JP2786187B2 - 粒子寸法検出装置 - Google Patents
粒子寸法検出装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は粒子寸法検出装置に係り、更に詳しくいえば
光散乱を用いる粒子寸法検出装置に関する。 〔従来の技術〕 粒子寸法検出装置は今では良く知られており、粒子寸
法測定のためにレーザを使用できることも良く知られて
いる(例えば米国特許第3,406,289号明細書参照)。ま
た、開放空胴レーザを用いる粒子寸法測定技術が、本願
出願人が所有する米国特許第4,571,079号明細書および
第4,594,751号明細書に開示されている。 データを獲得するために、検出器の直線アレイを用い
て、各検出器により発生された電気信号を並列処理する
ことも行われている。例えば、米国特許第3,941,982号
明細書を参照されたい。 粒子測定装置は、空気を含めて種々のガス中の粒子の
存在と寸法の少くとも一方を決定することを含めて、種
々の目的に利用されている。空気中の粒子に関しては、
環境からの粒子汚染の許容限界と影響により、現在使用
されている多くの装置を製作できるようにするために、
効果的な汚染管理を利用することが必要になってきた。
とくに、例えばマイクロエレクトロニクス装置のために
必要とされるような精密な製作が、クリーンルームおよ
びクリーン装置の発達および応用によって大幅に可能と
されている。 永年にわたり、殆ど全ての電子装置用としては、クラ
ス100またはクラス1000の標準的なクリーンルームで十
分過ぎるほどであった。しかし、マイクロコンピュータ
が使用され、大容量のメモリチップのようなマイクロエ
レクトロニクス部品の需要が生ずるにつれて、製作中に
汚染に極めて弱い素子が開発される結果となった。 それらの素子の製造中の粒子汚染による影響は、製品
の歩留りが大幅に低下することである。例えば、汚染粒
子はリソグラフによる映像発生を妨げたり、短絡したり
または回路を開いたり、損われた領域が生ずることがあ
る。現時点では、粒子による汚染により影響される電子
工業のうち、半導体チップの製造が最も影響を受ける作
業のようである。 VLSI(超大規模集積回路)産業は、クリーンルームの
確認に用いられる空気粒子カウンタの技術レベルを押し
上げ続けてきた。遥かに高い規格が、遥かに低い汚染レ
ベルを達成する濾過性能の改善はもちろん、VLSIの製造
の需要を反映している。 〔発明が解決しようとする問題点〕 いま知られているエアロゾルカウンタの殆どの試料流
量は、0.028立方m/分(1立方フィート/分)である。
しかし、クラス1における妥当な統計的結果を達成する
ためには、感度0.5ミクロンに限られるならば、空気試
料の流量はもっと大きくする必要がある。寸法が小さく
なるにつれて粒子の数が増すから、適切な統計的ベース
を一層容易に得るために、空気粒子カウンタの殆どの製
作者は遥かに小さい粒子寸法を選択している。 例えば、0.1ミクロンにおいては、クリーンルーム内
で見出される平均粒子寸法分布は、0.1ミクロンより大
きい粒子の数は、0.5ミクロンより大きい粒子の数のほ
ぼ100倍である。したがって、より感度の高い粒子カウ
ンタは、クリーンルームの標準的な検査に要する時間が
短くなる。 また、0.5ミクロンより小さい粒子を含むものを有す
る装置も製作されている。したがって、最短時間で統計
的なベースを発生することに加えて、感度が高くなると
既知の粒子寸法情報により多くの潜在的な欠陥が生ず
る。 レーザの出現により、光散乱によって検出できる粒子
の寸法が、通常で0.1ミクロンのように小さくなった。
その理由は、レーザがそれの全てのエネルギーを小さい
面積に集中できるからである。現在市販されているいく
つかの装置の感度は0.1ミクロンであるが、それらの装
置のいずれも0.028立方m/分の流量で標本化できず、実
際には0.1ミクロンの感度においては0.028立方m/分を超
えない流量で標本化できるだけである。 半導体の製造者たちは、種々の処理に用いる、粒子汚
染の低い高純度ガスも要求している。殆どの場合には、
ライン圧(line pressure)(1×106pa(15P.S.I.)ま
で)で測定を行う必要がある。それらのガスのうちのい
くつかは大きな分子量のガスであって、空気(主として
酸素と窒素の混合ガス)よりも大きく光を散乱させるか
ら、0.028立方m/分より小さい流量が適当である場合に
も、分子による散乱は小さくしなければならない。 したがって、より小さい粒子寸法で得られる潜在的な
統計上の利点は、高い分子散乱が起る環境においては一
部が失われる。そのような環境において高感度を達成す
ること(例えば0.028立方m/分まで、またはそれを超え
る高い流量を達成することを含む)と、高い感度(少く
とも0.1ミクロンほど小さい寸法の粒子を検出するこ
と)とを組合わせて有する性能を必要とする。 本発明は、高い分子散乱環境において感度が高く、し
かもそのような環境において粒子寸法感度0.1ミクロン
を達成できる粒子検出装置を提供するものである。高い
流量(少くとも0.02832立方m/分まで)、および高い圧
力(大気圧以上)または大きな分子量のガスの存在する
環境において高い感度が達成される。 〔問題点を解決するための手段〕 これは、分子散乱による背景ノイズを減少することに
より達成される。そのノイズ減少は、複数の直線検出器
を用い、全検出領域のうち、混合ガスの流量と粒子およ
びレーザビームの交差する部分のみを各検出器に検出さ
せ、検出した粒子を示す電気出力信号を各検出器に発生
させ、全ての検出器の出力信号を並列処理して、全検出
領域内で検出した粒子を指示させるようにすることによ
り達成される。 〔実施例〕 電子装置製造環境における現在の粒子管理は、主とし
て米国連邦規格209(FS209)、ドイツVDI2083ドキュメ
ント、および類似の規格の適用を基にしている。 第1図は、FS209において用いられている現在の類似
システムおよび寸法集中範囲を示すものである。この第
1図(および第2図と第3図)の縦軸には、全粒子/立
方フィートが示され、図示のように前記粒子寸法に等し
いか、それより大きい。0.35個/リットル(10個/立方
