JPH1137974A

JPH1137974A - 粒子組成分析装置

Info

Publication number: JPH1137974A
Application number: JP9192458A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Konishi; 郁夫小西
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1997-07-17
Filing date: 1997-07-17
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】発生した粒子を直接に組成分析するインライ
ン分析を行うことができる粒子組成分析装置を提供す
る。【解決手段】チャンバー４内での粒子の組成分析を行
うために、粒子発生源２と連通したチャンバー４と、チ
ャンバー内の粒子を検出する検出手段（光検出器１
６’）と、検出手段で検出した検出粒子にプローブビー
ムを照射するプローブ（励起用パルスレーザー光源１
４’）と、プローブビームの照射により放出される信号
粒子を検出する組成検出手段（質量分析装置１７’）と
を備えた構成とし、検出粒子から得られる信号粒子を組
成分析することによって、粒子発生源の粒子の組成分析
を行う。これによって、組成分析機構を備えたチャンバ
ーを粒子発生源に設け、このチャンバー内の粒子を組成
分析する構成とし、粒子のインライン分析を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、粒子組成分析装置
に関し、特に粒子の発生源に組み込み、インラインで粒
子の組成分析を行う粒子組成分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種の製造装置内では粒子が発生する場
合があり、特に、半導体製造装置内では例えば、０．１
μｍ以下の微粒子が問題となる。半導体製造中に発生す
る粒子はダストとなり、半導体の精度や生産性に影響を
与えることになる。粒子の発生を防止し、プロセスの歩
留まりを向上させるためには、発生した粒子の存在を検
出するだけでなく、粒子の組成を知り、粒子の発生源を
求めることが必要となる。

【０００３】しかしながら、粒子のサイズが非常に微小
であるため、従来では粒子の存在を検出するか、あるい
はサンプリングした粒子を他の場所に設置した分析装置
で組成分析を行うという、いわゆるオフライン分析を行
っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の粒子の組成分析
では、組成分析装置は粒子の発生源となっている装置と
分離しているため、サンプリングした粒子を組成分析装
置に移動させてセットする必要があり、組成分析ための
操作が煩雑となるという問題があり、また、粒子のサン
プリングと組成分析との間に時間的ずれが発生し、迅速
な対応が困難であるという問題がある。

【０００５】そこで、本発明は前記した従来の粒子組成
分析装置の持つ問題点を解決し、発生した粒子を直接に
組成分析するインライン分析を行うことができる組成分
析装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の粒子組成分析装
置は、組成分析機構を備えたチャンバーを粒子発生源に
設け、このチャンバー内の粒子を組成分析する構成であ
り、これによって粒子のインライン分析を行うものであ
る。

【０００７】本発明の粒子組成分析装置は、チャンバー
内での粒子の組成分析を行うために、粒子発生源と連通
したチャンバーと、チャンバー内の粒子を検出する検出
手段と、検出手段で検出した検出粒子にプローブビーム
を照射するプローブと、プローブビームの照射により放
出される信号粒子を検出する組成検出手段とを備えた構
成とし、検出粒子から得られる信号粒子を組成分析する
ことによって、粒子発生源の粒子の組成分析を行う。

【０００８】本発明のチャンバーは、半導体製造装置等
の粒子発生源と連通して接続され、粒子発生源で発生し
た粒子を、粒子発生源が駆動した状態でチャンバー内部
に導入することができる。粒子発生源からチャンバーへ
の粒子の導入は、排気系や集塵系を介して行うことがで
きる。チャンバーは、粒子発生源と排気ポンプとの間に
配置した配管、あるいは粒子発生源と連結する密閉室を
用いて構成することができる。

【０００９】粒子を検出する検出手段は、チャンバー内
における粒子の位置、あるいは特定位置に粒子が到達し
たことを検出し、この検出に基づいて検出粒子にプロー
ブ照射を行わせる手段であり、チャンバー内にレーザー
光を照射するレーザー光源、および粒子による散乱光を
検出する光検出器を備えた構成とすることができ、光検
出器として、２次元ＣＣＤあるいは１次元ＣＣＤ等のイ
メージセンサーを用いることができる。

