KR20240063151A

KR20240063151A - 광학 아이솔레이터 안정화 레이저 광학 입자 검출기 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20240063151A
Application number: KR1020247012787A
Authority: KR
Inventors: 브라이언 에이. 놀렌베르그; 드와이트 셀러; 사에이드 로스타미
Original assignee: 파티클 머슈어링 시스템즈, 인크.
Priority date: 2021-09-23
Filing date: 2022-09-22
Publication date: 2024-05-10
Also published as: CN118019968A; TW202321671A; WO2023049242A1; US20230087059A1

Abstract

입자 검출 시스템은 전자기 방사선 빔을 제공하는 레이저 광학 소스, 전자기 방사선 빔을 수신하기 위한 하나 이상의 빔 성형 부재, 레이저 소스와 하나 이상의 빔 성형 부재 사이 빔의 경로에 배치된 광학 아이솔레이터이되, 시스템으로부터 레이저 소스로 반사, 산란 또는 방출된 빛에 대해 10% 이하의 투과를 제공하는 광학 아이솔레이터, 빔의 경로에 배치된 입자 검사 구역이되, 입자 검사 구역의 입자는 전자기 방사선 빔과 상호작용하는 입자 검사 구역, 입자 검사 구역으로부터 산란 및/또는 투과된 빛을 검출하도록 구성된 제1 광 검출기, 빔의 출력을 감시하도록 구성된 제2 광 검출기, 및 제2 광 검출기로부터의 신호에 기반하여 빔 출력을 조절하도록 구성된 제어기를 포함하고, 광학 아이솔레이터는 입자 검출 시스템으로부터의 광학 피드백을 제2 광 검출기로 이어지는 광학 경로로 필터링하도록 구성되는 것이고, 입자 검출 시스템은 5nm 내지 50nm 유효 입자 직경의 최소 검출 한계를 갖도록 구성되는 것이고, 레이저 광학 소스는 300밀리와트 내지 100와트의 레이저 출력을 갖는 시스템일 수 있다.

Description

광학 아이솔레이터 안정화 레이저 광학 입자 검출기 시스템 및 방법

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2021년 9월 23일에 출원된 미국 특허 가출원 번호 제63/247,449호에 대한 우선권을 주장하며, 본 출원은 그 전체 내용이 참조로 여기에 포함된다.

클린룸 조건을 요구하는 기술의 발전으로 인해 점점 더 작은 입자와 점점 더 낮은 농도의 입자의 검출 및 특성화가 요구되고 있다. 예를 들어, 마이크로전자 파운드리에서는 크기가 20 nm 미만이고, 어떤 경우에는 10 nm 미만인 입자의 검출을 추구하는데, 이러한 입자는 점점 더 민감해지는 제조 공정 및 제품에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 공정 유체 내 이러한 입자의 농도는 가끔 위양성(false positive)으로 인해 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 드는 제조 중단을 잘못 유발할 수 있을 정도일 수 있다. 또한, 의약품 및 바이오소재 제조를 위해서는 무균 처리 조건이 필요하기 때문에 건강 및 인간 안전과 관련된 표준 규정을 준수하기 위해 생물성(viable) 입자와 비생물성(non-viable) 입자의 정확한 특성화가 필요하다.

일반적으로 이러한 산업은 작은 입자의 검출 및 특성화를 위해 광학 입자 계수기에 의존한다. 더 작은 입자를 검출하려면 증가된 레이저 출력 및/또는 향상된 안정성을 가진 레이저가 필요하다. 그러한 시스템은 광학 피드백에 점점 더 민감해지고 있다. 이러한 피드백과 관련된 문제에는 주파수 불안정성, 이완 진동, 증폭된 유도 방출, 입자 오계수(false particle count), 및 일부 경우에서는 광학 손상이 포함된다.

후방 산란은 예를 들어, 공기와 광학 구성요소 사이의 계면, 광학 구성요소와 물 사이의 계면 등과 같이 굴절률이 상이한 두 물질 사이의 임의의 계면의 결과로 발생할 수 있다. 또한, 입자 계수기가 장시간에 걸쳐 작동됨에 따라, 물질 또는 파편이 광학 경로의 표면에 점진적으로 축적되어 후방 산란, 광학 방출이 증가하고 입자 계수기 데이터의 불안정성이 증가할 수 있다. 광학 경로 오염은 공기 중 분자 오염, 광화학 반응, 입자 오염 및/또는 유체 흐름 내부의 오염 잔류물 축적으로 인해 발생할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 입자를 분석하는 유체에서 분자 산란이 일어나 레이저로 되돌아올 수 있다. 이러한 종류의 후방 산란을 "노이즈(noise)"라고도 한다.

경우에 따라, 후방 산란으로 인한 노이즈는 진폭이 입자 검출 임계값을 초과할 수 있는 비정상적인 전자 신호들을 초래하여, 입자 검출 오계수를 초래할 수 있다. 이 현상은 관심 입자가 작아짐에 따라 특히 중요해졌는데, 이는 산란광 신호가 1/d^6(여기서 d는 입자의 직경)으로 감소하기 때문이다. 따라서, 매우 작은 입자를 검출하려면 빔을 통과하는 입자가 없을 때 입자 검출 임계값을 초과하는 전자 신호가 생성되는 것을 방지하기 위한 더 큰 레이저 안정성이 요구된다.

따라서, 작은 크기 치수를 갖는 입자의 신뢰성 있고 반복 가능한 광학적 감지를 제공하는 시스템 및 방법이 당업계에 필요하다는 것을 전술한 내용으로부터 알 수 있다.

