JPS6176935A - 微粒子計数装置 - 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】 〔発明の分野〕 本発明は半導体製造工場のクリーンルーム等において用
いられ、空気中に含まれる微小な粒子数を計数する微粒
子計数装置に関し、特に核凝縮手段に特徴を有する微粒
子計数装置に関するものである。

〔従来技術とその問題点〕

半導体工場のクリーンルーム等に用いられる微粒子計数
装置としては、工場内のエアロゾルを抽出してノズルよ
り所定の測定領域内に噴出させ、そこにレーザ光等を照
射し散乱光の有無に基づいて粒子数を計測する微粒子計
数装置が知られている。このような従来の微粒子計数装
置によればサブミクロンオーダの領域の超微粒子の測定
が困難であり、微粒子を測定領域に噴出させる速度によ
って測定できる粒子径が制限されてしまうという問題点
があった。

そこで例えば特開昭５７−４２８３９号に示されている
ように、微粒子を核として蒸気を凝縮させ、成長させて
光学的に検出するようにした微粒子検出装置が知られて
いる。このような核凝縮法による蒸気としては通常ブチ
ルアルコールやヘキサノール等のアルコール蒸気が用い
られる。これはアルコールは蒸発熱や比熱が小さく又表
面張力も小さいので、飽和蒸気の発生が容易であり微粒
子を抜として容易に粒径の大きな凝縮核を作ることがで
きるからである。しかしながらアルコール系の溶媒を用
いて核凝縮させた場合には計測後アルコール蒸気が空中
に漏れる恐れがあり、異臭が発生するという問題点があ
る。従って半導体製造工場等のクリーンルームにはアル
コール系の溶媒を使用することは好ましくない。一方水
は異臭を発生させないが、アルコールに比べて蒸発熱や
表面張力が大きく凝縮核の生成が困難であり、検出用の
光学系のレンズ面を曇らせるという問題点がある。更に
エアロゾルの噴出ノズルの先端に水滴が生じ計測上の障
害を発生することが多いため、核凝縮法において水を溶
媒として用いることは困難であった。従来より水を含む
容器を断熱膨張させて香箱としそこを通過する粒子を計
測する微粒子計測装置が知られているが、これらは間欠
式でありエアロゾルを連続して検出することはできなか
った。

〔発明の目的〕

本発明はこのような従来の微粒子計数装置の問題点に鑑
みてなされたものであって、異臭を発生する恐れのない
水蒸気を使用し微粒子を核として確実に核凝縮を起こさ
せ、容易に微粒子数を測定することができる微粒子計数
装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成と効果〕

本発明はレーザビームを発生させるレーザ光源、該レー
ザビームを集束させる光学手段、微粒子の粒径を拡大さ
せる粒径拡大手段を有し、該レーザビームの焦点位置を
通過する微粒子の散乱光に基づいて粒子数を計数する微
粒子計数装置であって、粒径拡大手段は、高温の飽和蒸
気と被測定微粒子を含むエアロゾルとを混合し、微粒子
を核として蒸気を凝縮させるものであり、エアロゾルを
導くダクトの高温飽和蒸気を導（ダクトとの接続部に設
けられた第１の冷却手段と、混合された被測定微粒子及
び高温飽和蒸気の流路に設けられた第２の冷却手段と、
第２の冷却手段を有する流路を介して拡大された粒径の
粒子をレーザビームの焦点位置に噴出させる噴出手段と
、を有することを特徴とするものである。

このような特徴を有する本発明によれば、高温の飽和蒸
気とエアロゾルとを混合する混合部のエアロゾルを導く
ダクトに冷却手段を設けることによってエアロゾルと高
温飽和蒸気との温度差を一定に保っている。そうすれば
微粒子を核として容易に水蒸気を凝縮させることが可能
となる。又混合部の流路の一部を冷却部とし余分の水蒸
気を冷却させて混合器より外部に放出させると共に、微
粒子を核として凝縮した凝縮核の成長を促進している。

こうずればノズルの先端に水滴が発生しなくなり確実に
粒子を計数することができる。又冷却部において液化し
た水の潜熱が吸収されるため、温度上昇が抑制され過飽
和度を一定に保つと共に凝縮核の成長を成熟させること
が可能となる。このようにすればアルコール等に比べて
蒸発熱が大きく、クリーンルームの微粒子測定のための
核凝縮に使用することが困難であった水をアルコールに
代えて用いることができる。それ数本発明によればクリ
ーンルームにおいて異臭なくサブミクロンオーダの微粒
子を容易に計数することが可能となる。