フィート)より低いカウントは、多類の試料を得た場合
を除き信頼できない(したがって破線で示している)。
図から分かるように、測定する必要がある最小の粒子は
直径0.5ミクロンであり、指定されている最高のクリー
ン度は3.5個/リットル(100個/立方フィート)であ
る。 しかし、それらのクリーンルーム規格は数年間にわた
って用いられ、電子製品に対する現在の要求は、粒子管
理に対する要求が現在はより厳しくなっているから、カ
バーされるレベルはマイクロエレクトロニクス装置の妥
当な製造にとって満足できない。したがって、粒子汚染
レベルの規定を改定する必要が明らかになっており、そ
のためにより小さい粒子およびよりきれいなレベルを含
めて測定できるようにするためのFS209の修正が検討さ
れている。 FS209の改訂作業が、インスティテュート・オブ・エ
ンバイロンメンタル・サイエンス(Institute of Envir
onmental Science)の指揮の下に行われているが、まだ
完了していない。その改訂の大きな目的の1つは、クラ
ス10レベルにおけるルーム、または区域、空気クレンリ
ネス・クラスを定め、より低いレベルにおける適切な統
計的規定を行えるように、0.5ミクロンより小さい粒子
の測定を行えるようにすることである。あらゆる産業的
区域において用いられている規格が多分まもなく改訂さ
れることが予想され、したがってFS209の改訂は一連の
新しい規格における最初のものに過ぎないようである。
実際、クラス1レベルは現在製作でき、近い将来には必
ず実用化される。 粒子の寸法が小さくなると粒子の数が急激に増加する
から、より小さい粒子を測定することは理由があるよう
にみえる。したがって、改訂されるFS209の案には0.3ミ
クロン、およびよりきれいな区域の場合には0.1ミクロ
ンの粒子の測定が含まれている。第2図は、現在検討さ
れている区分であって、0.5ミクロンより小さい粒子を
測定できるようにするものである。しかし、第2図にお
ける区分カーブの勾配は、現行のFS209における区分カ
ーブの勾配を基にしている。 米国における少数のVLSIクリーンルームで得られた最
近のデータを基にした、区分カーブの勾配の変更につい
て考えることにする。0.1ミクロンからそれ以上の粒子
を測定するためにレーザカウンタが用いられ、得たデー
タを第3図に示す。非常にクリーンなクリーンルーム内
での粒子寸法分布は、1.0ミクロン以下の寸法では、現
行のFS209の区分カーブから予測されるものよりも遥か
に急な勾配を有するようであり、第3図に示すものより
も急な勾配を持たせる可能性もいくらかある。 区分カーブを0.1ミクロンの範囲まで延ばしたとする
と、クラス100またはそれよりも良いルームについて妥
当なデータを得るために要する時間と努力は、FS209を
第3図に示す最近のデータにしたがって単に外挿したに
過ぎないということとは無関係に、それぞれ短くなり、
減少する。 本発明において達成されたように、高い分子散乱環境
において0.1ミクロンの感度を達成できる装置の開発
は、容易には達成されなかった。1分間当り0.028立方
m(1立方フィート)まで、またはそれを超える高い流
量による分子散乱環境に関しては、そのような流量は、
光検出装置の感度領域を流れる流れのかなり大きい横断
面を支配する。 音速においても横断面は1.8平方mmであり、実用的な
真空源により全音速流を達成することは不可能である。
したがって、より典型的な流速は音速の1/3〜1/2であ
り、流れの横断面は0.028立方m/分における典型的な装
置においては、4〜5平方mmに増大する。粒子の寸法を
正確にするのであれば、流れのその大きい横断面を一様
に照射せねばならない。 したがって、照射される領域はレーザの小さく集束さ
れた領域の近くにはできず、流れの横断面が第4A図に示
すように円形であれば殆どは拡げられたレーザビームの
中に置かれ、流れの横断面が第4B図に示すように長方形
であればビームの軸に沿って引き伸ばされる。したがっ
て、本発明で用いられるような最適の設計では、流れの
横断面は1×10平方mmであり、集める光学装置は米国特
許第4,571,079号および第4,594,751号の各明細書に示さ
れているものに類似する。 0.1ミクロンの感度を生じさせるためには、レーザ自
体は検出領域内に約1ワットのパワーを発生せねばなら
ない。633nmで動作する共振HeNeレーザ空胴は、所要の
パワーを発生する最も便利な方法であるが、任意の1ワ
ット可視光レーザ(例えばアルゴンレーザ)も使用でき
る。したがって、0.1ミクロンのように小さい粒子を検
出するのに十分なエネルギー密度を与え、0.028立方m/
分を可能にする横断面を可能にする光源を構成できるか
ら、問題は単純であるようにみえる。 これは、検出領域内で粒子が唯一の光散乱源である場
合のことである。慎重に設計することにより、漂遊光を
効果的になくすことができる。しかし、空気中に含まれ
ている粒子に加えて、1立方mm当り約1016個の空気分子
が存在し、しかもそれの空気分子を無くすことはできな
い。計算を行った結果によれば、そのような量の空気
は、典型的な0.1ミクロン粒子より、100倍以上のエネル
ギーを散乱させることが判明している(雑誌「The Jour
nal of Environmental Sciences」1985年1/2月号所載の
R.G.Knollenbergの「The Measurement of Particle Siz
es Below 0.1 Micrometers」と題する論文を参照された
い。)分子による散乱が大きく存在するから、この信号
源は主に直流である。 希望の0.1ミクロン粒子信号をマスクするのは、分子
散乱信号(交流ノイズ)の変化(交流)である。このノ
イズ自体は、直流分子散乱信号に比例する。ノイズ源が
旧来のショットノイズであれば、ノイズは直流信号の平
方根に比例する。しかし、レーザ源では、ノイズはショ
ットノイズと仮定して計算したものより大きく、レーザ
空胴は流れ自体により容易かつランダムに変調される
(ノイズを生ずる)。その場合には、交流ノイズは、直
流信号の平方根ではなくて、直流信号に正比例する。測
