JPH02193042A - 粒子寸法検出装置に使用するための粒子検出装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は粒子寸法検出装置に使用するための粒子検出装
置に係り、更に詳しくいえば光散乱を用いる粒子寸法検
出装置に使用するための粒子検出装置に関するものであ
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（たとえば米国特許第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４，５７１．０７
９号明細書および第４，５９４．７１５号明細書に開示
されている。

開放空胴レーザを用いた吸光（ｅｘｔ　Ｉ　ｎｅｔ　ｔ
ｏｎ）粒子の寸法測定における工夫（ｒｅｒｉｆｌｅｌ
ｅｎｔｓ）は、ＲｌＧ、　Ｋｎｏｌｌｅｎｂｅｒｙ　　
とＢ、　５ｃｈｕｓｔｅｒによって、ｒＤｅｔｅｅｔｉ
ｏｎ　ａｎｄ　Ｓｌｚｉｎｇ　ｏｆ　Ｓｍａｌｌ　Ｐａ
ｒｔｉｃｌｅｓｅＩｎ　ｏｐｅｎ　Ｃａｖｉｔｙ　（ａ
ｓ　Ｌａ５ｅｒｓ　Ｊ　　（＾ｐｐｌｉｅｄ　ｏｐｔｉ
ｃｓ。

ｖｅｌｕｓ　１１．　ｋ　７．１１月、　　１９７２年
、ｐ１５１５〜１５２０）に記述されている。

開放空胴レーザ装置において光散乱を利用した極微粒子
寸法測定装置もまた、Ｒ，Ｇ。

Ｋｎｏｌ　１ｅｎｂｅｒｙによって、ｒＡｎ　Ａｃｔｌ
ｖｅ　ＳｃａｔｔｅｒｉｎｇＡｅｒｏｓｏｌ　Ｓｐｅｃ
ｔｒｏｍｅｔｅｒＪ　　（＾ｔｍｏｓｐｈｅｒ１ｃＴｅ
ｃｈｎｏｌｏｇｙ、　ＮｕＩｌｂｂｅｒ　２．８月、　
　１９７３．　ｐ８０〜８１）に記載されている。工夫
は、Ｒ，Ｇ、　Ｋｎｏｌｌｅｎｂｅｒｙによって、ｒＡ
ｃｔｌｖｅ　Ｓｃａｔｔｅｖｌｎｇ　ＡｅｒｏｓｏｌＳ
ｐｅｅｌｒｏｍｅｔｒｙＪ　　（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｂ
ｕｒｅａｕ　ｏｌ’　５ｔａｎｄａｒｄｓＳｐｅｃｉａ
ｌ　　Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ　４１２．　１１月、　
　１９７４年、ｐ５７〜６４）に記述され、さらに、Ｒ
，Ｈ，Ｌｕｅｈｒによって、ｒｏｐｅｎ　Ｃａｖｉｔｙ
　Ｌａ５ｅｒ　Ａｃｔｉｖｅ　ＳｃａｔｔｅｒｉｎｇＰ
ａｒｌｔｌｃｌｅ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍ、ｅｔｒｙ　ｆ’
ｒｏｍ　０．０５　ｔ。

５Ｍ１ｃｒｏｎｓＪ　　（Ｆｉｎｅ　Ｐａｒｔｌｃｌｅ
ｓ、　ＡｅｒｏｓｏｌＧｅｎｅｒａｔｌｏｒｔ　ｍｅｓ
ｕｒｅＩＩｌｅｎｔｓ、　Ｓａｍｐｌｉｎｇ　ａｎｄＡ
ｎａｌｙｓｌｓ、　ＢｅｎｊａＩＩｌｌｎＹ、　Ｉｌ、
　Ｌｉｖ編集、ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ、　５月、
　１９７５．　ｐ６６９〜［１９６）に記述され、ｌ？
。

