JPH0424535A - 流体中の粒子計測方法及びその装置 - 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、流体中の粒子計測装置、さらに詳細には測定
セル中を流れる粒子を含んだ流体にレーザー光を照射し
、粒子からの散乱光を受光してその散乱光強度から粒子
径と粒度分布等の粒子特性を求める流体中の粒子計測方
法及びその装置に関する。

［従来の技術］ 現在、半導体製造過程において使用される超純水や薬液
は、４Ｍビット、１６ＭビットとＬＳＩの高密度化が進
むにつれて不純物が含まれていない高品質なものが要求
されている。その中で特に超純水や薬液の中の微粒子を
管理することはＬＳＩの歩留まりに大きく影響するため
重要である。

これまでは、超純水中や薬液中の微粒子を計測するため
に走査型電子顕微鏡が使用されてきたが、多大なコスト
がかかり、リアルタイム性に欠けるという問題点があっ
た。この問題点を解決するために、レーザー光散乱法に
よる微粒子計測法が普及してきている。この計測法は、
レーザー光を照射された微粒子からの散乱光強度が微粒
子の直径に依存することを応用したものである。

液体中の球形粒子からの散乱光強度はＭｉｅによって理
論的に計算されている。レーザー光の波長の１／ｌＯよ
り小さい粒子からの散乱光強度は、粒子径の５〜６乗に
比例することが知られている。したがって、粒子径が小
さくなるにつれて、その粒子からの散乱光強度が微弱に
なるので、このような微弱光を検出するためにはＳ／Ｎ
のよい光検出装置を用いなければならない、微弱光検出
に有効な手段として知られている方法に単一光子計数法
がある。

まず、このように単一光子計数法を用いた従来の装置を
第５図を用いて説明する。第５図において、レーザー光
源ｌから放出されたレーザー光は、レンズ２によって測
定セル３中の測定領域４に集光される。測定領域４内を
粒子が通過すると、粒子はレーザー光を散乱する１粒子
によって散乱させられた光をレンズ５で集光し、スリッ
ト６に結像させる。スリット６を通過した粒子からの散
乱光は光電子増倍管７に到達し、電気信号に変換され、
光電子パルスとして出力される。前置増幅器８によって
増幅された電気信号は、波高弁別器９とパルス波形整形
回路ｌＯでデジタル信号に変換され、パルス計数回路１
１でデジタル信号をカウントし、メモリー回路１２に時
系列的に記憶させる。そして演算装置１３でメモリー回
路１２に記憶されている時系列データを解析し、その散
乱光強度から粒子径が算出され、粒子数密度を算出して
いた。

［発明が解決しようとする課題］ 単一光子計数法では、光電子増倍管のノイズの原因とな
る暗電流や増倍率のゆらぎを除去することができるので
、普通のアナログ法と比較するとＳ／Ｎを３〜５倍向上
させることができる。単一光子計数法による光強度の測
定は、単位時間当りの光電子パルスの数をカウントする
ことによって行なうことができる。しかし、単位時間に
カウントできる光電子パルスの数にも限界がある。この
原因は、光電子パルスの時間幅と、光子計数回路効果に
よって光電面から電子が飛び出す、光電面から飛び出し
た電子は光電子増倍管の内部で順次増倍され、光電面か
ら飛び出した電子１個当り、１０の６乗個程度に増倍さ
れる。光電子増倍管で電子が増倍されていく過程の中で
、電子の走行距離にばらつきが生じるため、光電面がら
飛び出した電子１個に対する出力パルスが時間幅を持つ
ようになる。

この時間幅は通常、サイドオン型の光電子増倍管では２
ｎｓ程度である。したがって、光電面から電子が２ｎｓ
より短い時間間隔で飛び出した場合、光電子増倍管から
出力された光電子パルスは重なり合ってしまい、もはや
単一光子計数はできな（なってしまう、また、たとえ光
電子パルスの時間幅より長い時間間隔で光電面から電子
が飛び出したとしても、単一光子計数回路を構成する電
気系の周波数特性によっても単位時間当りのカウント数
の上限が決ってしまう。

このように単一光子計数法を用いるとアナログ法に比較
してＳ／Ｎ比を３〜５倍向上させることができるので、
より微小な粒子を測定することができるが、単一光子計
数法では光電子パルスの時間幅や光子計数回路を構成す
る素子の周波数特性によってダイナミックレンジが制限
され、これまでの装置では計数率は１０の８乗カウント
／秒程度が限界であり、大きな粒子からの強い散乱光の
強度を正確に求めることができなかった。