定により、0.028立方m/分装置においては、分子散乱ノ
イズは0.1ミクロンの粒子のそれの5〜10倍であり、従
来の装置では検出が不可能となることが判明している。 分子散乱が最も大きい環境、すなわち背景が存在する
場合があるが、それは、例えば、分子散乱が0.1ミクロ
ン粒子による散乱の100倍を超えることがある場合であ
る。そのように高い分子散乱は、測定されるガスの量が
大きい流量のために要求されるものより多い場合ばかり
でなく、例えば分子密度が高い(大気圧より高い圧力)
ため、または大きいガス分子が存在するために生ずるこ
ともある。いずれの場合でも、高い分子散乱背景に遭遇
すると、高い感度を達成するために本発明の装置を常に
利用できる。 本発明においては、検出すべき粒子を含んでいるガス
(通常は空気)を流させる検出領域に光を照射するため
に、照明装置が用いられる。この検出領域に気体と粒子
との混合物を通すように、ほぼ直円筒形の導管の1本を
前記検出領域に隣接して含む。また、照明装置は、第5
図に示すように、米国特許第4,571,079号および第4,59
4,751号の各明細書に示されているようなレーザビーム
照明装置10が好ましい。 第5図に示すように、プラズマチューブ14の一端をブ
リュースターの窓16で終端することにより、レーザ空胴
12にアクセスできる。湾曲した反射鏡18(その半径は、
例えばr=100cm)がプラズマチューブ14の他端に置か
れる。光検出器20と前置増幅器22とが、反射鏡18の外側
でレーザビームの軸に沿って設けられ、照明の相効的な
強さを測定する。 粒子寸法を測定するために、測定すべき粒子がジェッ
ト24を通じて噴出されて、粒子がブリュスターの窓16と
外部レーザ反射鏡26(例えばr=70cm)との間でレーザ
ビーム25を横切るようにする。 第5図に示すように、光サンプリングブロック28が粒
子噴出領域に近接して置かれ、その光サンプリングブロ
ック28は集光素子、または結像素子29を位置させる。そ
の結像素子29は、粒子噴出領域の上方にその領域に近接
して設けられる一対のレンズ30,31を含むことができ
る。 複数の光検出器34(第6図および第7図)を有する光
検出器ユニット33が光サンプリングブロック28に近接し
て位置させられて、光検出器ユニット33がレンズ30,31
の焦点面内に位置させられるようにする。光検出器ユニ
ット33からの電気信号出力が、並列処理器35に結合され
る。その並列処理器の出力を分析器36を介して結合する
ことにより、低分解能指示出力を与えることができ、か
つ変換器ユニット37を介して結合することにより、デジ
タル粒子寸法を示す高分解能出力を与えることができ
る。また、最小寸法超過指示出力も変換器ユニット37か
ら与えられる。 光検出器39と前置増幅器40とを、レーザビーム軸に沿
って反射鏡26の他の側に位置させることもでき、それに
より、光検出器20および前置増幅器22が行うように、基
準測定を行うことができる。 本発明においては、分子散乱からの背景光を取扱うこ
とができるレベルまで減少させるために、結像装置と検
出器アレイを用いることにより、ノイズが減少させられ
る。第6図に最もよく示されているように、光検出器ユ
ニット33は長方形素子すなわち光検出器34の直線アレイ
を含む(第6図には、図示のためだけに11個の光検出器
34が示されている)。二次元データを得るために、並列
処理回路に接続された光検出器の直線アレイを使用する
ことが、米国特許第3,941,982号明細書に記載されてい
る。 このアレイの素子(第7図に示すように、フォトダイ
オードとすることもできる)が、レーザビーム内の対応
する部分(すなわち、全検出領域の一部)を見る。粒子
から散乱された光が、全検出領域の特定の素子のモニタ
される部分内の全ての空気分子により発生された拡散分
子散乱の背景とともに、1個の素子の上に明るい像とし
て再び結像される。 したがって、アレイに用いられている素子の数だけ、
背景分子散乱の量が減少させられる。ショットノイズで
説明されるノイズ源以外の光ノイズ源に対しては、アレ
イの素子の数に比例してノイズを直接減少させることも
できる。ショットノイズ源の場合には、ノイズはアレイ
素子の数の平方根に比例して減少する。 本発明に用いられる独立した光検出器の数はN個であ
るから、各光検出器からの電気信号出力を個々に質問し
て、粒子像がいずれか1個の光検出器により観察された
時を決定せねばならない。 第7図は、光検出器ユニット33を形成する複数の光検
出器34を示す。光検出器は、並列処理器35の異なる信号
処理回路41へ接続される。更に詳しくいえば、各光検出
器34は、各信号処理回路41内の前置増幅器42へ接続され
る(各前置増幅器の出力端子と負入力端子の間に帰還抵
抗器43が接続される)。各信号処理回路41は、比較器44
と、ピーク格納素子(サンプルおよびホールド回路)46
も含む。 前置増幅器42は、ノイズおよび粒子に関連する増幅さ
れた電気信号を発生する。その信号は、関連する比較器
44へ結合される。その比較器のしきい値レベルは、検出
可能な最小粒子寸法の信号ピーク振幅に設定される。比
較器の出力は、制御論理器48により一緒に論理和を取ら
れる。その制御論理器48は、タイミングを取る目的、お
よび検出可能な最小寸法の粒子が検出されたことを指示
する目的で、粒子の走行時間パルスを生ずる。 検出可能な最小寸法より大きい粒子の場合には、寸法
の分解が希望の分解能に依存する。例えば、単一寸法チ
ャネル内で0.1ミクロンより大きい全ての粒子の単純な
カウントが望ましいとすると、信号処理回路61を制御論
理器48と組合わせて用いることができるだけである。 高分解能多チャネル用(例えば、0.1ミクロン〜0.2ミ
クロンの10チャネルで、0.01ミクロンの分解能を望む場
合)では、各光検出器のピーク振幅を処理前に個々に格
納する必要がある。そのように高い分解能(例えば、第
2のしきい値が0.11ミクロン)のためには、各前置増幅
器42からの出力がそれに関連するピーク格納素子(サン
プルおよびホールド回路)46へ結合される。サンプルお
よびホールド回路46に格納されているピーク振幅は、変
換器ユニット37により個々に呼出される。その変換器ユ