Ｇ、　Ｋｎｏｌｌｅｎｂｃｒｙによって、ｒＴｈｒｃｅ
　ＮｅｗＩｎｓｔｒｕＩｌｅｎｔｓ　ｆｏｒ　Ｃ１ｏｕ
ｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ：Ｔ
ｈｅ　２−Ｄ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ、　ｔｈｅ　
Ｐｏｒｖａｖｄ　Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏ
ＩＩｅｔｅｒ　Ｐｒｏｂｅ、ａｎｄ　ｔｈｅ　Ａｃｔｉ
ｖｅ　ＳｃａｔｔｅｒｉｎｇＡｅｒｏｓｏｌ　５ｐｅｃ
ｔｒｏａ＋ｅｔｅｒ　　（Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｍｅｔｅ
ｒｏｌｏｇｉ−ｃａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ、　Ｉｎｔｅｒ
ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎ（’ｅｒｅｎｃｅ　ｏｎＣＩ
ｏｕｄ、Ｐｈｙｓｌｃｓ、　７月、　１９７８年、ｐ５
５４〜５［）に記述され、Ｒ，Ｇ、　Ｋｎｏｌｌｅｎｂ
ｅｒｇによって−［ＴＩ＋ｅＵｓｅ　ｏｆ　Ｌｏｗ　Ｐ
ｏｗｅｒ　Ｌａ５ｅｒｓ　　ｉｎ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　
ＳｌｚｅＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙＪ　　（Ｐｒｏｃｅ
ｅｄｉｎｇ　ｏｆ’　ｔｈｅ　５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｒｐ
ｈｏｘｏ−ｏｐｔｌｃａｌ　　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａ
ｔｌｏｎ　Ｅｎｇｌｎｃｅｒ：Ｐｒａｃｔｌｃａｌ　　
Ａｐｐｌｉｃａｔｌｏｎｓ　ｏｆ　Ｌｏｖ　Ｐｏｗｅｒ
　Ｌａ５ｅｒｓ。

ｖｏｌｕｍｅ　９２．８月、　１９７６年、　ｐ１３７
〜１５２　）に記述され、Ｒ，Ｇ、　Ｋｎｏｌｌｅｎｂ
ｅｒｇによって、ｒｌｎ　５ＩＬｕＯｐｔｉｃａｌ　　
Ｐａｒｔｌｅｌｅ　！１ｌｉｌｚｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍ
ｅｎｔｓ　　１ｎＬｌｑｕｌｄ　ＭｅｄｉａＪ　　（Ｐ
ｒｅｓｅｎｔｅｄ　ＡＴ　Ｓｅｍ１ｅｏｎｄｕｃＬｏｒ
Ｐｕｒｅｖａｔｅｒ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、　　Ｐａ
１ｏ　Ａｌｔｏ、　Ｃａ１ｌｆ’ｏｒｎｌａ。

１月１３〜１４日、　１９８３年）に記述され、Ｒ，Ｇ
。

Ｋｎｏｔ　Ｉｅｎｂｅｒｇによって、ｒＴｈｅ　Ｍｅａ
ｓｕｒｅｍｅｎＬ　ｏｆ’Ｐａｒｔｉｃｌｅ　５１ｚｅ
ｓ　Ｂｅｌｏｗ　Ｏ，５ＭＩｃｒｏｍｅｔｅｒｓＪ（Ｊ
ｏｕｎａｌ　ｏｆ　　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　５ｃｉ
ｅｎｃｅ、　１月２２月。

１９８５）に記述されている。

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。たとえば、米国特許節３，９４１．
９８２号明細書を参照されたい。並列処理による検出器
アレイを用いた高感度粒子寸法検出装置は米国特許出願
第８５１４７７号に示されており、また、カリホルニア
州すンホセにおいて１９８７年５月に行われた「プロシ
ーデインゲス・オブ・インスティテユートφオブ・エン
バイロンメンタルーサイエンシス（Ｐｒｏｃｅｅｄ−１
ｏｇｓ　ｏｆ’　Ｉｎ５ｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｖｌ
ｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ）Ｊ学会における
クノーレンベルクの文献［高分子散乱における高感度粒
子寸法決定法（Ｓｉｚｉｎｇ　Ｐａｒｔ−１ｃｌｅｓ　
Ａｔ　Ｈｉｇｈ　５ｅｎｓｌｉｉｖｊｔｙ　ｌ＋Ｈｉｇ
ｈ　Ｍｏ１ｅｃｕｌａｒ　Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇεｎｖ
ｉｒｏｎｍｅｎｔｓ）　Ｊにも示されている。

