JPH0255937A - 小型粒子束モニタ - 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】 ［発明の目的］ 〈産業上の利用分野〉 本発明は、真空装置に於る汚染粒子を検出するなめに使
用される小バ″４粒子束モニタに関する。

〈従来の技術〉 本願に関連して１９８６年９月１６日付米国特許出願第
０６／９６７．７７６号明４｛１１　ｕ　ニ、粒子によ
って散乱する光を検出する手段により粒子を検出するウ
ェーハ処理装置のための粒子検出器が開示されている。

集情回路、半導体デバイス、磁気ディスク、光学ディス
ク及びそれらの類似物の製造の際には、通常処理装置内
にまたは処理される要素を配置する環境内に自由汚染粒
子が存在する。特に処理装置に使用される気体や液体中
に発見される汚染粒子は製造される回路、デバイス及び
装置に悪い影響を与える。従って、製造行程に於て汚染
の程度が粒子密度の所定の閾値より大きいかどうかをオ
ペレータが決定できるように、粒子の数及び密度を検出
することが必要になっている。

所望の検出を行なうために、自由空間内で粒子の流れま
たは粒子束をモニタするセンサ技術が使用されている。

粒子をモニタするためのセンサには、真空中で使用でき
ること、既存の設備に適合し得るように小型であること
、真空状態を汚染しないこと、及び実時間データを得ら
れることが要求される。また、このセンサはできるなら
ば、例えば処理装置内に存在する自由フッ素ラジカルま
たは自由塩素ラジカルを含む苛酷な環境に耐え得ること
が必要である。更に、このような処理装置内及びその周
囲に形成されるガス流は頻繁に乱れを生じ、かつ微小な
粒子を運搬するので、粒子の移動方向を検出できること
が望ましい。

気体または液体中の自由粒子の数を測定する検出装置を
使用する場合には、微粒子が気体または液体中に浮遊し
ていると仮定する。気体または液体は、浮遊粒子を運搬
して検出装置に使用されるレーザ光線の焦点を通過させ
るキャリアとして機能する。浮遊粒子は検出を可能にす
る光を散乱させ、それにより粒子の大きさが表わされる
。

しかしながら、従来採用されているセンサ技術は、真空
装置に於て使用する場合に厳しい制限があるという特徴
がある。例えば、レーザ光線の焦点に粒子を運搬するキ
ャリアとして気体を使用することは不適当である。また
、キャリアガスは測定点から引き出されるので、キャリ
アガスを使用する計測技術は受動的でない。従って、特
に容積の小さい容器内で計測する場合に、ガス流が影響
を受け、かつ測定点に於る環境条件が影響を受ける。キ
ャリアガスをレーザに引き出すために使用される管状部
材にガスが入る時間とガスがレーザ光線を通過する時間
との間に時間遅れがあるので、このような測定が実時間
で行なわれないことは明らかである。このような装置に
より得られた結果を測定点に於ける実際の現象と相関さ
せることは困難である。

更に、キャリアガスによる浦定は粒子が浮遊状態にある
という仮定に基づく。しかし、周知のように重い粒子は
適当に測定できるように浮遊しておらず、従って重い粒
子は検出されないことになる。更に、この測定では、キ
ャリアガスを引き出す処理が等方性であるから、粒子の
移動方向についての情報が得られない。

そこで、微小な粒子を含めて検出した粒子に対して強度
の高い応答が得られ、かつ粒子の大きさの関数としての
応答がバックグラウンドノイズのレベル以上である応答
領域の区域を実質的に拡張するような粒子検出装置を提
供できれば非常に有利である。

〈発明が解決しようとする課題〉 本発明の第１の目的は、気体または液体中の自由粒子を
検出する際に強度の高い応答を実現できる粒子束モニタ
を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、有効な応答領域の区域を
実質的に大きくし得る小型粒子束モニタを提供すること
にある。