ニットは、制御論理器48と走査A/D変換器49を含む。 低分解能多チャネル用では、前置増幅器42からの各出
力を関連する抵抗器50を通って分析器ユニット36の加算
増幅器52(この増幅器の出力端子と負入力端子の間に
は、帰還抵抗器が接続されている)へ結合させるだけ
で、前置増幅器42の全ての出力を加え合わせるのに十分
である。分析器ユニット36は、加算増幅器52からの出力
を受ける通常のパルス高分析器54も含む。そのような低
分解能用途は、加え合わされたノイズが、使用する第2
のしきい値レベルを超えるピーク振幅より依然として小
さいように、第2のしきい値レベルが第1のしきい値レ
ベルより十分に高いことを意味する。例えば、第2のし
きい値が0.2ミクロンであるとすると、それは0.1ミクロ
ンのしきい値よりも約40倍高く、加え合わされたノイズ
はそのように高いしきい値より遥かに小さい。 したがって、各信号処理回路は、それに関連する光検
出器とともに、粒子がいつ生じたか、および散乱事象の
大きさを決定する。像が境界にあったり、僅かにピンボ
ケの場合には、散乱事象は2つの素子の間で分けること
ができる。 次に動作を説明する。 レーザビームが検出領域へ向けて照射され、粒子を含
んでいるガスが、少くとも約0.028立方m/分の流量を含
むことができる流量で、検出領域を通って流される。そ
うすると、検出領域内の粒子が光を散乱させる。その光
の散乱は、少くとも0.1ミクロンまでの直径の粒子によ
りひき起されるものであって、それより大きい直径の粒
子は光検出器アレイにより検出できる。光検出器アレイ
の各光検出器は検出領域の所定の部分をモニタし、その
部分における検出可能な光散乱を検出して、その検出し
た光散乱を示す電気出力信を(背景ノイズにより発生さ
れた信号とともに)発生する。それらの電気出力信号は
並列処理され、高分解能を達成するためにはピーク振幅
が格納される(あるいは、低分解能のためには、それら
の出力信号は加え合わされてから分析される)。高分解
能の読出しを行うためには、格納されたピーク振幅を後
で個々に読出してから、デジタル出力に変換する。 本発明の一実施例においては、0.02832立方m/分の流
量で表される高い分子散乱の環境において、0.1ミクロ
ンの粒子寸法感度が達成された。 〔発明の効果〕 以上述べたように、分子散乱背景によると必要とされ
るノイズ減少を行うために、光検出器アレイを用いるこ
とにより、高い分子散乱の環境において高い感度を達成
できる改良した粒子寸法検出装置が本発明により得られ
る。
光散乱を用いる粒子寸法検出装置に関する。 〔従来の技術〕 粒子寸法検出装置は今では良く知られており、粒子寸
法測定のためにレーザを使用できることも良く知られて
いる(例えば米国特許第3,406,289号明細書参照)。ま
た、開放空胴レーザを用いる粒子寸法測定技術が、本願
出願人が所有する米国特許第4,571,079号明細書および
第4,594,751号明細書に開示されている。 データを獲得するために、検出器の直線アレイを用い
て、各検出器により発生された電気信号を並列処理する
ことも行われている。例えば、米国特許第3,941,982号
明細書を参照されたい。 粒子測定装置は、空気を含めて種々のガス中の粒子の
存在と寸法の少くとも一方を決定することを含めて、種
々の目的に利用されている。空気中の粒子に関しては、
環境からの粒子汚染の許容限界と影響により、現在使用
されている多くの装置を製作できるようにするために、
効果的な汚染管理を利用することが必要になってきた。
とくに、例えばマイクロエレクトロニクス装置のために
必要とされるような精密な製作が、クリーンルームおよ
びクリーン装置の発達および応用によって大幅に可能と
されている。 永年にわたり、殆ど全ての電子装置用としては、クラ
ス100またはクラス1000の標準的なクリーンルームで十
分過ぎるほどであった。しかし、マイクロコンピュータ
が使用され、大容量のメモリチップのようなマイクロエ
レクトロニクス部品の需要が生ずるにつれて、製作中に
汚染に極めて弱い素子が開発される結果となった。 それらの素子の製造中の粒子汚染による影響は、製品
の歩留りが大幅に低下することである。例えば、汚染粒
子はリソグラフによる映像発生を妨げたり、短絡したり
または回路を開いたり、損われた領域が生ずることがあ
る。現時点では、粒子による汚染により影響される電子
工業のうち、半導体チップの製造が最も影響を受ける作
業のようである。 VLSI(超大規模集積回路)産業は、クリーンルームの
確認に用いられる空気粒子カウンタの技術レベルを押し
上げ続けてきた。遥かに高い規格が、遥かに低い汚染レ
ベルを達成する濾過性能の改善はもちろん、VLSIの製造
の需要を反映している。 〔発明が解決しようとする問題点〕 いま知られているエアロゾルカウンタの殆どの試料流
量は、0.028立方m/分(1立方フィート/分)である。
しかし、クラス1における妥当な統計的結果を達成する
ためには、感度0.5ミクロンに限られるならば、空気試
料の流量はもっと大きくする必要がある。寸法が小さく
なるにつれて粒子の数が増すから、適切な統計的ベース
を一層容易に得るために、空気粒子カウンタの殆どの製
作者は遥かに小さい粒子寸法を選択している。 例えば、0.1ミクロンにおいては、クリーンルーム内
で見出される平均粒子寸法分布は、0.1ミクロンより大
きい粒子の数は、0.5ミクロンより大きい粒子の数のほ
ぼ100倍である。したがって、より感度の高い粒子カウ
ンタは、クリーンルームの標準的な検査に要する時間が
短くなる。 また、0.5ミクロンより小さい粒子を含むものを有す
る装置も製作されている。したがって、最短時間で統計
的なベースを発生することに加えて、感度が高くなると
既知の粒子寸法情報により多くの潜在的な欠陥が生ず
る。 レーザの出現により、光散乱によって検出できる粒子
の寸法が、通常で0.1ミクロンのように小さくなった。
その理由は、レーザがそれの全てのエネルギーを小さい
面積に集中できるからである。現在市販されているいく
つかの装置の感度は0.1ミクロンであるが、それらの装
置のいずれも0.028立方m/分の流量で標本化できず、実
