JPH05149865A - 微粒子カウンター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低コストで微粒子の可測粒径の下限を下げる
ことを可能にする。 【構成】 フローセル１に照射光窓２とライトトラップ
８とが相対して設けられて、レーザビーム５を集光レン
ズ７で集光してフローセル１に入射する照射光学系３
が、照射光窓２の外側に配置されるとともに、ライトト
ラップ８の端部に試料流体用配管９が接続され、かつレ
ーザビーム５の光軸に交差する方向でフローセル１に設
けた散乱光窓11の外側に、微粒子から生じた散乱光の受
光レンズ13が配置されて、その結像位置にフォトダイオ
ード14の受光面15が配置され、かつその受光面15が、受
光レンズ13の収差で微粒子の像にぼけが生じても、その
像全体を受像可能な面積を有し、かつフローセル１に入
射されたレーザビーム５の光軸と同方向の受光面15の寸
法が、集光レンズ７で集光されたレーザビーム５の焦点
部分における検出領域の光軸方向の範囲と同程度に対応
するように設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体の製造工程にお
けるウエハの洗浄その他の用途に使用される超純水、ま
たはクリーンルームなどに使用される清浄空気などの流
体に含まれた微粒子をカウントする微粒子カウンターに
関する。

【０００２】

【従来の技術】前記のような流体に含まれた微粒子のカ
ウンターとして、例えば、図５に示したものが知られて
いる。

【０００３】図５において、21はノズルで、これがフロ
ーセル（図示省略）内に試料流体Ｓを噴出する。22はレ
ーザビームで、このレーザビーム22を集光レンズ23で集
光して、前記試料流体Ｓの流速分布がほぼ均一になる径
方向の中心部に、その流動方向に対して垂直方向に照射
するように構成されている。24は試料流体Ｓに照射され
た前記レーザビーム22の観測領域Ｒを通過する微粒子か
ら生じる散乱光、25は散乱光24の受光レンズで、その結
像位置にスリット板26が配置され、かつこのスリット板
26を通過した散乱光24を検出する光検出器（図示省略）
が設けられている。

【０００４】この微粒子カウンターは、集光レンズ23で
絞ったレーザビーム22を試料流体Ｓの中心部に入射す
る。そして、試料流体Ｓに微粒子が含まれていると、そ
の微粒子に前記レーザビーム22が照射されて散乱光24が
生じるから、この散乱光24を受光レンズ25とスリット板
26を介して光検出器で検出することによって、前記微粒
子をカウントするものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の微粒子カウ
ンターは、集光レンズ23で集光したレーザビーム22の光
軸と試料流体Ｓの流動方向とが互いに垂直になるように
構成されており、試料流体Ｓに含まれた微粒子は、レー
ザビーム22を径方向に通過する。したがって、試料流体
Ｓに含まれた微粒子にレーザビーム22が照射されて生じ
る散乱光24の光量を多くすることが困難であるから、前
記微粒子の可測粒径の下限が０．１μｍ程度であって、
これ以上に小径の微粒子の測定は困難である課題があ
る。そして、前記可測粒径の下限を前記０．１μｍ以下
に下げようとすると、例えば、散乱光24の強度を大きく
するために、レーザビーム22を細く絞って、その光密度
をより大きくしたり、または光検出器としてマルチアレ
イを使用してＳ／Ｎ比をよくすることが必要である。し
かし、レーザビーム22をより細く絞るためには、集光レ
ンズ系のコストが上昇する課題がある。また、光検出器
としてマルチアレイを使用すると、散乱光22を受光する
ための受光光学系の収差を小さくすることが必要になる
から、これもコストが上昇する課題がある。

【０００６】本発明は、上記の課題を解決するものであ
って、低コストで微粒子の可測粒径の下限を下げること
が可能な微粒子カウンターをうることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の微粒子カウンタ
ーは、フローセルに設けた照射光窓と相対して、前記フ
ローセルにライトトラップが設けられるとともに、この
ライトトラップの端部に試料流体の供給ラインが接続さ
れ、かつ前記ライトトラップを経てフローセルに供給さ
れた試料流体の流れに対し、その流動方向と平行方向で
レーザビームを集光レンズで集光して照射する照射光学
系が、前記照射光窓の外側に配置され、試料流体に含ま
れた微粒子に前記レーザビームが照射されて生じる散乱
光を、受光レンズ系で結像させる光検出器の受光面が、
受光レンズ系の収差で前記微粒子の像にぼけが生じて
も、その像全体を受像することが可能な面積を有し、か
つ試料流体に照射されたレーザビームの光軸と平行方向
の前記受光面の寸法が、集光レンズで集光されたレーザ
ビームの焦点部分における検出領域の光軸方向の範囲と
同程度に対応するように設定されたことを特徴とする。