又、Ｍ　ｉ　ｅの散乱理論によれば、薬液中の粒子から
の散乱光強度は薬液の屈折率にも依存することが知られ
ている０粒子を含んだ薬液等の流体（溶媒）の種類ごと
に屈折率が異なれば、粒子径や屈折率が同じ粒子径であ
っても、粒子からの散乱光強度は流体ごとに異なる。従
って１粒径の判定には、測定すべき粒子を含んだ流体の
屈折率も考慮しなければならない。

従って、本発明は、このような従来の問題点を解決する
ためになされたもので、粒子の大きさやその粒子を含ん
だ薬液等の流体の屈折率に関係なく精度よく流体中の粒
子の特性を測定することが可能な流体中の粒子計測方法
及びその装置を提供することをその課題とする。

［課題を解決するための手段］ 以上の問題点を解決するために、本発明においては、測
定セル中を流れる粒子を含んだ流体にレーザー光を照射
し１粒子からの散乱光を受光してその散乱光強度から粒
子径と粒度分布を求める流体中の粒子計測方法において
、粒子からの散乱光を検出する光電子増倍管からの信号
に従って粒子が所定値以下の微小粒子であるか否かを判
別し、光電子パルス数が所定値以下で微小粒子と判別さ
れた場合は単一光子計数法を用いて、また所定値以上と
判別された場合はアナログ的に信号を処理して粒子径と
粒度分布を求め、前記アナログ的に信号を処理する場合
粒子を含んだ流体の屈折率に従って粒子径を判別するし
きい値を変化させる構成を採用した。

又、本発明では、測定セル中を流れる粒子を含んだ流体
にレーザー光を照射し、粒子からの散乱光を受光してそ
の散乱光強度から粒子径と粒度分布を求める流体中の粒
子計測装置において、粒子からの散乱光を検出する光電
子増倍管と、前記光電子増倍管からの信号に従って光電
子パルスを計数する第１の計数手段と、前記光電子増倍
管からの信号を増幅してその波高を所定しきい値と比較
する波高比較手段と、前記所定しきい値より大きな波高
値を有する信号を計数する第２の計数手段と、光電子パ
ルスの数が所定値以下で測定粒子が微小粒子であるか否
かを判別する手段と、前記第１あるいは第２の計数手段
からの信号から粒子径と粒度分布を演算する手段と、流
体の屈折率を入力する手段とを設け、前記演算手段は、
光電子ノ＼ルス数が所定値以下で微小粒子と判別された
場合は第１の計数手段からの信号を計数することにより
、また所定値以上と判別された場合は第２の計数手段か
らの信号を計数することにより粒子径と粒度分布を求め
、前記波高比較手段のしきい値を人力された流体の屈折
率に従って変化させる構成も採用した。

［作　用］ このような構成では、粒子の散乱光強度から粒径判定を
行う際、薬液等の流体の屈折率に依存する粒子からの散
乱光強度に対して、粒径判定のためのしきい値を流体の
屈折率ごとに決定できるので、より正確な粒径判定がで
きる ［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図には、本発明の一実施例が図示されている。同図
において第５図と同一部分には同一の参照符号を付しそ
の説明は省略する。

第１図では前置増幅器８で増幅された光電子増倍管７か
らの信号が二つに分けられ、一方は従来の単一光子計数
法による信号処理がなされ、もう一方では散乱光が強い
ときに単一光子計数が不可能な場合にアナログ法による
信号処理ができるように増幅器２１と波高分析器２２が
付加されている。前置増幅器８は光電子パルスの時間幅
（約ｌＯの一９乗秒）に対応する周波数特性が要求され
るが、増幅器２１は粒子がレーザービームを通過する時
間幅（約１０の一３乗秒）に対応する周波数特性でよい
、単一光子計数法による信号の処理方法は従来の方法と
同様である。増幅器２１で増幅されたレーザービームを
粒子が通過する時間幅を持つ信号は、波高分析器２２で
信号の波高分析がなされ、演算袋Ｍ１３で粒度分布が求
められる。

また、演算装置１３は、パルス計数回路１１からの信号
によりカウントされた計数値が所定値以下であるか否か
を判別し、所定値以下であるときは、測定粒子が微粒子
であると判断して、単一光子計数法を用いて粒子径と粒
度分布を演算し、また所定値以上であった場合は、波高
分析器２２からの信号に基づきアナログ法を用いて粒子
径と粒度分布を演算する。