際には0.1ミクロンの感度においては0.028立方m/分を超
えない流量で標本化できるだけである。 半導体の製造者たちは、種々の処理に用いる、粒子汚
染の低い高純度ガスも要求している。殆どの場合には、
ライン圧(line pressure)(1×106pa(15P.S.I.)ま
で)で測定を行う必要がある。それらのガスのうちのい
くつかは大きな分子量のガスであって、空気(主として
酸素と窒素の混合ガス)よりも大きく光を散乱させるか
ら、0.028立方m/分より小さい流量が適当である場合に
も、分子による散乱は小さくしなければならない。 したがって、より小さい粒子寸法で得られる潜在的な
統計上の利点は、高い分子散乱が起る環境においては一
部が失われる。そのような環境において高感度を達成す
ること(例えば0.028立方m/分まで、またはそれを超え
る高い流量を達成することを含む)と、高い感度(少く
とも0.1ミクロンほど小さい寸法の粒子を検出するこ
と)とを組合わせて有する性能を必要とする。 本発明は、高い分子散乱環境において感度が高く、し
かもそのような環境において粒子寸法感度0.1ミクロン
を達成できる粒子検出装置を提供するものである。高い
流量(少くとも0.02832立方m/分まで)、および高い圧
力(大気圧以上)または大きな分子量のガスの存在する
環境において高い感度が達成される。 〔問題点を解決するための手段〕 これは、分子散乱による背景ノイズを減少することに
より達成される。そのノイズ減少は、複数の直線検出器
を用い、全検出領域のうち、混合ガスの流量と粒子およ
びレーザビームの交差する部分のみを各検出器に検出さ
せ、検出した粒子を示す電気出力信号を各検出器に発生
させ、全ての検出器の出力信号を並列処理して、全検出
領域内で検出した粒子を指示させるようにすることによ
り達成される。 〔実施例〕 電子装置製造環境における現在の粒子管理は、主とし
て米国連邦規格209(FS209)、ドイツVDI2083ドキュメ
ント、および類似の規格の適用を基にしている。 第1図は、FS209において用いられている現在の類似
システムおよび寸法集中範囲を示すものである。この第
1図(および第2図と第3図)の縦軸には、全粒子/立
方フィートが示され、図示のように前記粒子寸法に等し
いか、それより大きい。0.35個/リットル(10個/立方
フィート)より低いカウントは、多類の試料を得た場合
を除き信頼できない(したがって破線で示している)。
図から分かるように、測定する必要がある最小の粒子は
直径0.5ミクロンであり、指定されている最高のクリー
ン度は3.5個/リットル(100個/立方フィート)であ
る。 しかし、それらのクリーンルーム規格は数年間にわた
って用いられ、電子製品に対する現在の要求は、粒子管
理に対する要求が現在はより厳しくなっているから、カ
バーされるレベルはマイクロエレクトロニクス装置の妥
当な製造にとって満足できない。したがって、粒子汚染
レベルの規定を改定する必要が明らかになっており、そ
のためにより小さい粒子およびよりきれいなレベルを含
めて測定できるようにするためのFS209の修正が検討さ
れている。 FS209の改訂作業が、インスティテュート・オブ・エ
ンバイロンメンタル・サイエンス(Institute of Envir
onmental Science)の指揮の下に行われているが、まだ
完了していない。その改訂の大きな目的の1つは、クラ
ス10レベルにおけるルーム、または区域、空気クレンリ
ネス・クラスを定め、より低いレベルにおける適切な統
計的規定を行えるように、0.5ミクロンより小さい粒子
の測定を行えるようにすることである。あらゆる産業的
区域において用いられている規格が多分まもなく改訂さ
れることが予想され、したがってFS209の改訂は一連の
新しい規格における最初のものに過ぎないようである。
実際、クラス1レベルは現在製作でき、近い将来には必
ず実用化される。 粒子の寸法が小さくなると粒子の数が急激に増加する
から、より小さい粒子を測定することは理由があるよう
にみえる。したがって、改訂されるFS209の案には0.3ミ
クロン、およびよりきれいな区域の場合には0.1ミクロ
ンの粒子の測定が含まれている。第2図は、現在検討さ
れている区分であって、0.5ミクロンより小さい粒子を
測定できるようにするものである。しかし、第2図にお
ける区分カーブの勾配は、現行のFS209における区分カ
ーブの勾配を基にしている。 米国における少数のVLSIクリーンルームで得られた最
近のデータを基にした、区分カーブの勾配の変更につい
て考えることにする。0.1ミクロンからそれ以上の粒子
を測定するためにレーザカウンタが用いられ、得たデー
タを第3図に示す。非常にクリーンなクリーンルーム内
での粒子寸法分布は、1.0ミクロン以下の寸法では、現
行のFS209の区分カーブから予測されるものよりも遥か
に急な勾配を有するようであり、第3図に示すものより
も急な勾配を持たせる可能性もいくらかある。 区分カーブを0.1ミクロンの範囲まで延ばしたとする
と、クラス100またはそれよりも良いルームについて妥
当なデータを得るために要する時間と努力は、FS209を
第3図に示す最近のデータにしたがって単に外挿したに
過ぎないということとは無関係に、それぞれ短くなり、
減少する。 本発明において達成されたように、高い分子散乱環境
において0.1ミクロンの感度を達成できる装置の開発
は、容易には達成されなかった。1分間当り0.028立方
m(1立方フィート)まで、またはそれを超える高い流
量による分子散乱環境に関しては、そのような流量は、
光検出装置の感度領域を流れる流れのかなり大きい横断
面を支配する。 音速においても横断面は1.8平方mmであり、実用的な
真空源により全音速流を達成することは不可能である。
したがって、より典型的な流速は音速の1/3〜1/2であ
り、流れの横断面は0.028立方m/分における典型的な装
置においては、4〜5平方mmに増大する。粒子の寸法を
正確にするのであれば、流れのその大きい横断面を一様
に照射せねばならない。 したがって、照射される領域はレーザの小さく集束さ
れた領域の近くにはできず、流れの横断面が第4A図に示
すように円形であれば殆どは拡げられたレーザビームの