［発明の構成］ く課題を解決するための手段〉 本発明によれば、強い光線を発生する光源と、該光線が
衝突する粒子によって散乱する光を検出する光電セル手
段と、前記光線を遮る粒子の通路の受入角度を＄１１限
する開口を有する検出領域とを備え、それにより計算に
よって決定し得る粒子の移動について方向性の面を提供
し得る小型粒子束モニタが提供される。光線が収束しか
つ単位面積当たりの強さが高い領域に於て検出した粒子
に対する応答のレベルが向上するように、光線の最適な
フォーカルスポットが決定される。更に、実賞的な応答
を受ける長さが延長される。

〈実施例〉 以下に、添付図面を参照しつつ実施例を用いて本発明の
詳細な説明する。尚、図中同様の要素については同様の
符号を付して表示する。

第１図に示される本発明の実施例に於て、粒子束モニタ
は好適にはアルミニウムまたはステンレス鋼で形成され
るカバー１０を備える。カバー１０には約７８０ｎｍの
短い波長の光線を発生するレーザダイオード１が収容さ
れている。レーザダイオード１は、例えば約２０ｍＷの
出力を有するＡＩ　Ｇａ　ＡＳレーザである。このレー
ザダイオード１の椙或は比較的小型でありかつ低価格で
ある。

レーザダイオード１が小型であることによって、センサ
アセンブリを既存の従来装置に該装置またはセンサ自体
に変更を加えることなく組み込むことができる。また、
この粒子束モニタが低価格であることによって、禁止的
な価格を設定することなくマルチプルセンサの使用が可
１ｍ　Ｇこなる。更に、波長の短いレーザを使用するこ
とによって、比較的微小な粒子を検出することができる
。

使用の際には、レーザ光線３が例えば０．１．１のピッ
チを有するグラデイエンドインデックスロットレンズか
らなる収束レンズ２を通過する。レーザ光線３は開口９
付近の検出区域を通過してビームストップ７に衝突する
。ビームス１−ツブ７の表面には、光を吸収しかつその
残余をビームス１〜ツブキヤビテイ内に反射する反射防
止膜を有するシリコン片からなる材料８が被覆されてお
り、それによりレーザ光の前記検出区域への後方散乱が
防止される。前記検出区域は、本実施例では長円形状を
なす開口９のジオメトりによって画定される。

前記検出区域を通過する粒子にレーザ光線３が衝突する
ことによって発生する散乱光は、レーザ光線３の両側に
約１８０度間隔で組み付けられたシリコンフォトダイオ
ード４によって捕集される。

例えば０．５Ｃ：ＲＸ２．５ａｎの大きさを有するフォ
トダイオード４は、ラバーマウント６によって所定の位
置に保持され、かつ例えばシＥｌツｌ〜（ＳＣＩＩＯｔ
ｔ）ＲＧ９ガラスで形成されたフィルタ５で覆われてい
る。フィルタ５は、過剰の迷光を効果的に取り除くよう
にレーザ光の波長が７８０　ｎ　ｍの場合に透過率が最
高となる。本実施例に於て、レーザ光線３の光路から直
角方向に各フォトセル４までの距離は約０．５糧である
。

粒子束モニタを使用する際には、気体または液体の流れ
に含まれる粒子が開口９を通過し、該粒子の部分がレー
ザ光線３の中を通って移動する。

レーザ光線３を横切る粒子によって光が散乱し、かつ散
乱光の部分が、受は取った光を表わす電気的信号を発生
ずる光電セル４に到達する。前記電気的信号の振幅が粒
子の大体の大きさを表わす。

この発生した電気的信号にフィルタをかけて直流応答を
排除し、それによりセンサが移動中の粒子のみを検出し
て迷光をほとんど検出しないようにすることができる。

本発明の１つの特徴によれば、前記検出区域の開口９は
、第６図に端面図示されるように、粒子が前記検出区域
に入って即ち前記検出区域へ通過してセンサアセンブリ
に方向性能を与えるように形成されている。この方向性
能は、次の関係式により画定される受入角度に従属する
。