도 1은 입자 농도 대 시간의 플롯을 보여준다. 시간은 X축에 표시되고 입자 농도는 Y축에 표시된다. 플롯은 동일한 매질을 샘플링하는 두 개의 입자 계수기 유닛의 데이터를 보여준다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 방출 방향으로 이동하는 빛을 위한 편광 의존형 광학 아이솔레이터의 광학 경로의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 노이즈 소스 방향으로 이동하는 빛에 대한 편광 의존형 광학 아이솔레이터의 광학 경로의 개략도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 레이저 방출 방향(위)으로 이동하는 빛에 대한 편광 독립적 광학 아이솔레이터의 광학 경로; 및 노이즈 소스 방향(아래)으로 이동하는 빛에 대한 편광 독립적 광학 아이솔레이터의 광학 경로의 개략도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 레이저 방출 방향(위)으로 광학 아이솔레이터의 일 실시형태를 통해 이동하는 무작위 편광의 광학 경로; 및 노이즈 소스 방향(아래)으로 광학 아이솔레이터를 통과하는 무작위 편광의 광학 경로의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 광학 아이솔레이터 안정화 레이저 광학 입자 계수기의 일 실시형태의 개략도이다.
도 6은 레이저 빛이 아웃바운드(outbound) 경로를 따라 되돌아오는 것을 방지하기 위해 배열된 편광 빔 분할기 큐브(polarizing beam splitter, PBS) 및 1/4 파장판을 포함하는 광학 아이솔레이터의 일 실시형태의 개략도이다.
도 7은 음향 광학(acousto-optic) 아이솔레이터의 일 실시형태의 개략도이다.
도 8은 빔 출력 검출 및 피드백 제어 루프를 포함하는 능동적 안정화 레이저의 개략도이다.
도 9는 능동적 안정화 레이저 입자 계수 시스템에서 레이저 불안정성으로 인해 입자 오계수가 발생할 수 있는 잠재적인 경로를 나타내는 흐름도이다.
도 10a는 검출된 입자 수 대 시간의 플롯이다. 시간은 X축에 표시되고 입자 개수는 Y축에 표시된다. 플롯은 수많은 위양성 검출 사건을 보여준다.
도 10b는 검출된 입자 수 대 시간의 플롯이다. 데이터는 도 10a와 동일하게 탈이온수 매질을 샘플링하는 동일한 기기에 패러데이 아이솔레이터를 설치한 후 수집되었다. 시간은 X축에 표시되고 입자 개수는 Y축에 표시된다.
도 11은 검출된 입자 수 대 시간의 플롯이다. 시간은 X축에 표시되고 입자 개수는 Y축에 표시된다. 이 플롯은 패러데이 회전자가 설치될 때까지 수많은 위양성 검출 사건을 보여주며, 이 시점에서 장치의 위양성 동작이 중단된다.
도 12는 검출된 입자 수 대 시간의 플롯이다. 시간은 X축에 표시되고 입자 개수는 Y축에 표시된다. 플롯은 수많은 위양성 검출 사건을 보여준다.
도 13은 검출된 입자 수 대 시간의 플롯이다. 데이터는 도 12와 동일하게 탈이온수 매질을 샘플링하는 동일한 기기에 패러데이 아이솔레이터를 설치한 후 수집되었다. 시간은 X축에 표시되고 입자 개수는 Y축에 표시된다.
도 14는 검출된 입자 수 대 시간의 플롯이다. 시간은 X축에 표시되고 입자 개수는 Y축에 표시된다. 플롯은 수많은 위양성 검출 사건을 보여준다.
도 15는 검출된 입자 수 대 시간의 플롯이다. 데이터는 도 14와 동일하게 탈이온수 매질을 샘플링하는 동일한 기기에 패러데이 아이솔레이터를 설치한 후 수집되었다. 시간은 X축에 표시되고 입자 개수는 Y축에 표시된다.
도 16은 검출된 입자 수 대 시간의 플롯이다. 데이터는 도 15의 광학 아이솔레이터가 장착된 장치를 통해 수집되었고, 도 14 및 도 15와 동일하게 탈이온수 매질을 샘플링하는 동일한 기기이다. 데이터는 장치의 지속적인 작동 안정성 및 유의한 위양성 검출 사건이 없음을 보여준다.
도 17은 패러데이 광학 아이솔레이터와 무작위로 편광된 광학 소스를 활용하기 위한 구성의 개략도이다.

발명의 요약

본 명세서에는 광학 아이솔레이터(isolator) 안정화 레이저 광학 입자 검출기를 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 개시된 시스템들 및 방법은 빔의 광학 경로 내 재료 사이의 계면으로 인한 후방 산란, 광학 구성요소의 오염으로 인한 후방 산란, 및/또는 입자 검사 영역 내 유체에서의 분자 산란이 레이저에 도달하는 것과 같은 잠재적인 노이즈 소스로부터 레이저 광학 입자 검출기 시스템을 보호할 수 있다. 이러한 개선의 기능적 이점은 향상된 데이터 품질, 향상된 감도 및 더 긴 레이저 수명 및 시스템 기대치를 포함할 수 있다.

일부 실시형태에서, 높은 투과율로 한 방향으로 빛을 투과하는 동시에 반대 방향으로 이동하는 빛의 투과를 방지하는 패러데이 아이솔레이터의 능력은 현대의 고감도 광학 입자 검출기에서 광학 피드백의 부정적인 영향을 줄이기 위해 사용될 수 있다.

일 실시형태에서, 입자 검출 시스템은 전자기 방사선 빔을 제공하는 레이저 광학 소스, 전자기 방사선 빔을 수용하기 위한 하나 이상의 빔 성형 부재, 레이저 소스 및 하나 이상의 빔 성형 부재 사이의 빔 경로에 배치된 광학 아이솔레이터, 빔 경로에 배치된 입자 검사 구역(입자 검사 구역의 입자는 전자기 방사선 빔과 상호작용함); 및 입자 검사 구역으로부터 산란 및/또는 투과된 빛을 검출하도록 구성된 하나 이상의 광 검출기를 포함한다.

일 실시형태에서, 입자 검출 시스템은 전자기 방사선 빔을 제공하는 레이저 광학 소스, 전자기 방사선 빔을 수용하기 위한 하나 이상의 빔 성형 부재, 레이저 소스 및 하나 이상의 빔 성형 부재 사이의 빔 경로에 배치된 광학 아이솔레이터(여기서 광학 아이솔레이터는 시스템에서 레이저 광학 소스로 반사, 산란, 또는 방출된 빛에 대해 10% 이하의 투과를 제공함), 빔 경로에 배치된 입자 검사 구역(입자 검사 구역의 입자는 전자기 방사선 빔과 상호작용함), 및 입자 검사 구역으로부터 산란 및/또는 투과된 빛을 검출하도록 구성된 하나 이상의 광 검출기를 포함한다. 바람직하게는, 일부 실시형태에서, 입자 검출 시스템은 5nm 내지 50nm 유효 입자 직경의 최소 검출 한계(예를 들어, 확실하게 검출될 수 있는 가장 작은 입자 크기)를 갖도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 입자 검출 시스템은 20nm 내지 50nm 유효 입자 직경의 최소 검출 한계를 갖도록 구성될 수 있다. 레이저 광학 소스는 300밀리와트 내지 100와트의 레이저 출력을 가질 수 있다.