中に置かれ、流れの横断面が第4B図に示すように長方形
であればビームの軸に沿って引き伸ばされる。したがっ
て、本発明で用いられるような最適の設計では、流れの
横断面は1×10平方mmであり、集める光学装置は米国特
許第4,571,079号および第4,594,751号の各明細書に示さ
れているものに類似する。 0.1ミクロンの感度を生じさせるためには、レーザ自
体は検出領域内に約1ワットのパワーを発生せねばなら
ない。633nmで動作する共振HeNeレーザ空胴は、所要の
パワーを発生する最も便利な方法であるが、任意の1ワ
ット可視光レーザ(例えばアルゴンレーザ)も使用でき
る。したがって、0.1ミクロンのように小さい粒子を検
出するのに十分なエネルギー密度を与え、0.028立方m/
分を可能にする横断面を可能にする光源を構成できるか
ら、問題は単純であるようにみえる。 これは、検出領域内で粒子が唯一の光散乱源である場
合のことである。慎重に設計することにより、漂遊光を
効果的になくすことができる。しかし、空気中に含まれ
ている粒子に加えて、1立方mm当り約1016個の空気分子
が存在し、しかもそれの空気分子を無くすことはできな
い。計算を行った結果によれば、そのような量の空気
は、典型的な0.1ミクロン粒子より、100倍以上のエネル
ギーを散乱させることが判明している(雑誌「The Jour
nal of Environmental Sciences」1985年1/2月号所載の
R.G.Knollenbergの「The Measurement of Particle Siz
es Below 0.1 Micrometers」と題する論文を参照された
い。)分子による散乱が大きく存在するから、この信号
源は主に直流である。 希望の0.1ミクロン粒子信号をマスクするのは、分子
散乱信号(交流ノイズ)の変化(交流)である。このノ
イズ自体は、直流分子散乱信号に比例する。ノイズ源が
旧来のショットノイズであれば、ノイズは直流信号の平
方根に比例する。しかし、レーザ源では、ノイズはショ
ットノイズと仮定して計算したものより大きく、レーザ
空胴は流れ自体により容易かつランダムに変調される
(ノイズを生ずる)。その場合には、交流ノイズは、直
流信号の平方根ではなくて、直流信号に正比例する。測
定により、0.028立方m/分装置においては、分子散乱ノ
イズは0.1ミクロンの粒子のそれの5〜10倍であり、従
来の装置では検出が不可能となることが判明している。 分子散乱が最も大きい環境、すなわち背景が存在する
場合があるが、それは、例えば、分子散乱が0.1ミクロ
ン粒子による散乱の100倍を超えることがある場合であ
る。そのように高い分子散乱は、測定されるガスの量が
大きい流量のために要求されるものより多い場合ばかり
でなく、例えば分子密度が高い(大気圧より高い圧力)
ため、または大きいガス分子が存在するために生ずるこ
ともある。いずれの場合でも、高い分子散乱背景に遭遇
すると、高い感度を達成するために本発明の装置を常に
利用できる。 本発明においては、検出すべき粒子を含んでいるガス
(通常は空気)を流させる検出領域に光を照射するため
に、照明装置が用いられる。この検出領域に気体と粒子
との混合物を通すように、ほぼ直円筒形の導管の1本を
前記検出領域に隣接して含む。また、照明装置は、第5
図に示すように、米国特許第4,571,079号および第4,59
4,751号の各明細書に示されているようなレーザビーム
照明装置10が好ましい。 第5図に示すように、プラズマチューブ14の一端をブ
リュースターの窓16で終端することにより、レーザ空胴
12にアクセスできる。湾曲した反射鏡18(その半径は、
例えばr=100cm)がプラズマチューブ14の他端に置か
れる。光検出器20と前置増幅器22とが、反射鏡18の外側
でレーザビームの軸に沿って設けられ、照明の相効的な
強さを測定する。 粒子寸法を測定するために、測定すべき粒子がジェッ
ト24を通じて噴出されて、粒子がブリュスターの窓16と
外部レーザ反射鏡26(例えばr=70cm)との間でレーザ
ビーム25を横切るようにする。 第5図に示すように、光サンプリングブロック28が粒
子噴出領域に近接して置かれ、その光サンプリングブロ
ック28は集光素子、または結像素子29を位置させる。そ
の結像素子29は、粒子噴出領域の上方にその領域に近接
して設けられる一対のレンズ30,31を含むことができ
る。 複数の光検出器34(第6図および第7図)を有する光
検出器ユニット33が光サンプリングブロック28に近接し
て位置させられて、光検出器ユニット33がレンズ30,31
の焦点面内に位置させられるようにする。光検出器ユニ
ット33からの電気信号出力が、並列処理器35に結合され
る。その並列処理器の出力を分析器36を介して結合する
ことにより、低分解能指示出力を与えることができ、か
つ変換器ユニット37を介して結合することにより、デジ
タル粒子寸法を示す高分解能出力を与えることができ
る。また、最小寸法超過指示出力も変換器ユニット37か
ら与えられる。 光検出器39と前置増幅器40とを、レーザビーム軸に沿
って反射鏡26の他の側に位置させることもでき、それに
より、光検出器20および前置増幅器22が行うように、基
準測定を行うことができる。 本発明においては、分子散乱からの背景光を取扱うこ
とができるレベルまで減少させるために、結像装置と検
出器アレイを用いることにより、ノイズが減少させられ
る。第6図に最もよく示されているように、光検出器ユ
ニット33は長方形素子すなわち光検出器34の直線アレイ
を含む(第6図には、図示のためだけに11個の光検出器
34が示されている)。二次元データを得るために、並列
処理回路に接続された光検出器の直線アレイを使用する
ことが、米国特許第3,941,982号明細書に記載されてい
る。 このアレイの素子(第7図に示すように、フォトダイ
オードとすることもできる)が、レーザビーム内の対応
する部分(すなわち、全検出領域の一部)を見る。粒子
から散乱された光が、全検出領域の特定の素子のモニタ
される部分内の全ての空気分子により発生された拡散分
子散乱の背景とともに、1個の素子の上に明るい像とし
て再び結像される。 したがって、アレイに用いられている素子の数だけ、
