JPH01292235A - 流体検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、半導体素子及びその他の超小型電子技術デバ
イスの製造に使用されるプロセス流体等の検査装置等に
関し、特に、干渉光測定による流体の粒子の検査装置等
に関する。さらに具体的には、泡や粒子など流体中の局
所的屈折率変動源すなわち物体中を通過する光の位相シ
フトを検出及び分析して、その物体の特徴と大きさを決
定する装置等に関する。

Ｂ、従来技術 半導体素子及びその他の超小型電子技術デバイスを製造
する際に、汚染物質の管理が、プロセス変数になりつつ
ある。パーティクル汚染物質により半導体大量製造の歩
留りの損失の半分以上が引き起こされる。この損失のか
なりの部分は、ウェハに接触する溶剤、酸、塩基、プロ
セス・ガスなどの化学薬品による。こうした流体中の汚
染物質濃度は、通常クリーン・ルームの空気中より３桁
以上大きく、次世代のクリーン・ルームの空気中より６
桁以上大きい。

液体と気体の両方を含めて、プロセス流体を検査するの
に現在使用されている監視技術は、本発明によって克服
されることになるいくつかの大きな欠点を持つ。現在入
手可能な装置は、プロセス液体中の気泡と粒子を区別す
るととができない。

これらの装置は、その流体の屈折率に近い屈折率をもつ
パーティクルを検出することができない。

また、現在入手可能な装置の容積スループットは、パー
ティクル・サイズのしきい値が減少するにつれて急激に
低下する。さらに、これらの装置は、パーティクルを検
出するための１７１０の基本原理限界まで拡張できなか
った。１／１０の基本原理限界とは、たとえば１ミクロ
ンの範囲のデバイスを製造するとき、その範囲の１／１
０すなわち０．１ミクロンのサイズの汚染物質が検出可
能でなければならないことを言う。

パーティクルから散乱される光を測定して粒子を検出す
ることは周知である。この技術は、光の波長と同じほど
小さな直径をもつサイズのパーティクルに有効である。

そのとき、パーティクルは粒径の６乗に比例して変化す
る特徴的なレイリー散乱断面を示す。したがって、小さ
なパーティクルは測定が難しくなる。パーティクル・サ
イズの感度を２倍にするには、散乱光検出感度を６４倍
に高めることが必要になる。

パーティクル・サイズ感度を改善するための他の方法は
、パーティクルを位相物体と考え、波面に対するパーテ
ィクルの効果を測定することである。干渉計の１つのア
ームにパーティクルを置くと、望ましい測定が実現され
る。他の技術、好ましい方法は、下記で記載するように
明視野分析を使用することである。暗視野分析が、散乱
光の位相シフトを測定するもう一つの技術である。

Ｃ０開示の概要 本発明によると、光の位相シフトの検出と分析により気
泡とパーティクルの区別が可能になる。

好ましい方法を用いると、気泡とパーティクルの検出信
号が１８０度位相が外れるので、流体中の物体を気泡ま
たはパーティクルとして分類することが可能になること
が認められた。さらに、検出信号の信号分析により、パ
ーティクルのサイズと形式、すなわち、金属、誘電体、
バクテリアなどの区別が可能になる。

従来の監視技術は、その感度がジョンソン・ノイズによ
って制限されている。本発明は、ジョンソン・ノイズに
よる制限を取り除き、光線のシ鱈ット・ノイズだけによ
って制限された感度をもたらす。

本発明では、位相シフトは、パーティクルの前方から、
すなわち、入射光とほぼ同じ方向から測定される。しか
し、入射光が流体中の物体の位置に集束されることが必
須であり、そうでない場合は、物体が検出されない。入
射光が流体中の物体すなわち局所屈折率変動源に遭遇す
ると、その物体を通過するとき速度が変わる。速度の大
きさと増減は、物体の特性とサイズに依存する。速度の
変化により光線の位相がシフトする。

したがって、本発明の主目的は、物体に遭遇した光の位
相シフトの検出と分析により、流体が物体を含むかを検
査する方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、パーティクルに遭遇した光の位相
シフトを検出し分析するための粒子監視装置を提供する
ことにある。

本発明の他の目的は、同じ光路に沿って流体中のサンプ
ル・ボリューム以外のどこかに移動する２本の光線を提
供することにある。

Ｄ、実施例 第１図には、干渉計パーティクル（粒子）検出器が概略
的に示されている。レーザ１０は、ビーム・スプリッタ
１４に光線１２を送り、そこで光線がサンプル光線１６
と基準光線１８に分割される。サンプル光線１６は、対
物レンズ２０を通って進み、干渉計の１つのアームで検
出される散乱体またはパーティクル（粒子）２２にぶつ
かる。