일 실시형태에서, 입자 검출 시스템은 전자기 방사선 빔을 제공하는 레이저 광학 소스, 전자기 방사선 빔을 수용하기 위한 하나 이상의 빔 성형 부재, 레이저 소스 및 하나 이상의 빔 성형 부재 사이의 빔 경로에 배치된 광학 아이솔레이터, 빔 경로에 배치된 입자 검사 구역(입자 검사 구역의 입자는 전자기 방사선 빔과 상호작용함), 입자 검사 구역으로부터 산란 및/또는 투과된 빛을 검출하도록 구성된 제1 광 검출기, 빔의 출력을 감시하기 위한 제2 광 검출기, 및 제2 광 검출기의 신호를 기반으로 빔 출력을 조절하도록 구성된 제어기를 포함하고, 여기서 광학 아이솔레이터는 입자 검출 시스템으로부터의 광학 피드백을 제2 광 검출기로 이어지는 광학 경로로 필터링하도록 구성된다. 입자 검출 시스템은 5nm 내지 50nm 유효 입자 직경의 최소 검출 한계를 갖도록 구성될 수 있다. 레이저 광학 소스는 300밀리와트 내지 100와트의 레이저 출력을 가질 수 있다.

일 실시형태에서, 입자 검출 시스템은 전자기 방사선 빔을 제공하는 레이저 광학 소스, 하우징을 갖는 상기 레이저 광학 소스, 전자기 방사선 빔을 수용하기 위한 하나 이상의 빔 성형 부재, 레이저 소스 및 하나 이상의 빔 성형 부재 사이의 빔 경로에 배치된 광학 아이솔레이터(여기서 광학 아이솔레이터는 레이저 광학 소스의 하우징 내부에 배치됨), 빔 경로에 배치된 입자 검사 구역(입자 검사 구역의 입자는 전자기 방사선 빔과 상호작용함), 및 입자 검사 구역으로부터 산란 및/또는 투과된 빛을 검출하도록 구성된 광 검출기를 포함한다. 입자 검출 시스템은 5nm 내지 50nm 유효 입자 직경의 최소 검출 한계를 갖도록 구성될 수 있다. 레이저 광학 소스는 300밀리와트 내지 100와트의 레이저 출력을 가질 수 있다.

일 실시형태에서, 레이저 광학 소스는 300밀리와트 내지 10와트의 레이저 출력을 갖는다. 일 실시형태에서, 레이저 광학 소스는 500밀리와트 내지 10와트의 레이저 출력을 갖는다.

일 실시형태에서, 입자 검출 시스템은 9nm 내지 50nm 유효 입자 직경의 최소 검출 한계를 갖도록 구성될 수 있다. 일 실시형태에서, 입자 검출 시스템은 15nm 내지 50nm 유효 입자 직경의 최소 검출 한계를 갖도록 구성될 수 있다.

일부 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 레이저 광학 소스로부터의 상기 전자기 방사선 빔에 대해 50% 이상의 투과를 제공한다. 일부 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 시스템으로부터 레이저 광학 소스로 반사, 산란 또는 방출된 빛에 대해 10% 이하의 투과를 제공한다. 일부 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 상기 레이저 광학 소스에서 광학 피드백을 방지하거나 감소시킨다.

일부 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 하류 구성요소 또는 입자 검사 구역의 측정 유체에 의한 후방 반사 또는 산란광으로 인해 발생하는 레이저 광학 소스의 불안정성을 감소시킨다. 일부 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 패러데이 회전자(Faraday rotator)를 포함한다. 일 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 자립형(free standing)이다. 대안적인 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 레이저 광학 소스의 하우징에 통합된다.

일부 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 편광 의존형 광학 아이솔레이터이다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 입력 편광기, 패러데이 회전자 및 출력 편광기를 포함한다. 입력 편광기는 레이저 광학 소스와 패러데이 회전자 사이에 위치할 수 있고, 출력 편광기는 패러데이 회전자와 입자 검사 구역 사이에 위치할 수 있다.

일부 실시형태에서, 패러데이 회전자는 상기 전자기 방사선 빔의 선형 편광을 유지하면서 비가역 회전을 제공한다. 예를 들어, 패러데이 회전자(또는 그 일련의 장치)는 전자기 방사선 빔의 편광면을 45°에서 90°까지 회전시킨다.

일부 실시형태에서, 출력 편광기는 패러데이 회전자로부터 입자 검사 구역을 향해 통과하는 전자기 방사선 빔을 투과하도록 구성된다. 입력 편광기는 패러데이 회전자로부터 레이저 광학 소스를 향해 전달되는 빛의 투과를 방지하도록 구성될 수 있다.

일부 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 편광 독립적 광학 아이솔레이터이다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 입력 복굴절 쐐기(birefringent wedge), 패러데이 회전자 및 출력 복굴절 쐐기를 포함한다. 입력 복굴절 쐐기는 레이저 광학 소스와 패러데이 회전자 사이에 위치할 수 있고 출력 복굴절 쐐기는 패러데이 회전자와 입자 검사 구역 사이에 위치할 수 있다. 일 실시형태에서, 입력 복굴절 쐐기는 레이저 광학 소스로부터의 빔을 제1 컴포넌트 빔과 제2 컴포넌트 빔으로 분할하도록 구성되고, 여기서 제1 컴포넌트 빔은 빔의 수직 성분에 대응하고, 제2 컴포넌트 빔은 빔의 수평 성분에 대응한다. 출력 복굴절 쐐기는 패러데이 회전자를 통과한 후 제1 및 제2 컴포넌트 빔을 재결합하도록 구성될 수 있다.