〔実施例の説明〕 （実施例の構成） 第１図は本発明による微粒子計数装置の一実施例を示す
全体構成図である。本図において光源室１にはレーザダ
イオード２等のレーザ光源が配置され、その先軸上に光
径を平行光に拡大するコリメートレンズ３と円筒状レン
ズ４が配置される。

円筒状レンズ４は前面が平板であり裏面が円弧状に形成
された長方形状のレンズであって、紙面に垂直軸方向に
はレーザビームを集束させずにＸ軸方向にのみレーザビ
ームを集束させるものである。

光源室１の前面には中央のレーザビームの透過部を除い
てヒータ６が貼り付けられたガラス板５が取り付けられ
る。そしてガラス板５を介して光行路に沿って計測室７
が形成される。計測室７はレーザビームの光行路にエア
ロゾルを所定の速さで噴出させて光散乱させる領域であ
って、拡大した粒子の粒径を保持し迷光による暗雑音を
減少させるため密閉構造とする。計測室７の右側方には
更に光行路に沿って光検出室８が配置される。光検出室
８は散乱光を集光して電気信号に変換する部分であって
、その前面に散乱光を集光する集光レンズ９及び１０が
設けられる。集光レンズ１０の焦点位置には例えばＰＩ
Ｎダイオード等の光電変換器１１が設けられており、散
乱光をそれに対応した電気信号に変換する。ここで集光
レンズ９の中央位置には円筒状レンズ４より直接与えら
れるレーザビームを遮断するビームトラップ１２が設げ
られ、又集光レンズ９の表面にはほぼレンズ表面を所定
間隔で（まなく覆うヒータ１３が設けられている。

次にエアロゾルの粒径拡大手段について説明する。第１
図に示すようにクリーンルーム内の空気はバルブ２０を
介して流量計２１に取り込まれる。

流量計２１にはフィルタ２２が接続されており、フィル
タ２２によって粉塵が取り除かれ、清浄な空気として高
温飽和蒸気室２３に与えられる。高温飽和蒸気室２３ば
図示のように水がヒータ２４によって加熱されており、
与えられた空気を清浄な高温の飽和水蒸気としてダクト
２５を介して混合室２６に伝えるものである。混合室２
６には更にダクト２７を介してクリーンルーム内等の被
測定微粒子が含まれたエアロゾルが与えられている。

混合室２６は宝温のエアロゾルと清浄な高温の飽和蒸気
とを混合しエアロゾルの微粒子を核として蒸気を凝縮さ
せ粒径を拡大する領域であって、ノズル２８と一体に形
成されている。ノズル２８は先端部が中央噴出口２８ａ
と周辺噴出口２８ｂとの二重構造を有しており、その先
端がレーザビームの光行路を介して排出ダクト３１に対
向している。排出ダクト３１はノズル２８から噴出され
るエアロゾルを吸い込むものであって、その一端にバル
ブ３２を介して流量計３３が接続され、更に流量計３３
の出口側にポンプ３４が接続される。

ポンプ３４は排出ダクト３１からの排気を吸い込みフィ
ルタ３５を介して空気中に放出することによってノズル
２８側から測定用のエアロゾルを噴出させるものである
。

次に第２図はノズル２８と一体に形成された混合室２６
の一実施例を示す断面図である。本図に示すように混合
室２６の右側のダクト４０はダクト２５を介して高温飽
和蒸気室２３に接続されており、図中上部より被測定領
域内のエアロゾルがダクト４１を介して導かれる。ダク
ト４１の先端は、環状の保持部材４２に設けられエアロ
ゾルを一時保持するエアチャンバー４２ａに連通してい
る。エアチャンバー４２ａの底部にはダクト４０を貫通
するミキシングノズル４３が形成されている。エアチャ
ンバー４２ａが形成される保持部材４２の外側には更に
円筒の固定リング４４が設けられる。固定リング４４の
ダクト４１近傍には、図示のように空冷フィン４４ａが
形成されダクト４１と保持部材４２の温度上昇を抑制し
ている。