φ＝Ｌａｎ−１（ＷＡ／１（Ａ） 十Ｌ　ａ　ｎ−１（Ｗ［３／Ｖ’Ｔ−ＩＡ　２＋ｗＡ　
２）二こで、φは粒子が開口９を通過してレーザ光線３
を遮る限度である通路Ａの受入角度であり、トＩへ及び
ＷＡはそれぞれ開［］９によって画定される前記検出区
域の高さ及び幅であり、かつＷＢはレーザ光線３の直径
である。

本発明による粒子束モニタの別の特徴は、レーザ光線の
フォーカルスポットが最適位置に配置されているこ、と
である。第３図に示されるように、レンズ２から発する
レーザ光線３の直径はＷＯである。レーザ光線３は、直
径が焦点距離Ｆの焦点で最小のＷ「となり、その後セン
サアセンブリを通過するに連れて発散する。焦点距離は
レンズ２から焦点Ｆまでの距離であり光電セル４に対面
するレンズ２の端部がら計測される。本実施例に於て、
レーザ光線３は、直径がレンズ２の位置で約１ｍｍであ
り、かつ前記焦点に於て直径が約０゜１　ｍ　ｓｎとな
るように収束する。

周知のように、微小な粒子から散乱する光は後方よりも
前方に向けて強い傾向がある。第４図には、屈折率を１
．５として球状粒子の様々な大きさに対する波長７８０
　ｎ　ｍに於ける角度θの関数として散乱断面積が口単
位の曲線で表わされて同図に示されるように、前方散乱
即ち９０度以下の角度に於ける散乱が後方散乱より強い
。この角度θは、レーザ光線３の軸線方向の光路に関す
る散乱光の分布角度である。

レーザ光線３の焦点の最適位置を決定するなめには、３
つの要素を考慮する必要がある。第１に、散乱光からの
信号は、検出器が前方散乱を捕集するように配置されて
いる場合により強いことである。第２に、散乱光からの
信号は、検出器のフォトダイオードがフォーカルスポッ
トを監察する場合により強いことである。第３に、レー
ザ光線の区域及び粒子がレーザ光線を通過する確率が、
フォーカルスポットからの距離が増大するにつれて大き
くなることである。

第５図に於ては、粒子がレーザ光線を通過する確率を高
く維持しつつ散乱光に対する応答が向」ニするように、
上述した３つの要素がバランスされている。第５図は、
焦点の様々な位置に対するレーザ光線の光軸を通過する
粒子の位置の関数として単一の光電セルによって捕集さ
れる信号の出力が図示されている。本実施例に於て、放
射方向に整合するレンズ２と該レンズに対面する光電セ
ル４の端部との間の距離を約４（１）の一定に維持する
ことが好ましい。

例えば、焦点距離Ｆ＝７ａｕである実施例に於て、光電
セル４のレンズ２から遠い方の端部を越えた位置に焦点
がある場合には、その単位面積当たりの強度が増大する
ようにレーザ光線が収束し、他方光電セル４により捕集
される前方散乱に対する後方散乱の割合が増加する。そ
の結果は、Ｆ−のである実施例よりも充分に高い強度を
有する比較的平坦な応答であり、かつ応答領域の長さは
４ａｍを超えている。焦点がレンズ２に対面する光電セ
ル４の端部と整合するＦ　＝　４ａｎの実施例では、前
方散乱に対する後方散乱の比率が増加するに連れて低下
する強度に対しレーザ光線が収束することにより逆の効
果を及ばずという利益を享受しつつ、応答が一層向上す
る。焦点距離をＦ　＝　４　ｃｓとすることによって、
非常に高い応答と比較的長い応答領域とが実現される。

これと対称的に、焦点距離Ｆが無限大である場合には、
レーザ光線が収束しないという極端な事態が生じる。こ
のような場合は応答が低く、かつ例えばノイズのレベル
が２０ｎＷであれば応答の長さが約２．４ａｍになる。

焦点距離が３ｃｍであり、かつ焦点がレンズ２と該レン
ズに対面する光電セル４の端部との間の区域にあるよう
な別の極端な場合には、レーザ光線３が光電セル４を通
過するに連れて拡散し、かつ前方散乱に対する後方散乱
の比率が増加する。その結果、応答は急速に低下する。