粒子ａ１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、たと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、はとんど全ての電子装置用としてはクラ
ス１００またはクラス１０００の標準的なりリーンルー
ムで十分すぎるほどであった。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効果となった
。

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。たとえば、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
しあげ続けてきた。はるかに高い規格が、はるかに低い
汚染レベルを達成する濾過の改善はもちろん、ＶＬＳＩ
の製造の＝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ほとんどの試料
流量は０．０２８ｒｄ／分（１立方フイ一ト／分（ｃｆ
ｍ））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、感度が０．’５μ（０，５Ｘ
１０−Ｂｍ）に限られるならば、空気試料の流量はもっ
と太き（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、適切な統計的なベースを一層容易に
得るために、空気粒子カウンタのほとんどの製作者はは
るかに小さい粒子寸法を選択している。

たとえば、Ｏ，ｌＸｌ０−６ｍ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、ｌＸｌ０
−６ｍより大きい粒子の数は、０，５Ｘ１０−Ｂｍ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、０．５Ｘ１０−’ｍ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Ｏ，ｌＸｌ０−６ｍ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、ｌＸｌ０−’ｍであるが、そ
れらの装置のいずれも０．０２８ＴＩｌ／分（ｌｃｆｍ
）の流量で標本化できず、実際にはＯ，ｌＸｌ０−６ｍ
の悪疫においては０．０２８ＴＩｌ／分（０，１ｃｆｍ
）をこ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。はとんどの場合には
ライン圧（１１ｎｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　）　　（ｌＸ
ｌ０”　ｐａ　（１５Ｐ、Ｓ、１．）まで）で７ＩｐＪ
定を行う必要がある。それらのガスのうちのいくつかは
高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、０．０２
８Ｔｒ１．／分（ｌｃｆｍ）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、高分子量の分子による散乱が起る環境に
おいては一部が失われる。そのような高感度（少くとも
直径０．　１μｍの粒子を検出するため）の環境におけ
る高感度の達成（例えばｌｃｆｍまであるいはそれを越
える高流量の達成を含む）は上記米国特許出願に示され
ており、そのような検出についてはノイズ打消回路を付
加することにより向上したことも示されている。

本発明は粒子検出装置におけるノイズ打消を可能にする
こと、特に高分子散乱状態における高感度のそのような
装置を提供することを目的とする。

分子散乱による背景ノイズは、夫々がガスおよび粒子の
混合体の流路とレーザビームとの交点に生じる全検出領
域の一部を検出して検出した粒子を示す電気出力信号を
出す複数の線形検出器を使用してそのようなノイズの低
域を行いそしてノイズ打消ユニットを介して検出領域の
隣接しない部分をモニタする検出器のすべての出力を並
列処理することにより減少する。

〔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ＶＤ　１
２０８３ドキユメント、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。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＃（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）
。図かられかるように、Ａｌ１１定する必要がある最小
の粒子は直径０．５μであり、指定されている最高のク
リーン度は３．５個／ｇ（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ユート・オブφエ
ンバイロンメンタル・サイエンス（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　５ｃｉｅｎｃｅ
）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、０．５μより小さい粒子のａ＞１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すぎないようである。実際、クラ
スル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
．３Ｘ１０−６ｍ、およびよりきれいな区域の場合には
Ｏ，ｌＸｌ０−’ｍ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、０．５Ｘ１’Ｏ
’より小さい粒子をａｌｌ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ＶＬＳ　Ｉ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。０．１×１０’ｍ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。非常にクリーンなルーム内
での粒子寸法分布は、１．０ＸＩＯ−’ｍ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
よりもはる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．ｌＸｌ０−’ｍ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、Ｆ
Ｓ２０９を第３図に示す最近のデータに従って単に外挿
したにす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０．１μ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０．０２８ｍ（１立方
フイート）まで、またはそれをこ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１１ｍ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０．０２８ＴＩｌ／分（ｌｃ
ｆｍ）における典型的な装置においては４〜５平方報に
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
た領域に近くはできず、流れの横断面が第４Ａ図に示す
ように円形であればほとん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のばされる。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ｌＸ１０−であり、集める光学装置は米国特
許箱４．５７’ｌ、０７９号および第４．５９４゜７５
１号の各明細書に示されているものに類似する。