일 실시형태에서, 패러데이 회전자는 제1 및 제2 컴포넌트 빔의 편광면을 회전시키도록 구성된다. 일 실시형태에서, 시스템은 광학 아이솔레이터와 레이저 광학 소스 사이에 위치하는 제1 시준기(collimator) 및 광학 아이솔레이터와 입자 검사 구역 사이에 위치하는 제2 시준기를 포함한다.

일 실시형태에서, 레이저 광학 소스는 고체 레이저이다. 일 실시형태에서, 레이저 광학 소스는 레이저 다이오드(laser diode) 또는 레이저 발진기(laser oscillator)이다.

일 실시형태에서, 시스템은 복수의 레이저 광학 소스 및 복수의 광학 아이솔레이터를 포함한다.

일 실시형태에서, 레이저 광학 소스는 0.01 내지 200W 범위로부터 선택된 복사 출력(radiant power)을 갖는 빛을 제공한다. 일 실시형태에서, 레이저 광학 소스는 160nm 내지 1500nm 범위로부터 선택된 복사 파장(radiant wavelength)을 갖는 빛을 제공한다.

일 실시형태에서, 하나 이상의 빔 성형 부재는 상기 입자 검사 구역에 빛을 포커싱하기 위한 적어도 하나의 포커싱 부재를 포함한다. 일 실시형태에서, 시스템은 광학 아이솔레이터와 하나 이상의 빔 성형 부재 사이의 빔 경로에 배치된 거울 또는 다른 비-빔(non-beam) 성형 구성요소를 포함한다.

일 실시형태에서, 시스템은 빔의 편광을 복원하거나 원편광된 빛을 하류 구성요소에 전달하기 위해 광학 아이솔레이터 이후의 빔 경로에 반파장판 또는 1/4 파장판을 포함한다.

일 실시형태에서, 입자 검사 구역은 입자를 포함하는 유체를 흐르게 하기 위한 유동 셀(flow cell)을 포함한다. 일부 실시형태에서, 입자 검사 구역은 표면을 포함한다. 예를 들어, 일 실시형태에서 입자 검사 구역은 반도체 웨이퍼의 표면을 포함한다.

일 실시형태에서, 광 검출기는 하나 이상의 2차원 광 검출기 어레이를 포함한다. 일 실시형태에서, 광 검출기는 입자 검사 구역의 입자에 의해 산란된 빛을 검출하도록 구성된다. 일 실시형태에서, 광 검출기는 입자 검사 구역을 통해 투과된 빛을 검출하도록 구성된다.

일 실시형태에서, 레이저 광학 소스는 출사 창(exit window)을 갖고, 창과 광학 아이솔레이터 사이의 빔 경로는 500mm 미만이다. 일 실시형태에서, 레이저 광학 소스는 출사 창을 갖고, 창과 광학 아이솔레이터 사이의 빔 경로는 300mm 미만이다. 일 실시형태에서, 레이저 광학 소스는 출사 창을 갖고, 창과 광학 아이솔레이터 사이의 빔 경로는 100mm 미만이다.

일 실시형태에서, 시스템은 유체 내 특정 농도를 갖는 입자를 검출하도록 구성되며, 상기 농도는 20nm 이상의 유효 직경을 갖는 입자에 대해 유체 1리터당 입자 1 내지 100,000개다. 일 실시형태에서, 시스템은 유체 내 특정 농도를 갖는 입자를 검출하도록 구성되며, 상기 농도는 20nm 이상의 유효 직경을 갖는 입자에 대해 유체 1리터당 입자 10 내지 100,000개다. 일 실시형태에서, 시스템은 유체 내 특정 농도를 갖는 입자를 검출하도록 구성되며, 상기 농도는 20nm 이상의 유효 직경을 갖는 입자에 대해 유체 1리터당 입자 100 내지 100,000개다.

일 실시형태에서, 레이저 광학 소스는 하우징을 갖고, 제2 광 검출기, 제어기 및 광학 아이솔레이터는 레이저 광학 소스의 하우징 내에 배치된다.

일 실시형태에서, 입자를 검출하는 방법은 전자기 방사선 빔을 생성하는 단계, 광학 아이솔레이터를 통해 빔을 통과시키는 단계, 하나 이상의 빔 성형 부재를 통해 빔을 성형하는 단계, 성형된 빔을 입자 검사 구역을 향해 지향시키는 단계, 입자 검사 구역으로 입자를 통과시키는 단계(빔은 입자 검사 구역 내의 입자와 상호작용함), 및 입자 검사 구역으로부터 산란 및/또는 투과된 빛의 적어도 일부를 검출하는 단계를 포함하고, 여기서 광학 아이솔레이터는 시스템에서 레이저 광학 소스로 반사, 산란 또는 방출된 빛에 대해 10% 이하의 투과를 제공한다.

일 실시형태에서, 능동적 안정화 레이저 입자 검출 시스템을 제어하는 방법은 능동적 안정화 레이저를 통해 전자기 방사선 빔을 생성하는 단계(빔은 빔 출력을 가짐), 빔을 광학 아이솔레이터에 통과시키는 단계, 하나 이상의 빔 성형 부재를 통해 빔을 성형하는 단계, 성형된 빔을 입자 검사 구역을 향해 지향시키는 단계, 입자 검사 구역으로 입자를 통과시키는 단계(빔은 입자 검사 구역 내의 입자와 상호작용함), 및 제1 광 검출기를 통해 입자 검사 구역으로부터 산란 및/또는 투과된 빛의 적어도 일부를 검출하는 단계, 제2 광 검출기를 통해 빔 출력을 감시하는 단계, 광학 아이솔레이터를 통해 입자 검출 시스템으로부터의 광학 피드백을 제2 광 검출기로 이어지는 광학 경로로 필터링 하는 단계, 제어기를 통해 감시 및 필터링 단계 대한 반응으로 빔 출력 조절하는 단계를 포함한다.

일 실시형태에서, 방법은 광학 아이솔레이터를 통해 광원으로의 광학 피드백을 방지하거나 감소시키는 단계를 포함한다. 일 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 패러데이 회전자를 포함한다.