この場合に応答長さは約２．６ａｎであり、かつ応答の
振幅はその長さの大部分についてＦ−ωの場合よりも高
く、かつレーザ光線の大きさが小さくなるに連れて粒子
がレーザ光線を遮る確率が低くなる。

このように、焦点がレンズ２に対面する光電セルの端部
から該レンズの向きに約１（７）の位置にある焦点距離
Ｆ　＝　３　ａｎの実施例に於ては、例えば焦点距離Ｆ
が４〜’８ａｎの範囲内にある場合と比較して応答レベ
ルが実質的に低下する。同様に、レンズ２に対面する光
電セル４の端部から該レンズから離隔する向きに光電セ
ル４の他方の端部に向けて約５ＣＭの位置に焦点がある
ように焦点距離を９国とする場合には、レーザ光線が充
分に収束しないので応答の強度が低下する。従って、レ
ーザ光線の光路に沿って軸線方向に計測し、レンズ２と
光電セル４とを４ｃｍ離隔して配置した場合には、所望
の焦点距離は３〜９ＣＩＩＩの範囲内に制限される。

別の実施例では、プラズマエツチング装置について見ら
れるような腐蝕性雰囲気による腐食から光電セル４を保
護するために、各光電セル４を覆うフィルタ５にサファ
イアまたは窒化シリコンのような保護材料が被覆されて
いる。同じ保護材料で被覆した窓をレーザ光線３が検出
区域９に入る位置に配置し、かつビームストップ反射板
に同様にサファイアまたは窒化シリコンを被覆する。

尚、本発明が上述した特定のパラメータ、寸法または材
料に限定されるものでないことは明らかである。例えば
、焦点距離に４０１１以外の長さを選択することができ
、かつ光電セルの大きさを変更することができる。光電
セルの数は２個以外であってよく、必ずしも放射方向に
整合させて配置する必要がない。方向性を決定する開口
の形状は長円形以外の別の形状とすることができる。そ
の他に様々な変更・変形を本発明の技術的範囲内に於て
行なうことができる。

［発明の効果］ −Ｆ述したように粒子束モニタを構成することによって
、強度の非常に高い信号を得ることができ、それにより
０．５μｍ程度の非常に微小な粒子を検出することがで
きる。更に、レーザ光線のできる限り大部分についてバ
ックグラウンドノイズ以」二の応答が得られるので、検
出に使用可能なレーザ光線の区域が実質的に拡張される
。レーザ光線の強度、及びそれにより散乱光の強度が非
常に太き・い場合に、焦点付近に於て使用可能なレーザ
光線の区域は非常に小さい。使用可能なレーザ光線の区
域は、信号の強度がより小さくなるように焦点から離れ
るに連れて増大する。上述した構成の検出モニタは、光
線が収束することの効果と前方散乱に対する後方散乱の
捕集の比率の変化とを効果的にバランスさせている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による小型粒子束モニタの縦断面図で
ある。 第２図は、第１図の小型粒子束モニタを部分的に破断し
て示す斜視図である。 第３図は、本発明の理解を容易にするために光線と光電
セルとの関係を概略的に説明する構成図である。 第４図は散乱角度θの関数としてμｍ単位で計測された
粒子束モニタの散乱断面積を表わす曲線からなる線図で
ある。 第５図は、レーザ光線の軸線に沿って各点に関して■単
位の距離の関数として単一の光電セルにより捕集される
ｎＷ単位の出力を表わす曲線からなる線図である。 第６図は、本発明による新規な楢造が備える開に１によ
って与えられるレーザ光線の光路に関する受入角度の限
度を示す粒子束モニタの端部口である。 １・・・レーザダイオード２・・・収束レンズ３・・・
レーザ光線　　　４・・・光学セル５・・・フィルタ　
　　　６・・・ラバーマウン１へ７・・・ビームストッ
プ　８・・・被膜材料９・・・開［１１０・・・カバー