入射光線は、パーティクルにより、破線で示すように光
線２４を含めてすべての方向に散乱される。

光線２４は、レンズ２０を通ってビーム・スプリッタ１
４に戻り、そこで反射されて検出器２６に向かう散乱光
の一部である。

基準光線工８は、ビーム・スプリッタ１４から、干渉計
の他のアームに位置する鏡または反射鏡２８に向かい、
そこで、破線３０の経路に沿ってビーム・スプリッタ１
４で反射されて検出器２６に向かう。検出器２６は、光
検出器でも、光電子増倍管でも、また基準光線とサンプ
ル光線を受は取り、導体３２に沿って反射光２４の強度
、すなわちパーティクル２２の体積に比例する出力信号
を供給する当分野で周知の他の検出器でもよい。

第１図に示した構成では、サンプル光線だけが散乱体を
含む流体に進み、基準信号は全く異なる経路を通る。そ
の結果、パーティクルが１０マイクロ秒以上光線中にあ
る場合、比較的低いＳ／Ｎ比を示す信号が導体３２中を
流れる。

本発明は、検査しようとする流体中に２本の平行な光線
を送ることに関する。２本の平行光線は、流体に入る前
は互いにコヒーレントであす、異なる偏光をもち、横方
向にずれ、光線軸に垂直な焦面で流体に集束される。光
線は、真空中の波長に流体の屈折率を掛け、焦面に中心
合せされた光学装置の開口数の２乗の２倍で割った値に
等しい焦点深度をもつ。２本の光線は、焦点深度より大
きな距離を置いて焦面を通過した後、少なくとも１つの
検出器でコヒーレントに干渉される。コヒーレント干渉
とは、２本の光線を検出器の所でほぼ同軸にすることを
言う。検出器で各光線の位相差に比例する信号が生成さ
れる。続いて生成された信号に基づいて信号分析が行な
われ、流体中で検出された物体の特性が決定される。物
体が検出されない場合、２本の光線の位相シフトの差が
ほぼゼロになる。

第２図は、本発明を実施するための好ましい実施例の概
略図である。レーザ４０は、単一ＧａＡｓレーザのアレ
イとすることが好ましいが、ＨｅＮｅ１アルゴン・イオ
ン、クリプトン、パルス、ＣＷさらには赤外レーザなど
他の形式のレーザもうまく機能する。レーザ４０は、光
線拡大器４２と四分の一波長板４４を通してレーザ・エ
ネルギー光線を送る。次いで、光線は市販のノマルスキ
一対物レンズ４６に入り、そこで入射円偏光エネルギー
光線が２本の光線に分割される。１本の光線は紙面に垂
直な方向に偏光され、もう１本の光線は第１の光線と直
交する方向に偏光される。

２本の光線は、光軸が互いに横方向のずれだけずれてお
り、流体セル４８に入る。レンズ４６は、光線の腰部（
くびれ部）すなわち焦点が液体流動セル中で光線の軸に
垂直な平面内にくるように配置される。

動作に当たっては、監視される流体が流体セル４８中を
流れ、そこで２重光線が流体を横切って、流体中の気泡
やパーティタルなどの物体と相互作用する。両方のスポ
ット光線の焦点領域を通過するように流体を流して、ノ
イズの存在下でも検出できる双極性信号をもたらすこと
もできる。

流体セル４８を横切った後、２本の直交方向に偏光され
た光線はもう一つのノマルスキー・レンズ５０を通過し
て、そこで２本の光線が再結合されて単一の円偏光光線
になる。次いで、光線が市販のウォラストン・プリズム
５２に入り、そこで２本の光線に分かれる。一方はプラ
ス４５度、もう一方はマイナス４５度で、２本の光線の
偏光方向は互いに直交する。各光線を、当該の光ダイオ
ード５４．５Ｂまたはそれと等価な検出器で受ける。

図の検出回路は差動光ダイオード５４と５６を使って、
増幅器６６によってもたらされる共通モード拒絶により
レーザ・ノイズを打ち消す。

検出回路をより良く理解できるように、時間依存係数を
除外して、ウォラストン・プリズム５２から出る２本の
光線の数学的な関係について説明する。第２図に示した
形式の明視野分析では、下式に基づいて直線偏光レーザ
光線が生成される。