일 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 편광 의존형이다. 예를 들어, 일 실시형태에서 광학 아이솔레이터를 통해 빔을 통과시키는 단계는: 제1 편광 부재를 통해 빔을 선형 편광시키는 단계; 빔의 편광면을 45°만큼 회전시키는 단계; 및 제2 편광 부재를 통해 빔을 통과시키는 단계를 포함하며, 여기서 제2 편광 부재는 제1 편광 부재의 편광 축에 대해 45°로 정렬된 편광 축을 갖는다.

일 실시형태에서, 방법은 빛을 반대 방향으로 제2 편광 부재를 통해 통과시켜 편광된 역광을 형성하는 단계; 편광된 역광의 편광면을 45° 회전시키는 단계; 및 제1 편광 부재를 통해 역광을 감쇠시키는 단계를 포함한다.

일부 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 편광 독립적이다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 광학 아이솔레이터를 통해 빔을 통과시키는 단계는 e-레이와 o-레이를 형성하기 위해 제1 복굴절 쐐기를 통해 빔을 통과시키는 단계; 패러데이 회전자를 통해 e-레이와 o-레이의 편광면을 45° 회전시키는 단계; 및 제2 복굴절 쐐기를 통해 e-레이와 o-레이를 재결합하는 단계를 포함한다. 일 실시형태에서, 방법은 역방향 e-레이와 역방향 o-레이를 형성하기 위해 제2 복굴절 쐐기를 통해 빛을 역방향으로 통과시키는 단계; 패러데이 회전자를 통해 역방향 e-레이와 역방향 o-레이의 편광면을 45° 회전시키는 단계; 및 제1 복굴절 쐐기를 통해 역방향 e-레이와 역방향 o-레이를 발산하는 단계를 포함한다. 일 실시형태에서, 방법은 시준기를 통해 역방향 e-레이와 역방향 o-레이를 감쇠시키는 단계를 포함한다.

일부 실시형태에서, 방법은 광학 입자 계수기의 노이즈를 줄이기 위한 것이다. 일부 실시형태에서, 방법은 광학 입자 계수기의 안정성과 수명을 증가시키기 위한 것이다.

본 명세서에 개시된 광학 아이솔레이터 안정화 시스템 및 방법은 광범위한 입자 검출 시스템에서 활용될 수 있다. 일 실시형태에서, 광학 아이솔레이터 안정화 입자 검출기는 산란 입자 검출기이다. 일 실시형태에서, 광학 아이솔레이터 안정화 입자 검출기는 암흑빔(dark beam) 입자 검출기이다. 일 실시형태에서, 광학 아이솔레이터 안정화 입자 검출기는 측면 산란 입자 검출기이다. 일 실시형태에서, 광학 아이솔레이터 안정화 입자 검출기는 전방 산란 입자 검출기이다. 일 실시형태에서, 광학 아이솔레이터 안정화 입자 검출기는 미분(differential) 입자 검출기이다. 일 실시형태에서, 광학 아이솔레이터 안정화 입자 검출기는 간섭(interferometric) 입자 검출기이다. 일 실시형태에서, 광학 아이솔레이터 안정화 입자 검출기는 펌핑 빔(pumped beam) 입자 검출기이다.

일 실시형태에서, 입자 검출 시스템에서 위양성 검출 사건을 감소시키는 방법은 300밀리와트 내지 100와트의 레이저 출력을 갖는 능동적 안정화 레이저를 통해 전자기 방사선 빔을 생성하는 단계(입자 검출 시스템은 5nm 내지 50nm 유효 입자 직경의 최소 탐지 한계를 갖도록 구성됨); 광학 아이솔레이터를 통해 빔을 통과시키는 단계; 하나 이상의 빔 성형 부재를 통해 빔을 성형하는 단계, 성형된 빔을 입자 검사 구역을 향해 지향시키는 단계, 입자 검사 구역을 통해 입자를 통과시키는 단계(빔은 입자 검사 구역의 입자와 상호작용함), 제1 광 검출기를 통해 입자 검사 영역으로부터 산란 및/또는 투과된 빛의 적어도 일부를 검출하는 단계, 제2 광 검출기를 통해 빔 출력을 감시하는 단계, 광학 아이솔레이터를 통해 입자 검출 시스템으로부터의 광학 피드백을 제2 광 검출기로 이어지는 광학 경로로 필터링하는 단계; 및 제어기를 통해 감시 및 필터링 단계에 반응하여 빔 출력을 조절하는 단계를 포함한다.

임의의 특정 이론에 얽매이기를 바라지 않고, 본 명세서에 개시된 장치 및 방법과 관련된 기본 원리의 사상 또는 이해에 대한 논의가 있을 수 있다. 임의의 기계적 설명 또는 가설의 궁극적인 정확성과 무관하게, 본 발명의 실시형태는 작동 가능하고 유용할 수 있음이 인식된다.

화학 화합물 및 명명법에 관한 설명

일반적으로, 본 명세서에 사용된 용어 및 문구는 당업자에게 공지된 표준 텍스트, 저널 참고문헌 및 문맥을 참조하여 찾을 수 있는 해당 분야에서 인식된 의미를 갖는다. 본 발명의 맥락에서 이들의 구체적인 용도를 명확히 하기 위해 다음 정의가 제공된다.