０、ｌＸ１０−８ｍ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ワツトのパワーを発生せねば
ならない。６３３ｎｗ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ワツト可視光レーザ（たとえばアルゴンレー
ザ）も使用できる。

したがって、Ｏ，ｌＸｌ０−’ｍ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
ＴＩｉ／分（ｌｃｆｍ）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　ｒｒｒＡ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、ＩＸＩＯ−Ｂｍ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ｒＴｈｃ　　Ｔｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　Ｅｎｖｌｒ
ｏｎｇ＋ｅｎｔａｌＳｃｆｃｎｃｃｓＪ１９８５年１／
２月号所載のＲ，Ｇ、Ｋｎｏｌ　ｌｃｎｂｃｒｇのｒＴ
ｈｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ’　Ｐｅｒｔｉｅ
ｌｅ　５ｉｚｅｓ　ＢｅｌｏｗＯ，ＩＭｌｅｒｏｍｅｔ
ｅｒｓＪ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．ｌＸ１０’ｍ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、０，０２８ＴＩｌ／分（ｌｃｆｍ）装置におい
ては、分子散乱ノイズは０．１×１０’ｍ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。

分子散乱がもっと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、たとえば、分子散乱が０．１μ
粒子による散乱の１００倍をこ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、たと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。その照明装置は、第５図に示す
ように、米国特許節４．５７１，０７９号および第 ４．５９４，７１５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。わん曲した反射１１！１８（
その半径はたとえばｒ−１０００１１）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、照明の和動的な強さ
を測定する。

粒子寸法を３ｇ１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ｖ１２６　（たとえばｒ−７０ｃ
ｍ）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３
５に結合される。その並列処理器の出力を分析器３６を
介して結合して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を介して結合してデジタル粒子
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７１１ｊ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。各光検出器は並
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。

各前置増幅器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４
４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−・」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と
られる。その制御論理器４８は、タイミングをとる目的
、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。たとえば、単一寸法チ
ャネル内で０．　　Ｉ　Ｘ　１０’ｍ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。

高分解能多チヤネル用（たとえば、ｏ、１×１０〜０．
２×１０−Ｂｍの１０チヤネルで０、ＯＩＸＩＯ−６ｍ
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（たとえば、第２のしきい値が０．　１１　Ｘ　１
０−Ｂｍ）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３
７により個々に読出される。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。

低分解能多チヤネル用では、前置増幅器４２がらの各出
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こ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。たとえば、
第２のしきい値が０．２Ｘ１０−６ｍであるとすると、
それは０．　　ｌＸ１０’ｍ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
よりはるかに小さい。

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と、および散乱事象の
大きさとを決定する。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。

第７図の並列処理構成にノイズ打消回路を組込むことに
より更に検出の改善を行うことが出来ることがわかった
。

第８図に示すようにノイズ打消回路５８は複数の打消ユ
ニット６０（第８図ではユニット６０ａと６０ｂが示さ
れている）からなり、各ユニットは利用される検出ユニ
ットで検出される全領域の内の間隔をもった、すなわち
隣接しない部分をモニタする検出器からの出力を受ける
ように接続されている。

第６図に示すように、検出ユニット３３は複数の検出器
を含み、これら検出器はその夫々によりモニタされる領
域が全検出領域の一部をカバーし、従って各領域がそれ
に隣接した他のいくつかの領域を有し、これらいくつか
の領域以外の領域が間隔をもちすなわちそれに隣接しな
いように配置されている。

第８図に示すように、検出器３４ａは検出器３４ｂによ
りモニタされる領域に隣接するが検出器３４ｃによりモ
ニタされる領域からは離れている領域をモニタする。同
様に検出器３４ｂは検出器３４ｃによりモニタされる領
域に隣接するが検出器３４ｄによりモニタされる領域に
対しては離れている領域をモニタし、そして検出器３４
ｃは検出器３４ｄによりモニタされる領域に隣接する領
域をモニタする。