背景分子散乱の量が減少させられる。ショットノイズで
説明されるノイズ源以外の光ノイズ源に対しては、アレ
イの素子の数に比例してノイズを直接減少させることも
できる。ショットノイズ源の場合には、ノイズはアレイ
素子の数の平方根に比例して減少する。 本発明に用いられる独立した光検出器の数はN個であ
るから、各光検出器からの電気信号出力を個々に質問し
て、粒子像がいずれか1個の光検出器により観察された
時を決定せねばならない。 第7図は、光検出器ユニット33を形成する複数の光検
出器34を示す。光検出器は、並列処理器35の異なる信号
処理回路41へ接続される。更に詳しくいえば、各光検出
器34は、各信号処理回路41内の前置増幅器42へ接続され
る(各前置増幅器の出力端子と負入力端子の間に帰還抵
抗器43が接続される)。各信号処理回路41は、比較器44
と、ピーク格納素子(サンプルおよびホールド回路)46
も含む。 前置増幅器42は、ノイズおよび粒子に関連する増幅さ
れた電気信号を発生する。その信号は、関連する比較器
44へ結合される。その比較器のしきい値レベルは、検出
可能な最小粒子寸法の信号ピーク振幅に設定される。比
較器の出力は、制御論理器48により一緒に論理和を取ら
れる。その制御論理器48は、タイミングを取る目的、お
よび検出可能な最小寸法の粒子が検出されたことを指示
する目的で、粒子の走行時間パルスを生ずる。 検出可能な最小寸法より大きい粒子の場合には、寸法
の分解が希望の分解能に依存する。例えば、単一寸法チ
ャネル内で0.1ミクロンより大きい全ての粒子の単純な
カウントが望ましいとすると、信号処理回路61を制御論
理器48と組合わせて用いることができるだけである。 高分解能多チャネル用(例えば、0.1ミクロン〜0.2ミ
クロンの10チャネルで、0.01ミクロンの分解能を望む場
合)では、各光検出器のピーク振幅を処理前に個々に格
納する必要がある。そのように高い分解能(例えば、第
2のしきい値が0.11ミクロン)のためには、各前置増幅
器42からの出力がそれに関連するピーク格納素子(サン
プルおよびホールド回路)46へ結合される。サンプルお
よびホールド回路46に格納されているピーク振幅は、変
換器ユニット37により個々に呼出される。その変換器ユ
ニットは、制御論理器48と走査A/D変換器49を含む。 低分解能多チャネル用では、前置増幅器42からの各出
力を関連する抵抗器50を通って分析器ユニット36の加算
増幅器52(この増幅器の出力端子と負入力端子の間に
は、帰還抵抗器が接続されている)へ結合させるだけ
で、前置増幅器42の全ての出力を加え合わせるのに十分
である。分析器ユニット36は、加算増幅器52からの出力
を受ける通常のパルス高分析器54も含む。そのような低
分解能用途は、加え合わされたノイズが、使用する第2
のしきい値レベルを超えるピーク振幅より依然として小
さいように、第2のしきい値レベルが第1のしきい値レ
ベルより十分に高いことを意味する。例えば、第2のし
きい値が0.2ミクロンであるとすると、それは0.1ミクロ
ンのしきい値よりも約40倍高く、加え合わされたノイズ
はそのように高いしきい値より遥かに小さい。 したがって、各信号処理回路は、それに関連する光検
出器とともに、粒子がいつ生じたか、および散乱事象の
大きさを決定する。像が境界にあったり、僅かにピンボ
ケの場合には、散乱事象は2つの素子の間で分けること
ができる。 次に動作を説明する。 レーザビームが検出領域へ向けて照射され、粒子を含
んでいるガスが、少くとも約0.028立方m/分の流量を含
むことができる流量で、検出領域を通って流される。そ
うすると、検出領域内の粒子が光を散乱させる。その光
の散乱は、少くとも0.1ミクロンまでの直径の粒子によ
りひき起されるものであって、それより大きい直径の粒
子は光検出器アレイにより検出できる。光検出器アレイ
の各光検出器は検出領域の所定の部分をモニタし、その
部分における検出可能な光散乱を検出して、その検出し
た光散乱を示す電気出力信を(背景ノイズにより発生さ
れた信号とともに)発生する。それらの電気出力信号は
並列処理され、高分解能を達成するためにはピーク振幅
が格納される(あるいは、低分解能のためには、それら
の出力信号は加え合わされてから分析される)。高分解
能の読出しを行うためには、格納されたピーク振幅を後
で個々に読出してから、デジタル出力に変換する。 本発明の一実施例においては、0.02832立方m/分の流
量で表される高い分子散乱の環境において、0.1ミクロ
ンの粒子寸法感度が達成された。 〔発明の効果〕 以上述べたように、分子散乱背景によると必要とされ
るノイズ減少を行うために、光検出器アレイを用いるこ
とにより、高い分子散乱の環境において高い感度を達成
できる改良した粒子寸法検出装置が本発明により得られ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は、米国連邦規格209(FS209)に規定されている
区分系および寸法−濃度範囲にしたがう粒子寸法分布カ
ーブを示すグラフ、第2図は、FS209の現在検討されて
いる改訂案にしたがう粒子寸法分布カーブを示すグラ
フ、第3図は、VLSI工業のために現在建設されているク
リーンルーム内で測定された実際のカウントデータを示
す粒子寸法分布カーブを示すグラフ、第4A図は、検出領
域を設定するために用いられる円形の流れ横断面を示す
部分概念図、第4B図は、検出領域を設定するために用い
られる長方形の流れ横断面を示す部分概念図、第5図
は、開放空胴レーザおよび本発明の装置を有する粒子寸
法測定装置の簡略化した概略側面断面図、第6図は、結
像装置を通じて検出領域をモニタするための光検出器ユ
ニットの位置ぎめを本発明にしたがって行う様子を示す
断面図、第7図は、本発明の電子信号処理を示す簡略化
したブロック回路図である。 29……結像装置、33……光結合器ユニット、34……光検
出器、35……並列処理器、36……分析器ユニット、37…
…変換器ユニット、39……光検出器、41……信号処理回
路、44……比較器、46……ピーク振幅格納素子、48……
制御論理器、52……加算増幅器、54……パルス高分析
器。