"입자(particle)"는 흔히 오염물질로 간주되는 작은 물체를 말한다. 입자는, 예를 들어, 두 표면이 기계적 접촉을 하고 기계적 움직임이 있을 때 마찰 작용에 의해 생성된 모든 물질일 수 있다. 입자는 먼지, 오물, 연기, 재, 물, 그을음, 금속, 산화물, 세라믹, 광물 또는 이러한 물질이나 다른 물질 또는 오염 물질의 조합과 같은 물질의 집합체로 구성될 수 있다. "입자"는 또한 생물학적 입자, 예를 들어 바이러스, 포자 및 박테리아, 진균, 고세균, 원생생물, 기타 단세포 미생물을 포함한 미생물을 의미할 수도 있다. 일부 실시형태에서, 예를 들어, 생물학적 입자는 0.1 내지 15μm 범위, 선택적으로 일부 응용 분야에서는 0.5 내지 5μm 범위의 크기 디멘션(예를 들어, 유효 직경)를 특징으로 한다. 입자는 빛을 흡수, 방출 또는 산란시켜 광학 입자 계수기로 감지할 수 있는 작은 물체를 의미할 수 있다. 본 명세서에 사용된 "입자"는 캐리어 유체, 예를 들어 물, 공기, 공정 액체 화학물질, 공정 가스 등의 개별 원자 또는 분자를 제외하도록 의도된다. 일부 실시형태에서, 입자는 초기에 미세 가공 시설의 도구 표면과 같은 표면에 존재할 수 있으며, 표면에서 유리된 후 유체에서 분석될 수 있다. 일부 시스템 및 방법은 20nm, 30nm, 50nm, 100nm, 500nm, 1μm 이상 또는 10μm 이상의 유효 직경과 같은 크기 디멘션을 갖는 물질 집합체를 포함하는 입자를 검출할 수 있다. 본 발명의 일부 실시형태는 10nm 내지 150μm의 범위, 선택적으로 일부 응용 분야에서는 10nm 내지 10μm의 범위, 선택적으로 일부 응용 분야에서는 10nm 내지 1μm의 범위, 선택적으로 일부 응용 분야에서는 10nm 내지 0.5μm의 범위에서 선택되는 유효 직경과 같은 크기 디멘션을 갖는 입자를 검출할 수 있다.

"입자를 검출(detecting a particle)"이라는 표현은 유효 직경과 같은 크기 디멘션에 대해 입자를 특성화하는 것과 같이 입자를 감지하고, 존재를 식별하고, 계수 및/또는 특성화하는 것을 광범위하게 지칭한다. 일부 실시형태에서, 입자를 검출하는 것은 입자를 계수하는 것을 의미한다. 일부 실시형태에서, 입자를 검출하는 것은 유효 직경, 단면 치수, 모양, 크기, 공기역학적 크기 또는 이들의 임의의 조합과 같은 입자의 물리적 특성을 특성화 및/또는 측정하는 것을 의미한다. 일부 실시형태에서, 입자를 검출하는 것은 0.05 CFM 내지 10 CFM의 범위, 선택적으로 일부 응용 분야에서는 0.1 CFM 내지 5 CFM, 선택적으로 일부 응용 분야에서는 0.5 CFM 내지 2 CFM의 범위에 걸쳐 선택된 체적 유량을 갖는 가스와 같은 유동 유체에서 수행된다. 일부 실시형태에서, 입자를 검출하는 것은 1 내지 1000mL/분의 범위에 걸쳐 선택된 체적 유량을 갖는 액체와 같은 유동 유체에서 수행된다.

"광학 입자 계수기(Optical Particle Counter)" 또는 "입자 계수기(particle counter)"는 상호교환적으로 사용되며, 일반적으로 유체 흐름에서 입자를 분석함으로써 입자를 검출하기 위해 광학 검출을 사용하는 입자 검출 시스템을 의미한다. 광학 입자 계수기에는, 예를 들어, 유체 흐름에서 개별 단일 입자를 감지할 수 있는 시스템을 포함하는 액체 입자 계수기 및 에어로졸 입자 계수기가 포함된다. 광학 입자 계수기는 분석 영역에 전자기 방사선(예를 들어, 레이저) 빔을 제공하며, 여기서 빔은 입자와 상호작용하여 플로우 셀에서 산란, 방출 또는 투과된 빛을 기반으로 입자를 감지한다. 검출은 입자에 의해 산란, 흡수, 차광 및/또는 방출되는 전자기 방사선에 초점을 맞출 수 있다. 예를 들어, 단일 검출 부재(예를 들어, 포토다이오드, 광전자 증배관 등), 검출기 어레이, 카메라, 다양한 검출기 배향 등을 포함하는 광학 입자 계수기용 다양한 검출기가 당업계에 알려져 있다. 광학 입자 계수기에는 응축 입자 계수기, 응축 핵 계수기, 분할 빔 차동 시스템 등이 포함된다. 응축 입자 계수기의 맥락에서 사용될 때 입자 계수기 부분은 검출 시스템(예를 들어, 전자기 방사선 소스, 광학 장치, 필터, 광학 수집 장치, 검출기, 프로세서 등)을 나타낸다. 일 실시형태에서, 예를 들어, 광학 입자 계수기는 전자기 방사선 빔을 생성하기 위한 소스, 유체 샘플이 흐르는 영역, 예를 들어 액체 또는 플로우 셀을 통해 흐르는 액체 또는 가스로 빔을 지향하고 포커싱하기 위한 빔 조정 및/또는 성형 광학 장치를 포함한다. 일반적인 광학 입자 계수기는 상기 플로우 셀과 광학적으로 통신하는 광학 검출기 어레이와 같은 광 검출기, 및 빔을 통과하는 입자에 의해 산란, 투과, 또는 방출되는 전자기 방사선을 수집하고 이미징하기 위한 수집 광학 장치를 포함한다. 입자 계수기는 전류-전압 변환기, 펄스 높이 분석기, 신호 필터링 및 증폭 전자 장치를 포함하는 광 검출기에 의해 생성된 전기 신호의 판독, 신호 처리 및 분석을 위한 전자 장치 및/또는 프로세서 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 광학 입자 계수기는 또한 입자를 포함한 유체 샘플을 플로우 셀의 감지 영역을 통해 운반하기 위한 흐름을 생성하기 위한, 예를 들어 체적 유량을 특징으로 하는 흐름을 생성하기 위한 펌프, 팬 또는 송풍기와 같은 유체 작동 시스템을 포함할 수 있다. 하나 이상의 가스를 포함하는 샘플에 유용한 유량으로는 0.05 CFM 내지 10 CFM의 범위, 선택적으로 일부 응용 분야에서는 0.1 CFM 내지 5 CFM의 범위, 선택적으로 일부 응용 분야에서는 0.5 CFM 내지 2 CFM의 범위에서 선택되는 유량이 포함된다. 하나 이상의 액체를 포함하는 샘플에 유용한 유량으로는 1~1000mL/분의 범위에서 선택되는 유량이 포함된다.