第８図には４個の検出器のみを示しているが、このパタ
ーンは使用されるすべての検出器についても同じであり
、離れた領域をモニタする検出器対または検出器群をノ
イズ打消のために用いることは容易である。

第８図に示すように、検出器３４ａの出力はプリアンプ
（前置増幅器）４２ａを介して打消ユニット６０ａに、
検出器３４Ｃ（検出器３４ａでモニタされる領域から離
れた領域をモニタする検出器）の出力はプリアンプ４２
ｃを介して打消ユニット６０ａに接続する。同様に、検
出器３４ｂの出力はプリアンプ４２ｂを介して打消ユニ
ット６０ｂに、検出器３４ｄ（検出器３４ｂによりモニ
タされる領域から離れた領域をモニタする検出器）の出
力はプリアンプ４２ｄを介して打消ユニット６０ｂに、
夫々接続する（打消ユニットの数は一般に使用される検
出器総数の半分である）。

打消ユニットでノイズ打消が行われた後に残りの信号が
粒子決定回路に入る。第８図に示すように、打消ユニッ
ト６０ａの出力は比較器４４ａとサンプルホールド回路
４６ａに、そして抵抗５０ｇを介して分析ユニット３６
に入り、打消ユニット６０ｂの出力は比較器４４ｂとサ
ンプルホールド回路４６ｂにそして抵抗５０ｂを介して
分析ユニット３６に入る（これらのすべては第７図につ
いて述べた）。

第９因は打消ユニット６０ｇの回路を示す（他の打消ユ
ニット６０も同じである）。図示のように検出器３４ａ
の出力はプリアンプ４２ａを介して打消ユニット６０ａ
の抵抗６２に、検出器３４ｃの出力はプリアンプ４２ｃ
を介して打消ユニット６０ａのインバータ６４に接続し
、インバータ６４の出力は抵抗６６に接続する。抵抗６
２と６６はこれら検出器の出力を加算するように接続し
、その加算出力は点６８から比較器４４ａとサンプルホ
ールド回路４６ａに、そして抵抗５０ａを介して分析ユ
ニット３６に接続する。

また第９図に示すように出力Ａ（＠出器３４ａからの）
がノイズと信号を含み、出力Ｂ（検出器３４ｃの）がノ
イズのみを含むとすれば、反転Ｂ出力（第９図の白）の
ノイズは打消ユニットで加算されてＡ出力のノイズを打
消すことになる（すなわちＡ十〇−〇）。

共通モードのノイズはビームに沿った非常に離れた（す
なわち数ミリより人）点からは相関しない。すべてのビ
ームにつき１つの問題があるがこの問題はコヒーレント
長さの小さい高次モルチモードレーザについて最も厳し
いものである。相関の度合はビーム軸に沿った空間位相
のコヒーレンスに関係するから、サンプルを近いところ
からとるとするとこのヒコーレンスは著しく改善されそ
してノイズと相関する。それ故近距離のサンプリングの
ために検出器アレイ３４を用いるとにより、そして一対
の検出器の一方の出力を反転することにより本発明によ
るノイズ打消が達成される（隣接する領域をモニタする
検出器は画像が２つの隣接する検出器間で分けられるこ
とになるから対とすることが出来ない）。

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０．０
２８ｒＩｔ／分（ｌｃｆｍ）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
Ｏ，ｌＸｌ０−’ｍ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（こおけ
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。これら電気的出力信号は並列処理さ
れ、隣接しない領域をモニタする各検出器対の出力がノ
イズ打消ユニットで合成され、その後に打消ユニットの
出力が粒子決定回路で更に処理される。

第７．８．９図の回路を用いる実際の実施例では０．１
μｍの粒子寸法感度がｌｃｆ’ｍの流量で表わされる高
分子散乱環境において達成されている。

本発明はかくして検出器アレイとノイズ打消回路を用い
て高感度を達成しうる改善された粒子寸法検出装置を提
供する。

本発明はこれまで述べそして請求範囲に限定する部分の
新規な構成、組合せおよび配置にあり、ここに述べた実
施例の変更は請求範囲に含まれるものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は米国連邦規格２０９　（ＦＳ２０９）に規定さ
れていると区分系および寸法−濃度範囲に従う粒子寸法
分布カーブを示すグラフ、第２図はＦＳ２０９の現在検
討されている改訂室に従う粒子寸法分布カーブを示すグ
ラフ、第３図はＶＬＳＩＩ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
示す部分線図、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線図、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従って行う様子を示す線図、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、第８図は第７図に示す並列処理と共に本発明によ
る打消し回路を使用する場合を示す概略的ブロック図で
あり、第９図は第８図の打消回路を示す概略的電子回路
である。 ２９・・・結像装置、３３・・・光結合器ユニット、３
４・・・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)