ただし、Ｘはｙ軸に沿った偏光で、ｙはｙ軸に沿った偏
光、Ｅｉは入射エネルギー光線である。

四分の一波長板４４を通過した後の円偏光エネルギー光
線は下式で表わされる。

第１のノマルスキ一対物レンズ４日は、入り円偏光光線
を流体セル４８の焦点領域で互いに直交する直線偏光の
２つのスポットに分割し、第２のノマルスキ一対物レン
ズ５０は、下式に従ってその２本の光線を再結合して単
一の円偏光光線にする。

ただし、Δφ１はその対物レンズと相互作用した光線の
位相シフトを示す。

ウォラストン・プリズム５２を通過した後、下式に基づ
いて２本の光線が形成される。

Ｅｌ；−Ｅｉ（１＋　ｅｘｐ［ｉ　ｙｒ／２　＋　ｉΔ
φ°］）当業者には明らかなように、これら２本の光線
ＥｓとＦ２を従来の示差分析によって検出し測定する場
合、位相シフト情報は無効になり後の分析に利用できな
い。

したがって、本発明によると、光ダイオード５４．５６
など電界を検出する際に非線形の検出器では、受は取っ
た電界信号を２乗する。２乗された信号は当該のＲ−Ｃ
回路を通過する。１つの回路は光ダイオード５４に接続
された抵抗器５８とキャパシタ６０を含み、・キャパシ
タ６０の他端は分離増幅器６８の１つの入力端に接続さ
れる。抵抗器５８の他端は負電圧に接続される。光ダイ
オード５４のアノードは接地される。同様に、光ダイオ
ード５６のカソードは抵抗器６２の一端とキャパシタ６
４の一端に接続される。抵抗器６２の他端は負電圧に接
続される。キャパシタ６４の他端は分離増幅器６６の他
方の入力端に接続される。

光ダイオード５６のアノードは接地される。増幅器６６
の出力は、下式に示すような、散乱エネルギー光線の位
相シフトに比例する信号を含む。

Ｓｂｒ”　Ｉ　Ｆ　１１２−　Ｉ　Ｆ２　Ｉ　２　　　
またはＳｂｒ”　Ｐ　ｓ　ｉ　ｎ　（Δφ１）＃△φま
ただし、Ｐは入射レーザ光線の出力を表わす。このシス
テムの較正は、Ｐ／２に等しい各光ダイオードの出力を
測定することによって行なう。

当業者には明らかなことだが、流体セル４８に入った２
本の光線は、どちらも流体セル内を除いてレーザ４０か
ら始まる同一の光路を通る。同じ経路を通るため、これ
までに既知のシステムより大きなノイズ排除効果が実現
される。

好ましい実施例では、Ｓ／Ｎ比が改良され、シロ、ト・
ノイズだけに限られた性能を得る難しさが軽減されるの
で、ホモダイン干渉計、すなわち、サンプル光線と基準
光線が同じ波長である干渉計を使用する。ホモダイン・
システムとヘテロダイン・システムの違いが出るのは、
上方または下方側波帯信号の一方だけがヘテロゲイン・
システムで検出される場合である。

別の実施例では、ヘテロゲイン干渉計を使って、第１図
に示すような暗視野構成またはマイケルソン・システム
を作成する。すなわち、サンプル光線と基準光線は異な
る波長をもつ。こうした構成を用いるさ、干渉計の２つ
のアームを異なる経路長にすることができる。

以上、導体６８で検出信号を獲得する方法と装置を説明
したが、次に信号の分析を行なって流体中の物体の特性
を決定しなければならない。第３図と第４図に、それぞ
れ光ダイオード５４と５６で検出された信号の波形を示
す。点線は流体セルで検出された気泡を表わす。実線は
パーティクルを表わす。破線は他のパーティクルを表わ
す。気泡の位相は、固体粒子など周りの流体より大きな
屈折率をもつパーティクルの位相とは逆であることが認
められる。信号の振幅は、パーティクルのサイズまたは
金属、誘電体、バクテリアなどの種類を示す。各種類の
パーティクルはそれを特徴づける信号のサインをもつ。

第３図と第４図に示した信号は同じ周波数であるが、光
線の直径より大きい物体は異なる周波数の信号を生成す
る。

信号分析を行なうため、増幅器６６を含む検出回路を、
第３図と第４図に示したような２つの検出信号の差信号
を供給するように構成する。その結果、正または負の初
期勾配をもつ測定及び検出の容易な双極信号が得られる
。こうした情報を用いてパルス分析器で、気泡か固体粒
子か、及びそれぞれの概略寸法を検出することができる
。