【０００８】

【作用】前記本発明の微粒子カウンターは、供給ライン
からライトトラップを経てフローセル内に試料流体を噴
出するとともに、レーザビームを集光レンズで集光して
照射光窓からフローセル内に入射する。すると、前記レ
ーザビームの光軸と前記試料流体の流動方向とが一致し
て、レーザビームが試料流体の径方向の中心部に照射さ
れる。一方、レーザビームが微粒子に照射されて生じる
散乱光が入射される光検出器の受光面の大きさが、前記
のように設定されている。

【０００９】したがって、試料流体に微粒子が含まれて
いると、それはレーザビームの光軸に沿って流動し、か
つその微粒子にレーザビームが照射されると散乱光が発
生する。そして、レーザビームにおいて、その光軸方向
の光密度が高い範囲である検出領域を微粒子が通過する
間に生じた散乱光を、受光レンズ系が集光して光検出器
の受光面に結像させ、かつその受光面が、前記受光レン
ズ系が受光した散乱光の全量を受光することが可能な寸
法を有するから、受光面に入射される散乱光の強度が大
きくなる。しかも、前記のように、受光レンズ系が受光
面に結像した像に、受光レンズ系の収差でぼけが生じて
も、そのぼけた像の全体を受像可能な面積を前記受光面
は備えているから、光検出器は受光レンズ系が集光した
散乱光を効率よく検出することが可能である。

【００１０】

【実施例】本発明の微粒子カウンターの第１実施例を図
１〜３について説明する。

【００１１】図１〜３において、１はフローセルで、そ
の一部に照射光窓２が設けられている。３は照射光学系
で、これは半導体レーザヘッド４と、これから射出され
たレーザビーム５の反射ミラー６及びこの反射ミラー６
で反射されたレーザビーム５を集光して、前記照射光窓
２からフローセル１内に入射する集光レンズ７で構成さ
れている。８は前記照射光窓２と相対して、フローセル
１に設けられたライトトラップで、これでフローセル１
内に入射されたレーザビーム５をトラップするように構
成されており、照射光窓２から入射されるレーザビーム
５の光軸とライトトラップ８の軸心とが一致している。
９はライトトラップ８の端部に連通して接続された試料
流体用配管で、これからライトトラップ８を経て試料流
体をフローセル１内に噴出させるように構成されてい
る。10はフローセル１に設けられた試料流体の流出口で
ある。

【００１２】11はフローセル１に入射されたレーザビー
ム５の光軸と交差する方向で、フローセル１に設けられ
た散乱光窓、12は試料流体に含まれた微粒子に前記レー
ザビーム５が照射されて生じた散乱光、13は前記散乱光
窓11と相対してフローセル１外に配置された受光レン
ズ、14は光検出器としてのフォトダイオードで、その受
光面15を受光レンズ13が受光した散乱光12の結像位置に
配置している。そして、前記受光面15は、図２に示した
ように、受光レンズ13の収差で、それに入射された微粒
子の像にぼけが生じても、その全体を受像することが可
能な面積を備えている。更に、集光レンズ７で絞つたレ
ーザビーム５は、図３に示したように双曲面形状にな
り、その集光レンズ７の焦点位置の部分には、ほぼ同径
で光軸方向の光密度の差が小さい範囲が生じるから、こ
の範囲を検出領域Ｒとして、このレーザビーム５の軸線
と平行方向における前記受光面15の寸法を、検出領域Ｒ
の範囲と同程度に対応するように設定して、検出領域Ｒ
を通過する間に微粒子から生じて、受光レンズ13に入射
された散乱光12のほぼ全量を受光することが可能に構成
されている。

【００１３】上記のように構成した微粒子カウンター
は、その半導体レーザヘッド４から射出されたレーザビ
ーム５を、反射ミラー６で反射しかつ集光レンズ７で絞
って、照射光窓２からフローセル１内に入射する。この
フローセル１内に入射されたレーザビーム５はライトト
ラップ８でトラップされる。一方、試料流体用配管９か
ら試料流体をライトトラップ８を経てフローセル１内に
噴出させる。すなわち、レーザビーム５と試料流体と
を、フローセル１内に、その互いに相対した位置から入
射または噴出させる。