このように構成された装置の動作を以下に説明する。

レーザー光源１は、第２図（Ａ）に図示したような空間
強度分布を有するレーザー光を発光する。このレーザー
光は、測定セル３の測定領域４を流れる粒子を照射する
。このレーザー光の空間強度分布は、ＴＥＭ００モード
ではガウス分布となっている。このようなレーザービー
ムをある速度をもった粒子が通過すると、その粒子から
の散乱光強度の時間的な包絡線はレーザー光の空間強度
分布を反映したものとなる。

第２図（Ｂ）は微小な粒子がレーザー光を通過したとき
の光電子増倍管７からの出力信号の時間変化を示す、微
小な粒子からの散乱光は微弱であるため、光電子パルス
は離散的となり、重なりは生じていない。第２図（Ｃ）
は、波高弁別器９により第２図（Ｂ）において破線で表
されるレベルより大きい信号をデジタル信号としたもの
である。破線のレベルより小さい暗電流成分が除去され
ているとともに、光電子増倍管の増倍率のゆらぎもデジ
タル化によって除去できる。このように波高弁別された
パルスをパルス計数回路１１で計数し、メモリー回路１
２に時系列的に測定データを格納する。

第２図（Ｄ）は大きな粒子がレーザー光を通過したとき
の光電子増倍管７からの出力信号の時間変化を示す、大
きな粒子がレーザー光を通過したときは、粒子からの散
乱光が強（なるため、特にレーザー光の中心部を通過し
た場合に光電子パルスの重なり合いが生じてしまう、こ
のような光電子パルスは、パルス計数回路１１による計
数値が大きくなるので、演算装置１３では、パルス計数
回路１１によるパルス計数値が所定値以下であるか否か
を判別する。演算袋！１３は、測定粒子が微小粒子であ
りパルス計数値が所定値以下になっていると判断♀ｉａ
は、メモリー回路１２奉４に格納されているデータをも
とに単一光子計数法を用いて粒子径と粒度分布を演算す
る。

方、パルス計数回路１１による計数値が所定値以上のと
きは、第２図（Ｄ）に示したように測定粒子が大きい場
合であるので、波高分析器２２からの信号をもとにアナ
ログ法により所定の演算式を用いて粒子径と粒度分布を
求める。すなわち、演算装置１３は、粒子径に応じて種
々なしきい値を有した比較回路を内蔵しており、これら
のしきい値より大きな波高値を有する信号を計数するこ
とによりその粒子径を有した粒子を求めて粒度分布を求
める。

上述した実施例では、演算装置により光電子パルスの計
数値が所定値以下であるか否かの判別を行なっているが
、演算装置とことなる独自の判別回路を設けて行なうよ
うにしてもよい。

上述したように、　Ｍ　ｉ　ｅの散乱理論によれば、薬
液等の流体（溶媒）中の粒子からの散乱光強度は流体の
屈折率にも依存するので、流体の種類ごとに屈折率が異
なれば、粒子径や屈折率が同じ粒子径であっても、粒子
からの散乱光強度は流体ごとに異なる。従って、粒径判
定のためのしきし）値が固定されていると粒径判定に誤
差を生じることになる。

これを解決するための実施例が第３図に図示されている
。

単一光子計数法による信号処理のための装置は第１図と
同一であり、その説明は省略する。

方、アナログ法による信号処理に於ては、増幅器２１ま
では第１図と同一であるが、第１図における波高分析器
２２が波高比較器２３に置きかえられているとともに、
第１図の回路のほかに粒子計数回路２４、しきい値電圧
設定回路２５、屈折率人力装置２６が付加されている。

第１図の実施例では、波高比較器２４、粒子計数回路２
４は、演算装置１３内に設けられていたが、第３図の実
施例では、これらの回路は演算装置１３の外部に設けら
れている。

屈折率入力装置２６に薬液等の流体の屈折率が入力され
ると、演算装置１３によって流体の屈折率が読みとられ
、その流体の屈折率に対する粒子の散乱光強度が計算さ
れる。そして、その散乱光強度比をもとに演算装置１３
からしきい値電圧設定回路２５にデータが送られ、しき
い値電圧設定回路２５のしきい値電圧を設定する。しき
い値電圧設定回路２５から波高比較器２３に送られるし
きい値電圧と、増幅器２１から波高比較器２３に送られ
る散乱光強度から、散乱光の強度が粒子からの散乱光で
あると認識された場合には、波高比較器２３から粒子計
数回路２４に信号が送られ、粒子数をカウントし、演算
装置１３によって粒子数を読みとり、粒度分布を計測す
る。