更にミキシングノズル４３に対向する位置には保持部材
４２にノズル４２ｂとチャンバー４２Ｃが形成され、水
ｌ＾となった不要の水を排出する゛ドレインダクト４５
が設けられる。そしてこのタリト４０の左端は内周にテ
ーパーが形成された拡散筒４６に連通している。拡散筒
４６は微粒子を核として水蒸気を凝縮させる部分であっ
て、断熱効果を与えるために熱の不良導体、例えば合成
樹脂によって構成するものとし、その端部は冷却筒４７
に接続される。冷却筒４７は熱伝導率のよい金属等の材
料により形成され、その外周に図示のように一定間隔の
空冷フィン４７ａを有している。冷却筒４７は通過する
水蒸気を冷却する領域であって、余分の水蒸気を除くと
共に凝縮核の成長を促進するものである。拡散筒４６及
び冷却筒４７には夫々図示のように窪みとそれに連通し
たドレイン孔４６ａ、４７ｂが設けられており、水滴化
した不要の水蒸気を混合室２６より排出する。そしてこ
の冷却部４７に連通して合成樹脂材料等からなる絞り部
４８が形成され、その先端がノズル２８の中央噴出口２
８ａとなって光計測室７に面している。ノズル２８は前
述したように二重構造となっており、紙面の上部より清
浄な空気が円筒部材４９の絞り部４８との間に導かれノ
ズル２８の周辺噴出口２８ｂに連通している。向、円筒
部材４９にも余分の水を外部に放出するドレイン孔４９
ａ７！！ぐ設けられている。

次に第３図は本発明による光検出室８の光電変換器１１
の出力を処理する電気信号処理部の回路図である。本図
に示すように光電変換器１１の出力はバイパスフィルタ
５０及びローパスフィルタ５１に導かれる。バイパスフ
ィルタ５０は測定すべき粒子の粒径とエアロゾルの流速
に対応して得られる信号幅の散乱信号をノイズ成分と分
離するためのフィルタであって、その出力は比較器５２
に与えられる。、比較器５２には所定の基準レベルＶｒ
ｅｆｌが与えられており、基準レベルを越える信号を方
形波信号に変換してゲート回路５３に伝える。ゲート回
路５３には更にタイミング回路５４より所定のタイミン
グ毎に一定間隔のゲート信号が与えられており、ゲート
開放時に得られる粒子信号を計数器５５に伝える。計数
器５５は与えられたパルス数を計数するものであって、
その出力を表示器５６に与えて表示する。

一方ローバスフィルタ５１は所定の低周波以上の周波数
の信号を遮断して散乱信号に重量される直流成分を弁別
するものであって、その出力を比較器５７に与え乙。比
較器５７は得られた光電変換出力の直流成分が所定の基
準レベルＶｒｅｆ２以上となるときに信号を表示器５６
と出力回路５８に与える。表示器５６は比較器５７より
出力が与えられたときに計数表示を停止すると共にエラ
ー表示を行い、出力回路５８は外部にエラー信号を、与
えるものである。

（実施例の動作） 光源室１においてレーザダイオード２によって発振した
レーザ光はレンズ３によってコリメートされ、円筒状レ
ンズ４によってＸ軸方向のみが集束される。このレーザ
ビームが計測室７に与えられてノズル２日の直前に焦点
を結ぶ。そしてポンプ３４を動作させることによって排
出ダクト３１より混合室２６内の空気が吸引される。そ
のためクリーンルームの空気はバルブ２０．流量計２１
及びフィルタ２２を介して清浄な空気として高温飽和蒸
気室２３に導かれ、清浄な高温飽和水蒸気がダク）２５
．４０を介して混合室２６に伝えられる。更にクリーン
ルームの被測定微粒子を含むエアロゾルがダク）２７．
４１を介して混合室２６に伝えられる。ここで高温飽和
水蒸気が与えられるダクト４０からの熱伝導によりダク
ト４１の温度が上昇するが、ダクト４１を混合室２６に
接続する固定リング４４には図示のように空冷フィン４
°４ａが形成されているため、ダクト４１の温度を下げ
ることができエアロゾルの温度はほぼクリーンルームの
室温に保たれる。従って高温の飽和蒸気とエアロゾルと
の温度差が一定以上に確保され、微粒子を槙として飽和
蒸気をその周囲に凝縮し易くなる。そしてダクト４０内
で混合された微粒子と高温の飽和蒸気は、拡散筒４６を
通過する際に飽和蒸気が微粒子を核として凝縮成長し冷
却部４７に与えられる。冷却部４７では空冷フィン４７
ａにより飽和蒸気を冷却することによって余分の飽和蒸
気を凝縮させ、ドレイン４７ｂより余分の”水分を放出
させる。更に液化した水の潜熱を吸収し温度上昇を抑制
することによって過飽和度を一定に保ち、微粒子を核と
して成長した凝縮核の成長を促進する。こうして形成さ
れた凝縮核は絞り部４８を介してノズル２８の中央噴出
口２８ａより計測室７内を通って排出ダクト３１に噴出
される。又クリーンルーム内の空気はダクト３０を通じ
て吸引され、フィルタ２９を通過して清浄な空気として
ノズル２８の周辺噴出口２８ｂより噴出する。従ってレ
ーザビームの焦点に粒径が拡大された凝縮核が噴き出さ
れ、その周辺に清浄な空気が同一の速度で噴出すること
となる。そしてこの凝縮核がレーザビームの焦点を通過
するときにレーザ光が散乱し、その散乱光は集光レンズ
９によって集光される。ここで計測室７内の浮遊凝縮核
がレーザビーム内を通過したとしても、レーザ光が集光
されていない部分ではエネルギー密度が低いので集光レ
ンズ９にほとんど散乱光が伝えらない。又レーザ光が集
束されている測定領域近傍ではノズル２日の周辺噴出口
２８ｂより清浄な空気が噴出しているので、′／＄遊凝
縮核による散乱の影響を除くことができ、中央噴出口２
８ａより噴出する微粒子の散乱光のみを集光することが
できる。こうして得られた散乱光は集光レンズ９゜１０
によって集光され光電変換器１１に伝えられて電気信号
に変換される。