1. 【特許請求の範囲】 １、予定の検出領域で散乱した光を受けて検出するため
   の検出手段と、ノイズ打消手段を含む処理手段とから成
   り、上記検出手段は複数の検出器を含み、これら検出器
   はその内の予定の検出器が上記検出領域の内の互いに離
   れている予定の部分で散乱した光を受けるように配置さ
   れ、上記検出器の夫々はその検出器によりモニタされる
   上記検出領域の上記予定部分内の粒子により散乱された
   検出光を示す信号とノイズを含みうる出力を出すように
   なっており、上記ノイズ打消手段は上記予定の検出器に
   接続してそこからの出力に含まれるノイズを実質的に打
   消し、上記処理手段の出力が上記検出領域で光を散乱さ
   せる粒子を実質的に示すようになったことを特徴とする
   、粒子を含む媒体が上記予定の検出領域を通りうるよう
   にする第１手段とこの検出領域内の粒子が光を散乱しう
   るように上記検出領域を照明する第２手段とを含む粒子
   寸法検出装置に使用するための粒子検出装置。 ２、高分子散乱背景において上記粒子寸法検出装置の有
   効動作を保証するごとくなった請求項１記載の粒子検出
   装置。 ３、前記検出手段と前記処理手段は前記検出領域内の少
   くとも０．１μｍ以上の直径を有する粒子により散乱さ
   れる光を有効に検出し処理するごとくなった請求項１ま
   たは２記載の粒子検出装置。 ４、前記検出手段と前記処理手段は前記粒子を含む前記
   媒体の前記検出領域を通る少くとも約１ｃｆｍの流量に
   おいてこの検出領域内の粒子により散乱される光を有効
   に検出し処理するごとくなった請求項１乃至３の１に記
   載する粒子検出装置。 ５、前記処理手段は並列プロセサであり、このプロセサ
   は、夫々前記複数の検出器の内の前記予定の検出器の夫
   々に接続してそれからの出力を別々に処理する複数の処
   理回路を含み、これらの処理回路の出力が前記ノイズ打
   消手段に接続するごとくなった請求項１乃至４の１に記
   載する粒子検出装置。 ６、前記ノイズ打消手段は、夫々前記予定の検出器の一
   対に接続する複数のノイズ打消ユニットを含むごとくな
   った請求項１乃至５の１に記載する粒子検出装置。 ７、前記ノイズ打消ユニットの夫々は加算手段と、前記
   予定の検出器の内の１個に接続してその出力が上記加算
   手段に入る前にそれを反転する信号インバータ手段とを
   含むごとくなった請求項６記載の粒子検出装置。 ８、前記複数の検出器は前記検出領域の互いに離れてお
   りそして前記第１の予定部分に隣接する第２の予定部分
   からの光を受けるように配置された第２の予定の検出器
   を含み、そして前記処理手段は上記第２の予定の検出器
   に接続してその出力においてノイズ打消を行う第２ノイ
   ズ打消手段とを含むごとくなった請求項１乃至７の１に
   記載する粒子検出装置。 ９、前記検出手段は前記検出領域の前記第１および第２
   の予定部分を交互として上記検出領域のほぼ全体にわた
   り散乱された光を受けて検出するごとくなった請求項８
   記載の粒子検出装置。 １０、前記打消手段は前記検出器の数と等しい数の打消
   ユニットを含むごとくなった請求項８または９記載の粒
   子検出装置。 １１、前記処理手段は前記検出器と前記打消手段の間に
   接続する増幅手段を含むごとくなった請求項１乃至１０
   の１に記載する粒子検出装置。