통계적으로 유의한 데이터를 제공하는 방식으로 청정 및 초청정 유체에서 작은 입자(예를 들어, 100nm 미만의 유효 직경)를 검출하고 계수하려면 높은 신호 대 노이즈(signal-to-noise) 비율(S/N)이 필요하다. S/N 비율이 높으면 노이즈 플로어 위에서 나노 입자를 명확하게 감지할 수 있다. 본 명세서에 사용된 "통계적으로 유의한 데이터"는 유체의 오염 수준을 정확하게 평가할 수 있을 만큼 단위 시간당 충분한 입자의 검출을 의미한다. 일부 실시형태에서, 높은 S/N은 크기 조정 정확도와 직접적인 관련이 없다. 예를 들어, 일부 광학 입자 계수기에서 빔 웨이스트(beam waist)는 플로우 셀 채널의 작은 부분을 차지하므로, 이 접근 방식은 전체 흐름의 서브셋을 감시하여 입자가 중심보다 방사조도가 작은 빔의 가장자리를 통과할 수 있도록 한다. 따라서, 일부 광학 입자 계수기는 높은 S/N을 갖고 예를 들어 20nm 입자를 검출할 수 있는 반면에 크기 조정 정확도는 좋지 않을 수 있다. 현재 광학 입자 계수기 및 방법 중 일부에서 목표는 최단 시간 내에 초고순도 유체의 오염 수준을 정량적이고 통계적으로 건실하게 평가할 수 있을 만큼 충분한 입자를 계수 가능한 것이다. 예를 들어, 최신식 입자 계수기는 최신식 초순수 시스템을 감시할 때 통계적으로 적절한 농도(허용 가능한 상대 표준 편차) 측정을 제공하기에 충분한 입자를 계산하는 데 최대 40분이 필요할 수 있다. 현재 시스템과 방법을 통해 높은 S/N을 개선하고 유지함으로써 통계적으로 허용되는 최소 입자 수를 측정하는 데 필요한 시간 간격을 10배 이상 줄일 수 있다. 이는 사용자가 프로세스 제어 한계의 편차를 보다 신속하게 식별할 수 있도록 하므로 가치를 제공한다.

"노이즈(noise)"라는 용어는 입자 검출 시스템의 정확도 또는 정밀성을 방해하는 신호(예를 들어, 광 검출기의 신호)의 원치 않는 수정을 의미한다. 노이즈는 빔의 광학 경로에 있는 소재 사이의 경계면으로 인한 후방 산란, 광학 구성요소의 오염으로 인한 후방 산란 및/또는 레이저에 도달하는 입자 검사 영역의 유체에서 분자 산란과 같은 소스에서 파생될 수 있다. 일부 실시형태에서 후방 산란으로 인한 노이즈는 진폭이 입자 검출 임계값을 초과할 수 있는 비정상적인 전자 신호를 발생시켜 입자 검출 오계수를 초래할 수 있다.

"높은 신호 대 노이즈 비율(high signal-to-noise ratio)"이라는 표현은 유체 흐름에서 입자를 정확하고 민감하게 검출하는 데 충분한 광학 입자 검출 시스템의 신호 대 노이즈 비율을 의미하고, 이는 작은 물리적 디멘션(예를 들어, 200nm 이하, 선택적으로 일부 실시형태에서 100nm 이하, 선택적으로 일부 실시형태에서 50nm 이하의 유효 직경)을 특징으로 하는 입자를 포함한다. 일 실시형태에서, "높은 신호 대 노이즈 비율"은 20nm, 선택적으로 일부 응용 분야에서는 10nm, 선택적으로 일부 응용 분야에서는 1nm 만큼 낮은 유효 직경을 갖는 입자와 같이 작은 물리적 디멘션을 특징으로 하는 입자를 검출할 수 있을 만큼 충분히 높은 신호 대 노이즈 비율을 의미한다. 일 실시형태에서, "높은 신호 대 노이즈 비율"은, 예를 들어, 1 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 유효 직경을 갖는 입자를 검출하는 경우에 50 카운트/L 이하의 잘못된 검출률로 입자를 정확하게 검출하고 계수하기에 충분히 높은 신호 대 노이즈 비율을 의미한다. 일 실시형태에서, "높은 신호 대 노이즈 비율"은 기존의 광학 입자 계수기보다 적어도 10배 더 적은 시간 프레임에서 최소 통계적으로 허용 가능한 입자 수를 제공하기에 충분히 높은 신호 대 노이즈 비율을 의미한. 본 개시 내용의 시스템 및 방법은 높은 신호 대 노이즈 비율을 제공할 수 있다.

“빔 전파 축(beam propagation axis)”은 전자기 방사선 빔의 진행 방향에 평행한 축을 말한다.

“광학 통신(optical communication)”은 구성요소들 사이에 빛이 전달될 수 있도록 배열된 구성요소를 의미한다.

“광학 축(optical axis)”은 전자기 방사선이 시스템을 통해 전파되는 방향을 말한다.

"광 검출기 어레이(photodetector array)"는 검출기의 활성 영역에 걸쳐 입력 신호(예를 들어, 전자기 방사선)를 2차원으로 공간적으로 분해할 수 있는 광학 검출기를 의미한다. 광 검출기 어레이는 이미지, 예를 들어 검출기의 활성 영역의 강도 패턴에 대응하는 이미지를 생성할 수 있다. 일 실시형태에서, 광 검출기 어레이는 본 명세서에서 픽셀로도 지칭되는 다음과 같은 개별 검출기 부재의 어레이를 포함한다; 예를 들어, 2차원 어레이의 광 검출기, 전하결합소자(charge-coupled device, CCD) 검출기, 상보성 금속 산화물 반도체(complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) 검출기, 금속 산화물 반도체(metal-oxide-semiconductor, MOS) 검출기, 능동 픽셀 센서, 마이크로채널 플레이트 검출기 또는 포토다이오드의 2차원 어레이.