【００１４】したがって、試料流体に微粒子が含まれて
いると、それはレーザビーム５の光軸に沿って流動し、
かつその微粒子にレーザビームが照射されると散乱光が
生じる。そして、レーザビーム５の前記検出領域Ｒを微
粒子が通過する間に生じた散乱光12を、受光レンズ13が
集光してフォトダイオード14の受光面15に結像させる
が、その受光面15は、前記のように、検出領域Ｒの範囲
と同程度に対応する寸法を有しており、前記受光レンズ
13が結像させた散乱光12の全量を受光可能であるから、
受光面15が受光する散乱光12の強度が大きくなる。しか
も、受光レンズ13が散乱光12を受光面15に結像させた場
合に、その像に受光レンズ13の収差のためにぼけが生じ
ても、そのぼけた像の全体を受光面15は受像可能な面積
を備えているから、フォトダイオード14は受光レンズ13
が集光した散乱光の全量を効率よく検出することができ
る。このため、前記微粒子の可測粒径の下限を、例えば
０．０５μｍ程度までも下げることが可能である。

【００１５】次に、前記のように、フォトダイオード14
による散乱光12の検出範囲を、レーザビーム５の光軸方
向の範囲にわたって設定した検出領域Ｒの全長に拡大し
たことに対するＳ／Ｎ比について検討する。

【００１６】集光レンズ７で絞ったレーザビーム５は、
図３に示したように双曲面形状になるから、その光軸方
向の範囲にわたって設定した検出領域Ｒの全長の直径に
は差が存在するが、その差はかなり小さい。したがっ
て、検出領域Ｒを、その全長の直径が同一の円柱とみな
すと、検出領域Ｒの光密度は全長で一定になり、かつ検
出領域Ｒを光軸方向に微粒子が移動した場合に生じる散
乱光12の強度も一定になる。そして、検出領域Ｒの全長
をＷ、試料流体Ｓの流速をＶとすると、検出領域Ｒを微
粒子が通過して生じる散乱光12の信号成分Ｎｏは、前記
Ｗと１／Ｖとに比例するから、次式で表すことができ
る。

【数１】

【００１７】一方、フローセル１に供給した液体または
気体からなる試料流体には屈折率にゆらぎがあり、この
屈折率のゆらぎやその他の要因のために試料流体からも
散乱光が生じる。この試料流体から生じる散乱光をノイ
ズ成分Ｎｍとする。そして、このノイズ成分Ｎｍは、前
記検出領域Ｒの全長Ｗと、その測定時間Ｗ／Ｖとに比例
するから、ノイズ成分Ｎｍは、次式で表すことができ
る。

【数２】

【００１８】そして、試料流体の前記ノイズ成分Ｎｍの
発生は一定ではなくてランダムである。これはノイズ成
分Ｎｍの発生に時間的なゆらぎが生じるためであるが、
この時間ゆらぎはノイズ成分Ｎｍの平方根に比例するこ
とが知られている。

【００１９】従って、シグナル成分Ｎｏとノイズ成分Ｎ
ｍとから、Ｓ／ＮはＮｏ／（Ｎｍの平方根）に比例す
る。また、前記数１と数２より次式が成立する。

【数３】 この数３から、Ｓ／Ｎ比に対して検出領域Ｒの全長Ｗは
関係しないことが明らかである。すなわち、フォトダイ
オード14の受光面15が受光する散乱光12の範囲を検出領
域Ｒの全長Ｗに拡大したことは、Ｓ／Ｎ比に対して影響
を与えないで、フォトダイオード14が検出する散乱光12
の強度を大きくすることが可能であり、Ｓ／Ｎ比をよく
することができる。

【００２０】なお、フォトダイオード14の受光面15を、
図２にほぼ正方形に示しているが、この大きさと形状
は、前記受光面15に対する条件を満たすものであればよ
く、任意にすることが可能である。

【００２１】図４は第２実施例を示すものである。この
第２実施例の微粒子カウンターは、フローセル１に設け
られた第１散乱光窓11a と相対して、フローセル１に第
２散乱光窓11b が設けられている。16は第２散乱光窓11
b と相対してフローセル１外に配置されたコリメートレ
ンズ、17はコリメートレンズ16を透過した平行光線を反
射する平面ミラーである。12a は第１散乱光窓11a を透
過する第１散乱光、12b は第２散乱光窓11b を透過する
第２散乱光であって、第１散乱光窓11a の外側に配置さ
れた受光レンズ13による第１散乱光の観測立体角と前記
コリメートレンズ16による第２散乱光の観測立体角とは
同じに設定されている。他の構成は、前記第１実施例と
同じであるから同符号を付して示した。