【００１０】プローブは、検出手段で検出した検出粒子
にプローブビームを照射し、検出粒子から信号粒子を放
出させる手段であり、レーザー光、あるいは電子やイオ
ンや中性粒子等の粒子ビームを用いることができる。レ
ーザー光を照射された粒子はイオン化され、粒子の組成
に基づくイオンが信号粒子として放出され、組成検出手
段によって検出され組成分析が行われる。

【００１１】組成検出手段は、粒子から放出された信号
粒子を入射して、その組成を検出する手段であり、質量
分析装置や光スペクトル検出器を用いることができ、質
量分析装置として飛行時間分解型質量分析装置を用いる
ことができる。

【００１２】本発明の粒子組成分析装置によれば、粒子
発生源で発生した粒子を連通するチャンバー内に導き、
検出手段によって粒子を検出し、その位置を求める。求
めた検出粒子に対してプローブを照射して、粒子から信
号粒子を放出させる。この信号粒子を組成検出手段で検
出し、信号粒子の組成を分析する。この信号粒子の組成
分析によって、粒子発生源で発生した粒子の組成を分析
することができる。なお、粒子を検出する検出手段によ
って、チャンバー内における粒子位置の他に、粒子径や
個数を求めることもできる。

【００１３】また、本発明の粒子組成分析装置におい
て、粒子を検出する検出手段による粒子の位置検出を省
略し、プローブビームを照射するプローブと、プローブ
ビームの照射により放出される信号粒子を検出する組成
検出手段とによって構成することもできる。この場合に
は、プローブビームによって照射される粒子が存在する
時のみ粒子の組成分析を行うことができる。

【００１４】本発明の粒子組成分析装置によれば、粒子
発生源と組成分析装置が近接しているため、サンプリン
グした粒子を組成分析装置に移動させてセットする必要
がなく、組成分析ための操作が容易となる。また、粒子
の検出と組成分析との間に時間的ずれが実質的に無いた
め、迅速な対応が可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照しながら詳細に説明する。本発明の実施の形態の構
成例について、図１，２の本発明の粒子組成分析装置の
実施形態を説明する概略ブロック線図を用いて説明す
る。なお、図１は、粒子発生源として半導体製造装置の
場合について、検出粒子をレーザー光でイオン化して質
量分析系で分析検出する構成を示している。

【００１６】図１において、粒子組成分析装置１は、粒
子発生源２と粒子の導入ができるように連結される。粒
子発生源２は、例えば半導体製造装置２１およびその排
気系２１又は集塵系２２であり、半導体製造装置２１で
発生した粒子は排気系２１又は集塵系２２で集められ
て、粒子組成分析装置１に導入される。粒子組成分析装
置１は、導入した粒子を検出し位置を同定する粒子検出
系１１と、検出した粒子の組成分析を行うための粒子分
析系１２を備え、排気ポンプ３で外部に排気される。

【００１７】粒子検出系１１には、散乱用レーザー光源
１３から散乱用レーザー光が照射され、粒子で散乱され
た散乱光は散乱光検出系１５および位置検出系１６で検
出される。散乱光検出系１５は粒子の個数やサイズを検
出するための検出手段を備え、位置検出系１６は粒子の
位置を同定するための検出手段を備える。

【００１８】粒子分析系１２には、イオン化励起用レー
ザー光源１４からイオン化励起用レーザー光が照射さ
れ、イオン化されたイオン等の信号粒子は質量分析系１
７等の組成検出手段で検出される。イオン化励起用レー
ザー光の照射は、位置検出系１６の検出信号に基づいて
行う。これによって、移動中の粒子に対してイオン化励
起用レーザー光を照射することができる。