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. （１）粒子が自由空間に現われる処理装置について使用
   される小型粒子束モニタであって、 カバーと、 光線を発生する光源と、 前記光線を前記カバー内の軸線方向の光路に沿って指向
   させ、かつ所定の距離をもって離隔された焦点に前記光
   線を収束させるためのレンズ手段と、 検出区域に於て前記光線を横切る限定された方向に粒子
   を通過させるための前記カバー内に形成された所定寸法
   の開口と、 前記光線を横切る粒子によって生じる散乱光を検出する
   ための前記開口及び前記検出区域に近接して配置された
   フォトダイオード手段とを備えることを特徴とする小型
   粒子束モニタ。
2. （２）前記カバーが円筒形または矩形であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の小型粒子束モニタ
   。
3. （３）前記光源がレーザフォトダイオードであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の小型粒子束モ
   ニタ。
4. （４）前記光源がアルミニウムガリウム砒素レーザフォ
   トダイオードであることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の小型粒子束モニタ。
5. （５）前記レーザフォトダイオードが約７８０ｎｍの波
   長で使用されることを特徴とする特許請求の範囲第４項
   に記載の小型粒子束モニタ。
6. （６）前記レンズ手段がグラディエントインデックスロ
   ッドレンズ（ｇｒａｄｉｅｎｔｉｎｄｅｘｒｏｄｌｅｎ
   ｓ）であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の小型粒子束モニタ。
7. （７）前記レンズが約０．１１のピッチを有することを
   特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の小型粒子束モ
   ニタ。
8. （８）前記焦点が前記レンズから約３〜９ｃｍの範囲内
   に設けられていることを特徴とする特許請求の範囲第６
   項に記載の小型粒子束モニタ。
9. （９）前記レンズから発する前記レーザ光線の直径が１
   ｍｍであり、かつ前記焦点に於ける直径が０．１ｍｍで
   あることを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載の小
   型粒子束モニタ。
10. （１０）前記光線の軸線方向の前記光路の端部に配置さ
    れたビームストップを備えることを特徴とする特許請求
    の範囲第１項に記載の小型粒子束モニタ。
11. （１１）前記検出区域への光の後方散乱を防止するため
    に前記ビームストップに被膜を有することを特徴とする
    特許請求の範囲第１０項に記載の小型粒子束モニタ。
12. （１２）前記フォトダイオード手段が前記カバーに約１
    ８０度間隔で取り付けられ、かつそれぞれの端部が光線
    を発する前記レンズの端部に対面する一対のフォトダイ
    オードからなることを特徴としている特許請求の範囲第
    ８項に記載の小型粒子束モニタ。
13. （１３）前記焦点が前記フォトダイオードの前記レンズ
    に対面する前記端部に設けられていることを特徴とする
    特許請求の範囲第１２項に記載の小型粒子束モニタ。
14. （１４）前記焦点が、前記フォトダイオードの長さをＬ
    ｃとする場合に、前記フォトダイオードの前記レンズ端
    部に対面する前記端部から前記レンズに向けて約Ｌｃ／
    ３の距離と前記フォトダイオードの前記端部から前記レ
    ンズと反対方向に約Ｌｃの距離との範囲にある軸線方向
    の前記光路上に形成されることを特徴とする特許請求の
    範囲第１２項に記載の小型粒子束モニタ。
15. （１５）前記フォトダイオード手段が過剰の迷光を取り
    除くガラスのフィルタを備えることを特徴とする特許請
    求の範囲第１項に記載の小型粒子束モニタ。
16. （１６）前記開口を通過する粒子の流れが、ＷＡ及びＨ
    Ａをそれぞれ前記検出区域の幅及び高さとし、かつＷＢ
    を前記光線の直径とする場合に、式φ＝ｔａｎ−１（Ｗ
    Ａ／ＨＡ）＋ｔａｎ−１（ＷＢ／〔√ＨＡ＾２＋ＷＡ＾
    ２〕）によって画定される受入角度により制限されるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の小型粒子
    束モニタ。