１及びビーム２の
光強度の非均一性に起因する音響波波高のばらつきを補
正でき同一粒径に対して同一の信号（音響信号強度／散
乱光強度）を与えることができる。

さらに、本発明の他の実施例を第10図を用いて説明す
る。本実施例は第３図に示す構成において、セル７を超
純水製造装置16に付設したことにある。超純水製造装置
16で製造された超純水（給水17）をセル７に導き、セル
７の内部で超純水に含まれる粒子状物質をブレイクダウ
ンに到らせ、発生した音響波を検出するようになってい
る。セル７を通過した超純水は排水18として、ドレン19
へと導かれるようになっている。一方、発生した音響波
の波高分布から粒径分布を信号処理装置９により演算
し、表示装置20に表示するようになっている。本実施例
では測定した粒径分布のプロファイルやピーク値の情報
などから超純水製造装置16、あるいはサンプリングライ
ンの汚染の異常などをモニタし、さらに超純水装置及び
サンプリングライン内の汚染場所を推定するためのデー
タを提供する。なお、本実施例においては、測定した後
の超純水は排水18としてドレン19へ排出したが、ドレン
19へ排出せずに超純水装置に戻す構成としてもよい。ま
た、光源３は前述した様に、２台以上の構成としてもよ
い。さらに、照射時間制御装置11、光強度制御装置12、
ビーム径変換器13、同期装置14などを設けてもよい。な
お、本実施例は超純水製造装置の水質モニタに限定され
るものではなく、超純水や高純度の溶液を使用する半導
体製造プロセスや化学プロセスなどの液体のモニタとし
て使用でき、液体中に含まれる粒子状物質の数及び粒径
分布からプロセスで使用する液体の純度管理に適用され
るとともに、プロセス内における粒子状物質の発生源を
推定するデータを提供することができる。

以上の第２図から第10図に示す実施例で説明した光源
は、単位時間当りの光の出力、即ち光のエネルギー密度
を粒子のブレイクダウン閾値より高く設定する必要があ
るため、高出力かつパルス発振のレーザが最適となる。
しかし、連続光をパルス光に変換しても充分粒子のブレ
イクダウン閾値を上回わるエネルギー密度が得られる可
能性が考えられる。第11図に、連続光を発生する光源4
0、連続光をパルス光に変換する光パルス変換器41を用
いてパルス光を発生する装置の構成を示している。本装
置体系では、光源40から連続的に発生する光を光パルス
変換器を用いてパルス化する。これによりパルス発振の
光源を用いることなく、本発明を実施できるようにな
る。

〔発明の効果〕

以上説明したことから明らかなように、本発明による
粒子状物質の分析方法およびその装置によれば、粒子
は、第１の光路中において、その全部分が存在しておれ
ば、前記第１の光路はプラズマ化させるに充分な強さを
有することから、該全部分がブレイクダウンし該粒子の
全部分に対応する強さの弾性波を発生させることにな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による粒子状物質の分析方法およびその
装置の本質的部分を示す構成図、第２図は、第１図に対
応させた従来の本質部分を示す構成図、第３図は本発明
による一実施例を示す構成図、第４図は第３図における
セルの部分の詳細を示す一実施例図、第５図ないし第10
図はそれぞれ本発明による他の実施例を示す構成図、第
11図は上記各実施例の光源の他の実施例を示した説明図
である。１……ビーム、２……ビーム、３……光源、３′……光
源、４……ハーフミラー、５……ミラー、６……レン
ズ、７……セル、８……圧電素子（検出器）、９……信
号処理装置、10……記録装置、11……照射時間制御装
置、12……光強度制御装置、13……ビーム径変換器、14
……同期装置、15……光検出器、16……超純水装置、17
……給水、18……排水、19……ドレン、20……表示装
置、21……散乱光、22……音響信号、40……光源、41…
…光パルス変換器、42……連続光、43……パルス光。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象となる粒子の存在する部分に照射
され、該粒子をプラズマ化させるに充分な強度を有する
第１の光路と、この第１の光路の光軸に沿った周辺に照
射され、該粒子をプラズマ化させるに至らないが一旦プ
ラズマ化された粒子から弾性波を出すに充分な強度を有
する第２の光路と、前記第１の光路および第２の光路の
近傍に配置され前記弾性波を検知するための音響検出手
段とを備えてなるようにしたことを特徴とする粒子状物
質の分析装置。
【請求項２】請求項第１記載において、第１の光路と第
２の光路は同時に形成される粒子状物質の分析装置。
【請求項３】請求項第１記載において、第１の光路と第
２の光路は時間差をもって形成される粒子状物質の分析
装置。
【請求項４】請求項第１記載において、音響検出手段の
出力波高から粒子の粒径を測定する粒子状物質の分析装
置。
【請求項５】請求項第１記載において、第１の光路のビ
ーム径をプラズマの直径よりも小さく設定する粒子状物
質の分析装置。
【請求項６】請求項第３記載において、第１の光路の照
射時間に対して、第２の光路の照射時間を長く設定した
粒子状物質の分析装置。
【請求項７】請求項第６記載において、第２の光路の照
射時間により発生する音響波の波高を制御するようにし
た粒状物質の分析装置。
【請求項８】請求項第１あるいは第６記載において、第
２の光路の光強度あるいはエネルギ密度によって音響波
の波高さ制御するようにした粒状物質の分析装置。
【請求項９】請求項第１記載において、第１の光路およ
び第２の光路を、１の光源を分岐するハーフミラー、光
路を屈曲させるミラーとで構成する粒状物質の分析装
置。
【請求項１０】請求項第１記載において、第１の光路お
よび第２の光路を、別個の光源で形成する粒状物質の分
析装置。
【請求項１１】請求項第10記載において、各光源の照射
を同時あるいは一定の時間間隔を設けて行なうための同
期装置を設けた粒状物質の分析装置。
【請求項１２】測定対象となる粒子の存在する部分に照
射され、該粒子をプラズマ化させるに充分な強度を有す
る第１の光路と、この第１の光路の光軸に沿った周辺に
照射され、該粒子をプラズマ化させるに至らないが一旦
プラズマ化された粒子から弾性波を出すに充分な強度を
有する第２の光路とを形成し、該弾性波を検知するよう
にしたことを特徴とする粒子状物質の分析方法。