【００１９】なお、イオン化励起用レーザー光源１４に
代えて、電子やイオンや中性粒子等の粒子ビームを照射
するプローブ源を用いることもでき、また、組成検出手
段として質量分析系に代えて光スペクトル検出器を用い
ることもできる。上記構成により、半導体製造装置２１
中で発生した粒子は、排気系又は集塵系２２，粒子検出
系１１，粒子分析系１２，および排気ポンプ３で形成さ
れる流路を通過する間に、位置が同定され、該同定され
た粒子の組成検出を行うことができる。

【００２０】図２は本発明の粒子組成分析装置の詳細な
構成図である。また、図１と同様に、検出粒子をレーザ
ー光でイオン化して質量分析系で分析検出する構成を示
している。図２において、粒子組成分析装置１は、粒子
発生源２と連通するとともに、図示しない排気ポンプで
排気が行われる配管４を接続している。配管４におい
て、上流側に粒子検出系１１を設け、下流側に粒子分析
系１２を設ける。

【００２１】粒子検出系１１は、散乱用レーザー光を照
射する散乱用レーザー光源１３と、照射されたレーザー
光を配管内で往復させるミラー１８と、粒子の個数およ
びサイズを検出するための散乱光系１５の光検出器１
５’と、粒子５ａの位置を同定するための位置検出系１
６の光検出器１６’を備える。散乱光系１５の光検出器
は、配管を通過する粒子の総数およびサイズを検出する
フォトマルチプライヤーであるのに対して、位置検出系
１６の光検出器１６’は視野が限定された粒子位置同定
用のフォトマルチプライヤーである。フォトマルチプラ
イヤーとして、２次元ＣＣＤあるいは１次元ＣＣＤ等の
イメージセンサーを用いることもできる。

【００２２】なお、散乱光系１５と位置検出系１６の光
検出器１５’，１６’は必ずしも同一粒子を検出する必
要はない。また、散乱光系１５と位置検出系１６を一つ
の光検出器で検出する構成とすることもできる。なお、
位置検出系１６の光検出器１６’によって粒子位置を同
定し、イオン化のためのレーザー光を検出粒子に照射す
るためには、２個所以上で位置検出を行って速度ベクト
ルを求める必要があるが、図示するような配管によっ
て、排気ガスの流れに直線部分を形成して、排気ガス流
の速度を実質的に一定することによって、１個所のみの
測定で粒子位置の同定を行うことができる。また、ミラ
ー１８は粒子の検出確率を高めるための構成であり、粒
子の密度によっては省略した構成とすることもできる。

【００２３】粒子分析系１２は、検出粒子５ｂをイオン
化するためのパルスレーザー光を照射する励起用パルス
レーザー光源１４’と、イオン化された信号粒子を検出
して質量検出を行う質量分析装置１７’と、信号粒子を
質量分析装置１７’に導くための引き出し電極１９を備
える。励起用パルスレーザー光源１４’が発するパルス
レーザー光のパワー密度は、例えば、１０¹¹Ｊ／ｃｍ²
・sec程度以上の、粒子をイオン化するの十分なエネル
ギーとする。

【００２４】励起用パルスレーザー光の照射位置は、検
出粒子に応じて任意位置とすることができるが、位置検
出系１６の光検出器１６’の検出信号によってパルスレ
ーザー光の照射位置を制御することは装置を複雑化する
ため、特定位置に固定することが望ましい。従って、位
置検出系１６の光検出器１６’によって粒子位置を同定
し、位置信号（図中の破線）を下流側の励起用パルスレ
ーザー光源１４’に送信し、検出粒子が特定の照射位置
に到達する時刻にパルスレーザー光を照射して、検出粒
子をイオン化し組成検出を行う。