【００２２】この微粒子カウンターは、その半導体レー
ザヘッド４から射出されたレーザビーム５を反射ミラー
６で反射し集光レンズ７で絞って、照射光窓２からフロ
ーセル１内に入射する。また、試料流体用配管９から試
料流体をライトトラップ８を経てフローセル１内に噴出
させる。そして、前記試料流体に含まれた微粒子がレー
ザビーム５の検出領域Ｒを通過する間に生じた散乱光
は、その一部が第１散乱光窓11a を直接に透過する第１
散乱光12a と、第２散乱光窓11b を透過する第２散乱光
12b になる。そして、前記第１散乱光12a は、受光レン
ズ13で集光されてフォトダイオード14の受光面15に直接
に結像される。一方、前記第２散乱光12bは、コリメー
トレンズ16で平行光にされかつ平面ミラー17で反射され
て、再度コリメートレンズ16で集光されＰ点で結像して
から、そのＰ点の像が第１散乱光窓11a と受光レンズ13
とを経て前記受光面15に結像される。この受光面15に対
する第１散乱光12a と第２散乱光12b の各結像は、前記
第１実施例と同じである。

【００２３】したがって、前記微粒子を、第１散乱光12
a,第２散乱光12b のそれぞれで形成された各像の和とし
てフォトダイオード14で検出するから、前記第１実施例
の説明から明らかなように、フォトダイオード14が検出
する第１散乱光12a,第２散乱光12b の各強度が大きくな
り、かつ第１散乱光12a,第２散乱光12b のそれぞれを検
出することで、観測立体角が前記第１実施例の２倍にな
るから、フォトダイオード14が検出する散乱光12a,12b
の強度を一層大きくすることが可能であり、Ｓ／Ｎ比を
更によくすることができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明の微粒子カウンターは、上記のよ
うに、フローセルに対するレーザビームの入射方向と、
試料流体の流動方向とを平行方向にするとともに、光検
出器の受光面が、受光レンズ系の収差で微粒子の像にぼ
けが生じても、その像全体を受像可能な面積を有し、か
つ試料流体に照射されたレーザビームの光軸と平行方向
の前記受光面の寸法が、レーザビームに設定される検出
領域の光軸方向の範囲と同程度に対応するように設定さ
れている。

【００２５】したがって、レーザビームの前記検出領域
を、その軸線方向に移動する微粒子から生じた散乱光に
おいて、受光レンズ系に入射された散乱光のほぼ全量を
前記受光面に結像させることが可能である。しかも、前
記受光面の像にぼけが生じても、その全体を受光面が受
像可能であるから、光密度が高い検出領域の全長を有効
に活用して、光検出器で検出する散乱光の強度を大きく
することが可能であって、Ｓ／Ｎ比がよくなり、微粒子
の可測粒径の下限を大きく下げることが可能である。ま
た、レーザビームを大きく絞らなくてもＳ／Ｎ比がよい
ので、照射光学系のコストを引き下げることが可能であ
るとともに、収差が比較的的大きい受光レンズ系の使用
が可能であって、そのコストを引き下げることも可能で
あり、レーザビームを用いた微粒子カウンターを低コス
トで構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の断正面図である。

【図２】第１実施例のフォトダイオードの拡大断正面図
である。

【図３】絞ったレーザビームの要部の斜視図である。

【図４】第２実施例の断正面図である。

【図５】従来例の要部の斜視図である。

【符号の説明】

１…フローセル、２…照射光窓、３…照射光学系、５…
レーザビーム、７…集光レンズ、８…ライトトラップ、
12…散乱光、13…受光レンズ、14…フォトダイオード、
15…受光面、Ｒ…検出領域。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フローセルに設けた照射光窓と相対し
   て、前記フローセルにライトトラップが設けられるとと
   もに、このライトトラップの端部に試料流体の供給ライ
   ンが接続され、かつ前記ライトトラップを経てフローセ
   ルに供給された試料流体の流れに対し、その流動方向と
   平行方向でレーザビームを集光レンズで集光して照射す
   る照射光学系が、前記照射光窓の外側に配置され、試料
   流体に含まれた微粒子に前記レーザビームが照射されて
   生じる散乱光を、受光レンズ系で結像させる光検出器の
   受光面が、受光レンズ系の収差で前記微粒子の像にぼけ
   が生じても、その像全体を受像することが可能な面積を
   有し、かつ試料流体に照射されたレーザビームの光軸と
   平行方向の前記受光面の寸法が、集光レンズで集光され
   たレーザビームの焦点部分における検出領域の光軸方向
   の範囲と同程度に対応するように設定されたことを特徴
   とする微粒子カウンター。