第４図に本実施例を実現するための回路の一例を示す。

ＩＣＩは光電子増倍管からの信号を増幅するための前置
増幅器８であり、ＩＣ２は光子計数法による信号処理の
ための波高弁別器９であり、デジタル信号としてＩＣ３
に送られる。ＩＣ３はデジタルカウンタ（第１図のパル
ス計数回路１１に対応）であり、そのカウント値は演算
装置１３に読みこまれる。ＩＣ４（増幅器２１に対応）
はＩＣＩで増幅された信号を再度増幅し、その信号を波
高比較のためのＩＣ５（波高比較器２３）に送っている
。

屈折率入力装置２６に薬液等の流体の屈折率が入力され
ると、その屈折率を演算装置１３で読みとり、演算装置
１３からしきい値電圧に関するデジタルデータをＩＣ７
に送る。ＩＣ７はＤ／Ａコンバータであり、通常Ｄ／Ａ
コンバータの出力は電流出力であるため、ＩＣ８によっ
て電流電圧変換を行い、その出力はしきい値電圧として
ＩＣ５に送られる。ＩＣ４からの信号がＩＣ５によって
粒子からの散乱光に関する信号であると認識されると、
ＩＣ５からデジタル信号が出力され、デジタルカウンタ
であるＩＣ６（粒子計数回路２４）によって粒子数がカ
ウントされ、そのカウント値を演算装置１３で読みとり
粒度分布を求める構成となっている。

本実施例では、波高比較器が１個の場合について説明し
たが、波高比較器を複数用いて、複数の粒径判定のため
のしきい値を設定できることは言うまでもない。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明では、粒子の散乱光強度か
ら粒径判定を行う際、流体の屈折率に依存する粒子から
の散乱光強度に対して、粒径判定のためのしきい値を流
体の屈折率ごとに決定できるので、より正確な粒径判定
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明装置の一実施例の構成を示すブロック
図、第２図（Ａ）〜（Ｄ）図は、第１図装置の動作を説
明する信号波形図、第３図は、本発明装置の他の実施例
の構成を示すブロック図、第４図は、第３晶路のさらに
詳細な回路図、第５図は、従来装置の構成を示すブロッ
ク図である。 ３−・・測定セル ４−・・測定領域 ７　・・・光電子増倍管 １１・・・パルス計数回路 ３・・・演算装置 ３−・・波高比較器 ６・・−屈折率入力装置 ｌｉ１図 第５図 手続補正書（自発） 平成２年６月２２日 １゜ ２゜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）測定セル中を流れる粒子を含んだ流体にレーザー光
   を照射し、粒子からの散乱光を受光してその散乱光強度
   から粒子径と粒度分布を求める流体中の粒子計測方法に
   おいて、 粒子からの散乱光を検出する光電子増倍管からの信号に
   従って粒子が所定値以下の微小粒子であるか否かを判別
   し、 光電子パルス数が所定値以下で微小粒子と判別された場
   合は単一光子計数法を用いて、また所定値以上と判別さ
   れた場合はアナログ的に信号を処理して粒子径と粒度分
   布を求め、 前記アナログ的に信号を処理する場合粒子を含んだ流体
   の屈折率に従って粒子径を判別するしきい値を変化させ
   ることを特徴とする流体中の粒子計測方法。 ２）測定セル中を流れる粒子を含んだ流体にレーザー光
   を照射し、粒子からの散乱光を受光してその散乱光強度
   から粒子径と粒度分布を求める流体中の粒子計測装置に
   おいて、 粒子からの散乱光を検出する光電子増倍管と、前記光電
   子増倍管からの信号に従って光電子パルスを計数する第
   １の計数手段と、 前記光電子増倍管からの信号を増幅してその波高を所定
   しきい値と比較する波高比較手段と、前記所定しきい値
   より大きな波高値を有する信号を計数する第２の計数手
   段と、 光電子パルスの数が所定値以下で測定粒子が微小粒子で
   あるか否かを判別する手段と、 前記第１あるいは第２の計数手段からの信号から粒子径
   と粒度分布を演算する手段と、 流体の屈折率を入力する手段とを設け、 前記演算手段は、光電子パルス数が所定値以下で微小粒
   子と判別された場合は第１の計数手段からの信号を計数
   することにより、また所定値以上と判別された場合は第
   ２の計数手段からの信号を計数することにより粒子径と
   粒度分布を求め、前記波高比較手段のしきい値を入力さ
   れた流体の屈折率に従って変化させることを特徴とする
   流体中の粒子計測装置。 ３）しきい値の異なる複数の波高比較手段を設けるよう
   にしたことを特徴とする請求項第２項に記載の流体中の
   粒子計測装置。