【００２５】例えば、比較的ガス圧力が高く、粒子と排
気ガスとの間で多数回の衝突を起こすような条件では、
粒子の移動速度は排気ガスの流速との間に大きな相関関
係がある。例えば、直径２０ｍｍの配管を３００リット
ル／分の速度で排気する場合には、排気ガスの流速は毎
秒１６ｍｍ程度の速度となる。したがって、粒子位置を
同定した後、１ｍｓｅｃ程度の間隔でイオン化用のレー
ザー光を照射すると、１６ｍｍ程度移動した位置に照射
することになる。このとき、流れと直角方向の成分が排
気ガスの流速の１００分の１程度であるとすると、直線
移動したとして求めた推定位置から０．３ｍｍ径の円内
に粒子は存在することになる。したがって、照射するイ
オン用のレーザー光を０．２から０．３ｍｍに絞れば、
粒子全体又は一部を容易にイオン化することができる。
なお、レーザー光による物質のイオン化技術は、レーザ
ースパッタ装置やＭＡＬＤＩ質量分析装置等で既知の技
術である。

【００２６】質量分析装置１７’は、飛行時間分解型質
量分析装置を用いることができる。この組成分析では、
分析対象が粒子であり、連続的にイオン化されないこ
と、平均組成だけでなく粒子毎の組成分析が可能である
こと等から、同時分析が可能な質量分析装置が求めら
れ、比較的小型で簡易な構成の飛行時間分解型質量分析
装置はこのような質量分析装置として適合するものであ
る。

【００２７】イオン化されたイオンは、引き出し電極１
９によって、飛行時間分解型質量分析装置１７’のフラ
イトチューブに導かれ、飛行時間から質量が決定され
る。なお、フライトチューブとしては初期のエネルギー
分布を吸収ためにリフレクトロンが望ましいが、これに
限定されるものではない。また、セクターマグネットと
位置検出センサを組み合わせた質量分析装置を用いるこ
ともできる。

【００２８】次に、図３，４を用いて粒子検出系と粒子
分析系との関係を説明する。なお、図３は排気ガスの流
速が一定と仮定した場合の説明図であり、図４は排気ガ
スの流速を検出する場合の説明図である。また、図３，
４において、粒子は図中の左方から右方に向かって流
れ、粒子検出系の検出器と粒子分析系のレーザー照射位
置との距離はＬとする。

【００２９】図３において、排気ガスの流速をｓとする
と、検出器は時刻ａにおいて粒子５ａの通過を検出する
と、検出器とレーザー照射位置との距離Ｌを流速ｓで除
したＬ／ｓの時間が経過した時刻ｂに、検出器で検出し
た同じ粒子５ｂがレーザー照射位置に到達する。この時
点でパルスレーザー光を照射することにより、検出器で
検出した同じ粒子５ｂをイオン化することができる。

【００３０】また、図４において、排気ガスの流速が不
明であるとし、径Ｄを持つ散乱用レーザー光を照射する
ものとする。この場合には、粒子５ａは時刻ａにレーザ
ー光の照射領域に入り、時刻ａ’にレーザー光の照射領
域から出て通過する（図４中の粒子５ａ’）。検出器
は、各検出時刻ａ，ａ’を検出し、径Ｄと時刻ａおよび
ａ’の時間間隔ｄｔとから粒子の流速（Ｄ／ｄｔ）を求
め、検出器とレーザー照射位置との距離Ｌを求めた流速
（Ｄ／ｄｔ）で除したＬ／（Ｄ／ｄｔ）の時間が経過し
た時刻ｂにパルスレーザー光を照射する。このとき、検
出器で検出した同じ粒子５ｂはレーザー照射位置に到達
しており、照射されたパルスレーザー光によってイオン
化される。

【００３１】前記構成は、粒子検出系１１と粒子分析系
１２を設け、粒子の位置検出とイオン化の２段階で行う
場合であるが、粒子の位置検出を省略し、パルス照射を
粒子の飛来に無関係に行って、パルス照射時にその位置
に飛来した粒子の分析を行う構成とすることもできる。

【００３２】図５は、粒子分析系のみを備える粒子組成
分析装置のブロック構成図である。図５の粒子組成分析
装置は、前記図２に示した粒子検出系１１を備えず、粒
子分析系１２のみを備えた構成である。この構成におい
て、励起用パルスレーザー光源１４からは、パルスレー
ザー光が粒子の存在と関係なく連続的に照射され、パル
ス照射時にその位置に存在する粒子をイオン化し分析を
行う。また、図６，７は、粒子発生源から導く粒子を実
質的に閉鎖された空間内で組成分析を行う場合の構成例
である。