当業者には周知のように、もう一つの分析方法は、第３
図と第４図に示す信号の和を与えるように、増幅器６６
を含む検出回路を構成するものである。実験によると、
誘電性粒子が検出された場合、得られる和信号は第５図
に示すような平坦な曲線となる。金属粒子が検出された
場合、和信号は通常、第６図に示すような凹みを示す。

上記の分析及びその他の分析を実行するために、増幅器
６６の再構成に加えて、導体６８を流れる出力信号をア
ナログ・ディジタル変換器７０でディジタル信号に変換
する。当業者には周知のように、次に変換器７０の出力
を信号分析のためパルス分析器に送る。パルス分析器は
、ピーク振幅、周波数、勾配など波形の特性を測定する
ことができ、信号の変形分析を行なうこともできる。対
称性、正及び負のローブ数、ローブの間隔など出力波形
の特徴を分析することにより、検出された散乱体の速度
と軌跡の位置が焦点領域に関して計算できる。こうした
装置は、信号処理及び分析の技術の当業者には周知であ
る。

監視検出システムのもう一つの要件は、所定のサイズよ
り大きな流体の中の物体が所定の量以上あるかどうか決
定する能力である。この機能を実現するため、可変閾値
検出器７２を増幅器６８の出力端に接続する。所定のサ
イズより大きなサイズの粒子が検出されると、パルスが
導体７４を通ってカウンタ７６に送られる。カウンタの
カウントがリセットされるまでの事前設定された時間中
に所定の量を超えると、警告信号が導体７８を介して供
給される。

本システムのもう一つの利点は、感度がジョンソン・ノ
イズではなくショット・ノイズによってものである。左
から始まる曲線の第１の部分は、周知のショット・ノイ
ズ制限曲線で、パーティクル・サイズの８乗に比例して
いる。屈曲部分８２の後はジョンソン・ノイズ制限曲線
で、粒子サイズの１２乗に比例している。本発明を使用
した実験の結果によると、感度は、屈曲部分８２の後で
破線により密接に追従する。すなわち、このシステムは
ショット・ノイズ制限型であり、ジョンソン・ノイズ制
限の効果はない。

この監視検出システムの用途の一つは、半導体加ニジス
テム中の流体フィルタが適切に機能しているかどうかを
決定することである。検出されたパーティクルの量また
は検出されたパーティクルの大きさが増加すると、流体
の流れを止めて、フィルタとラインを検査し、問題点を
矯正することができる。また、分析器が処理流体中にバ
クテリアその他の望ましくないパーティクルを検出した
場合、流体の流れを止めて原因を突きとめて矯正してか
ら製造を再開し、歩留りを高めることができる。

本発明は、流体中のパーティクルと気泡を区別し、流体
の屈折率に近い屈折率をもつ物体を検出し、物体の検出
装置の感度を１／１ｏの基本原理限界にまで拡張するこ
とができる。

Ｅ０発明の効果 上述のように本発明によれば、高感度の流体検査装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、周知の干渉計光線粒子検出器の概略図である
。 第２図は、本発明の好ましい実施例の概略図である。 第３図は、２つの検出信号の一方の波形を示すグラフで
ある。 第４図は、他方の検出信号の波形を示すグラフである。 第５図は、粒子が誘電体である場合の、第３図と第４図
の信号の和のグラフである。 第６図は、パーティクルが金属である場合の、第３図と
第４図の信号の和のグラフである。 第７図は、流量と感度の関係を示すグラフである。 １０・・・・レーザ、１４・・・・ビーム・スプリッタ
、１６・・・・サンプル光線、１８・・・・基準光線、
２２拳・・−パーティクル。 出願人　　インターナシ日ナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーシロン 代理人　　弁理士　　山　　本　　仁　　朗（外１名） ｃ″Ｊ　　トな

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）互いにコヒーレントであり、異なる偏光をもち、
   横方向にずれ、光線軸に垂直な焦面で検査しようとする
   流体に集束されるような２本の平行な光線を前記検査し
   ようとする流体に送る第１の手段と、 焦面を通過した後に焦点深度より大きな距離に置かれた
   光検知手段において前記光線をコヒーレント干渉させる
   第２の手段と、 前記光検知手段における前記光線間の位相差に応じた信
   号を発生する第３の手段と、 を備えた流体検査装置。
2. （２）請求項（１）に記載の装置において、前記位相差
   に応じた信号により流体中含まれる汚染粒子の種類を分
   析する分析手段をさらに備えた流体検査装置。