さて混合室２６において微粒子の周囲に水蒸気を凝縮さ
せているため計測室７は高湿となっており、一方光電変
換器１１として光電子増倍管等を用いた場合にはこれを
できるだけ低温としている。

そのため計測室７と光源室ｌ及び光検出室８間に設けら
れるガラス板５．ｓ光レンズ９の表面には水蒸気が付着
して色が生じ易くなっている。こうした会を防止するた
めにガラス板５と集光レンズ９の前面のヒータ６．１３
に常に通電している。

しかしながらヒータ６．１３が断線したり動作開始直後
等何らかの理由で集光レンズ９の前面に水蒸気が付着し
た場合には、散乱光が充分集光されずノイズ成分が増加
し暗雑音の直流レベルが低下する。比較器５７は直流レ
ベル出力の低下を検知すれば表示器５６に信号が与えら
れてエラー表示を行う。更に出力回路５８より外部にエ
ラー信号が伝えられる。そうすれば集光レンズ９の曇に
より誤った計数をする恐れがなく、計数の信頼性を向上
させることができる。

尚本実施例は光源として半導体レーザを用いているが、
ｌ１ｅ−Ｎｅ　レーザ等を用いることができることはい
う才でもない。更にフィルタ３５の排気を再び混合室に
導き、粒径拡大手段を循環式に構成することも可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による微粒子計数装置の一実施例を示す
全体構成図、第２図は混合室２６の一実施例を示す断面
図、第３図は本実施例の電気的構成を示すブロック図で
ある。 １−・−光源室　　２−−−一−・−レーザダイオード
　　３−一一一一・−コリメートレンズ　　４−−−−
−−一円筒状レンズ７−・−計測室　　８−−−−−−
一光検出室　　１１−・−光電変換器　　１２−・−−
−−−ビームトラップ　　２１゜３３−・−流量計　　
２２．２９．３５・−−−ｍ−・フィルタ　　２３−・
・−高温飽和蒸気室　　２６・−−−一−−混合室　　
　２７．　３０．　４０．　４１−−−−−−−ダクト
　　　２８−・・−ノズル　　３　Ｌ−−−−−−一排
出ダクト　　３４−・・−ポンプ　　４２−−−−−−
一保持部材　　４３−−−−−−−ミキシングノズル　
　４４−−−−−−・固定リング　　４６−・−−・−
拡散筒　　４７−−−−−−一冷却筒　　４４　ａ、　
　４７　ａ−・−・−空冷フィン　　４８−−−−−−
一絞り部第１図 ７−−−−−−計見！ ２３−−−−−も〕１杷如蕉截室 ２６−−−−−混心！ ２８−−−−−ノズル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザビームを発生させるレーザ光源と、該レー
   ザビームを集束させる光学手段と、微粒子の粒径を拡大
   させる粒径拡大手段と、を有し、該レーザビームの焦点
   位置を通過する微粒子の散乱光に基づいて粒子数を計数
   する微粒子計数装置において、 前記粒径拡大手段は、高温の飽和蒸気と被測定微粒子を
   含むエアロゾルを混合し、微粒子を核として蒸気を凝縮
   させるものであり、 前記エアロゾルを導くダクトの高温飽和蒸気を導くダク
   トとの接続部に設けられた第１の冷却手段と、 前記混合された被測定微粒子及び高温飽和蒸気の流路に
   設けられた第２の冷却手段と、 前記第２の冷却手段を有する流路を介して拡大された粒
   径の粒子をレーザビームの焦点位置に噴出させる噴出手
   段と、を有することを特徴とする微粒子計数装置。
2. （２）前記粒径拡大手段は、微粒子を核として水蒸気を
   凝縮させ、粒径を拡大するものであることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の微粒子計数装置。
3. （３）前記第２の冷却手段は、周辺に空冷フィンが形成
   された冷却筒であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の微粒子計数装置。