【００３３】図６において、密閉チャンバー６を粒子発
生源２に連通させて接続し、密閉チャンバー６内に粒子
検出系１１と粒子分析系１２を設ける。図２に示した構
成例と同様に、粒子検出系１１は散乱用レーザー光源１
３と検出器１６を備え、粒子分析系１２は励起用パルス
レーザー光源１４’と質量分析装置１７’を備える。ま
た、図６の構成では、粒子の速度ベクトルを一定方向に
向かわせるために、電極２０を配置する。密閉チャンバ
ー６内の粒子は、この電極２０によって一定方向の速度
ベクトルを持つことになり、前記構成同様に組成分析を
行うことができる。

【００３４】また、図７に示す構成は、粒子分析系のみ
を備える粒子組成分析装置を密閉チャンバーに適用した
例である。図７において、密閉チャンバー６を粒子発生
源２に連通させて接続し、密閉チャンバー６内に粒子分
析系１２のみ設ける。図５に示した構成例と同様に、粒
子分析系１２は励起用パルスレーザー光源１４’と質量
分析装置１７’を備え、図６で示した構成例と同様に、
粒子の移動を制限する電極２０を配置する。密閉チャン
バー６内の粒子は、この電極２０によって、所定位置で
の停止、あるいは一定方向の速度ベクトルのよる移動や
往復運動を行う。これによって、前記構成同様に組成分
析を行うことができる。

【００３５】なお、散乱用レーザー光と励起用レーザー
光を共通のレーザー光とすることも可能であるが、散乱
用レーザー光は連続使用であり、励起用レーザー光はパ
ルス使用であるため、別個のレーザー光の使用が適当で
ある。また、励起用レーザー光による強い発光から粒子
位置検出用の検出器を保護するために、粒子位置検出用
の検出器にシャッタ機構を設け、励起用レーザー光の照
射と同期してシャッタ機構を閉じる構成とすることがで
きる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の粒子組成
分析装置によれば、発生した粒子を直接に組成分析する
インライン分析を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の粒子組成分析装置の実施形態を説明す
る概略ブロック線図である。

【図２】本発明の粒子組成分析装置の詳細な構成図であ
る。

【図３】本発明の粒子組成分析装置の排気ガスの流速が
一定と仮定した場合の説明図である。

【図４】本発明の粒子組成分析装置の排気ガスの流速を
検出する場合の説明図である。

【図５】本発明の粒子組成分析装置の粒子分析系のみを
備える構成のブロック構成図である。

【図６】本発明の粒子組成分析装置の実質的に閉鎖され
た空間内で組成分析を行う場合の構成のブロック構成図
である。

【図７】本発明の粒子組成分析装置の実質的に閉鎖され
た空間内で組成分析を行う場合の構成のブロック構成図
である。

【符号の説明】

１…粒子組成分析装置、２…粒子発生源、３…排気ポン
プ、４…配管、５…粒子、６…閉鎖チャンバー、１１…
粒子検出系、１２…粒子分析系、１３…散乱用レーザー
光源、１４…イオン化励起用レーザー光源、１４’…励
起用パルスレーザー光源、１５…散乱光検出系、１５’
…光検出器、１６…位置検出系、１６’…光検出器、１
７…質量分析系、１７’…質量分析装置、１８…ミラ
ー、１９…引き出し電極、２０…電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＧ０１Ｎ 27/64 Ｇ０１Ｎ 27/64 ＢＨ０１Ｊ 49/40 Ｈ０１Ｊ 49/40

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】粒子発生源と連通したチャンバーと、チ
ャンバー内の粒子を検出する検出手段と、前記検出粒子
にプローブビームを照射するプローブと、前記プローブ
ビームの照射により放出される信号粒子を検出する組成
検出手段とを備え、検出粒子から得られる信号粒子を組
成分析することによって、粒子発生源の粒子の組成分析
を行うことを特徴とする粒子組成分析装置。