区分系および寸法−濃度範囲にしたがう粒子寸法分布カ
ーブを示すグラフ、第2図は、FS209の現在検討されて
いる改訂案にしたがう粒子寸法分布カーブを示すグラ
フ、第3図は、VLSI工業のために現在建設されているク
リーンルーム内で測定された実際のカウントデータを示
す粒子寸法分布カーブを示すグラフ、第4A図は、検出領
域を設定するために用いられる円形の流れ横断面を示す
部分概念図、第4B図は、検出領域を設定するために用い
られる長方形の流れ横断面を示す部分概念図、第5図
は、開放空胴レーザおよび本発明の装置を有する粒子寸
法測定装置の簡略化した概略側面断面図、第6図は、結
像装置を通じて検出領域をモニタするための光検出器ユ
ニットの位置ぎめを本発明にしたがって行う様子を示す
断面図、第7図は、本発明の電子信号処理を示す簡略化
したブロック回路図である。 29……結像装置、33……光結合器ユニット、34……光検
出器、35……並列処理器、36……分析器ユニット、37…
…変換器ユニット、39……光検出器、41……信号処理回
路、44……比較器、46……ピーク振幅格納素子、48……
制御論理器、52……加算増幅器、54……パルス高分析
器。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 1.照明された感知領域を通過するガスと粒子との混合
物を有し、前記感知領域で粒子によって光が散乱させら
れる粒子寸法検出装置であって、前記感知領域において
は検出および処理手段が、少なくとも0.1ミクロンおよ
びそれ以上の直径を持つ粒子の検出および指示を行い、
高い分子散乱背景は高流量、高圧、および大きなガス分
子の少なくとも1つによって前記感知領域で生じる分子
散乱からの背景光により生じる、前記感知領域で0.1ミ
クロンの粒子により散乱した光を超えるノイズを含むも
のにおいて、 前記検出および処理手段は複数の検出器を有し、 これらの検出器は、それぞれ前記感知領域の異なる所定
部分を監視して、前記感知領域全体内で生じる分子散乱
からの背景光による前記ノイズの部分を受信し、かつ前
記感知領域内で生じる分子散乱からの背景光による前記
ノイズに対して、前記複数の検出器の各々により受信さ
れた前記ノイズの部分が充分に減少したレベルになるよ
うに前記検出器の数が選ばれており、 これにより少なくとも0.1ミクロンおよびそれより大き
い直径を有する前記感知領域全体内の粒子により散乱さ
れた光の検出および処理ができるようにして、前記検出
および処理手段が前記感知領域内で感知される粒子の存
在を示す電気信号出力を提供しうるようにした粒子寸法
検出装置。 2.特許請求の範囲第1項記載の装置において、 前記第1の手段により、その第1の手段を流れるガスと
粒子との前記混合物を少くとも約0.028立方m/分(1立
方フィート/分)の流量で流すことができることを特徴
とする粒子寸法検出装置。 3.特許請求の範囲第1項ないし第2項の何れかに記載
の装置において、 前記第1の手段は、ほぼ直円筒形の導管の1本を前記検
出領域に隣接して含むことを特徴とする粒子寸法検出装
置。 4.特許請求の範囲第1項ないし第3項の何れかに記載
の装置において、 前記第2の手段は、前記検出領域を照射するためにレー
ザビームを前記検出領域に向けるレーザ装置を含む ことを特徴とする粒子寸法検出装置。 5.特許請求の範囲第1項ないし第4項の何れかに記載
の装置において、 前記検出処理手段は、複数の検出器を含み、これら検出
器の各々は前記検出領域の種々の所定部分を監視する ことを特徴とする粒子寸法検出装置。 6.特許請求の範囲第5項記載の装置において、 前記複数の検出器は検出器の直線アレイを含み、 前記検出処理手段は、前記検出器と前記検出領域の間に
位置させられる映像発生手段を含み、 各検出器直線アレイはほぼ長方形であって、前記映像発
生手段を介してほぼ長方形の部分を前記検出領域の前記
所定の部分として検出する ことを特徴とする粒子寸法検出装置。 7.特許請求の範囲第5項または第6項記載の装置にお
いて、 前記検出処理手段は複数の処理回路を含む並列プロセッ
サであり、 前記処理回路の各々は、前記複数の検出器のうちの異な
る1つに接続されて、それからの電気信号出力を別々に
処理する ことを特徴とする粒子寸法検出装置。 8.特許請求の範囲第7項記載の装置において、 前記処理回路の各々は、増幅器手段と、この増幅器手段
から出力を受けるために接続されたピーク格納手段とを
含み、 前記検出処理手段は変換手段を含み、この変換手段は前
記各ピーク格納手段から出力を受け、それらの出力に応
答して前記全体の検出領域内で検出された粒子を示す前
記出力を生ずるために、前記各ピーク格納手段へ接続さ
れる ことを特徴とする粒子寸法検出装置。 9.特許請求の範囲第8項記載の装置において、 前記処理回路の各々は、前記増幅器手段から出力を受け
るために接続された比較器手段を含み、 前記変換手段は、前記ピーク格納手段から出力を受ける
ために接続された走査アナログ−デジタル(A−D)変
換器と、前記比較器手段から出力を受けるために接続さ
れた制御論理手段とを含み、その制御論理手段は、前記
ピーク格納手段からの出力の前記A−D変換器への結合
を制御するために、前記ピーク格納手段と前記走査A−
D変換器にも接続される ことを特徴とする粒子寸法検出装置。 10.特許請求の範囲第7項ないし第9項の何れかに記
載の装置において、 前記検出処理手段は、加算手段と前記検出領域内で検出
された粒子のうち0.1ミクロンより大きい所定の粒子直
径を有する粒子の指示を行う分析器手段とを含む ことを特徴とする粒子寸法検出装置。 11.特許請求の範囲第8項ないし第10項の何れかに記
載の装置において、 前記ピーク格納手段の各々は、サンプル・ホールド回路
である ことを特徴とする粒子寸法検出装置。 12.特許請求の範囲第10項記載の装置において、 前記加算手段は加算増幅器であり、 前記分析器手段は、検出した粒子のうち0.1ミクロンよ
り大きい所定の粒子直径を有する粒子の出力を与えるパ
ルス高分析器である ことを特徴とする粒子寸法検出装置。
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