"광원(light source)"은 전자기 방사선을 샘플에 전달할 수 있는 장치 또는 장치 구성요소를 의미한다. "광(light)"이라는 용어는 가시 광선 빔과 같은 가시 방사선에 제한되지 않고, 가시 방사선, 자외선 방사선 및/또는 적외선 방사선을 포함하는 임의의 전자기 방사선을 포함하는 넓은 의미로 사용된다. 광학 소스는 몇 가지 예를 들면 다이오드 레이저, 다이오드 레이저 어레이, 다이오드 레이저 펌핑 고체 레이저, LED, LED 어레이, 기상 레이저, 레이저 발진기, 고체 레이저와 같은 레이저 또는 레이저 어레이로 구현될 수 있다.

"전자기 방사선(electromagnetic radiation)" 및 "빛(light)"이라는 용어는 본 명세서에서 동의어로 사용되며 전기장 및 자기장의 파동을 지칭한다. 본 발명의 방법에 유용한 전자기 방사선에는 자외선, 가시광선, 적외선, 또는 약 100 나노미터 내지 약 15 미크론의 파장을 갖는 이들의 임의의 조합이 포함되지만 이에 제한되지는 않는다.

"입자 검사 구역(particle interrogation zone)"이라는 용어는 하나 이상의 입자가 입사 빔 및/또는 펌프 빔과 상호 작용하여 광을 산란시키는 입자 검출 시스템 내의 구역을 의미한다. 일부 실시형태에서, 입자 검사 구역은 입자 포함 액체가 통과하는 것을 제한하기 위한 큐벳 및/또는 플로우 셀을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 입자 포함 가스의 제한되지 않은 분사(jet)가 입자 검사 구역을 통해 흐를 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 입자 검사 구역은 입자에 대해 검사될 표면을 포함할 수 있다.

"광학 아이솔레이터(optical isolator)"라는 용어는 한 방향으로의 빛의 투과를 허용하지만 반대 방향의 빛의 투과를 감소시키거나 제거하는 광학 구성요소를 의미한다. 일부 실시형태에서, 예를 들어, 광학 아이솔레이터는 하나 이상의 레이저 광학 소스로부터의 빛에 대해 50% 이상, 선택적으로 70% 이상, 선택적으로 90% 이상, 선택적으로 95% 이상의 투과를 제공하도록 구성된다. 일부 실시형태에서, 예를 들어, 광학 아이솔레이터는 입자 계수기의 다른 부재로부터 하나 이상의 레이저 광학 소스로의 광 투과(즉, 후방 반사 투과)를 20% 이하, 선택적으로 10% 이하, 선택적으로 5% 이하, 선택적으로 1% 이하로 제공하도록 구성된다. 일부 실시형태에서, 본 발명의 광학 아이솔레이터는 0.001%만큼 적은 후방 반사 투과를 제공할 수 있다. 본 발명의 광학 아이솔레이터는 패러데이 효과를 통해 작동하여 입자 검출기의 레이저 경로에 비가역 광학 부재를 제공할 수 있다. 광학 아이솔레이터는 레이저 광학 소스의 하류 어디에나 제공될 수 있지만, 일부 실시형태에서는 광학 아이솔레이터가 레이저 광학 소스의 하류의 제1 광학 부재가 되도록 입자 검출기를 구성하는 것이 특히 유리할 수 있는 것으로 나타났다. 본 명세서에서 사용되는 "하류(downstream)"는 다른 구성요소에 비해 빔의 광학 경로를 따라 레이저 광학 소스로부터 더 멀리 떨어져 있는 구성요소를 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 "업스트림"은 다른 구성요소와 비교하여 빔의 광학 경로를 따라 레이저 광학 소스에 더 가까운 구성요소를 의미한다. 일부 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 레이저의 하우징에 통합될 수 있다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 능동적 안정화 레이저(actively stabilized laser)라는 용어는 피드백 제어 루프에 의해 제어되는 레이저 광학 광원을 의미한다. 피드백 제어 루프는 레이저에 의해 생성된 레이저 빔의 출력을 감시하도록 구성된 전용 광 검출기를 포함할 수 있다. 피드백 제어 시스템은 또한 광 검출기로부터 수신된 신호에 응답하여 생성된 빔의 출력을 조절하도록 구성된 레이저 출력 제어기를 포함할 수 있다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "위양성 검출 사건(false positive detection event)"은 입자 검출을 부정확하게 나타내는 입자 검출 시스템에 의해 생성된 하나 이상의 신호를 의미한다.

발명의 상세한 설명

이하의 기재에서, 본 발명의 정확한 특성에 대한 상세한 설명을 제공하기 위해 본 발명의 장치, 장치 구성요소 및 방법의 다양한 특정 세부 사항이 설명된다. 그러나, 본 발명이 이러한 특정 세부사항 없이도 실시될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.

개시된 시스템 및 방법은 고안정성 레이저와 광학 입자 계수기의 빔 성형 광학 장치 사이에 광학 아이솔레이터를 사용할 수 있으며, 이로써 시스템의 미광(stray light)이 다시 레이저로 커플링되는 것을 방지하고 그 안에 포함된 출력 안정화 시스템을 잠재적으로 혼란시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 편광 의존형 광학 아이솔레이터일 수 있다. 다른 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 편광 독립적 광학 아이솔레이터일 수 있다.

유체 내 낮은 농도의 매우 작은 입자를 검출하려면 입자 검출 시스템의 일부로서 능동적 안정화 레이저가 필요할 수 있다. 능동적 안정화, 즉 레이저의 출력을 안정화하는 피드백 제어 시스템을 통해 입자를 더욱 민감하게 검출할 수 있다. 그러나, 입자 오계수가 발생할 가능성도 있다. 도 9를 참조하면, 이러한 원치 않는 오계수 동작의 일 예시를 설명하는 흐름도가 표시된다. 첫째, 능동적 안정화 레이저가 입자 검사 영역을 비춘다. 능동적 안정화 레이저는 레이저의 출사 창을 빠져나가는 빔의 출력을 연속적으로 감시하는 광 검출기와 그에 따라 레이저의 출력을 조절하는 제어기를 포함할 수 있다. 따라서, 정상적인 작동 조건에서는 레이저 출력이 안정적일 수 있다.

그러나, 시스템 내의 하나 이상의 후방 산란 소스로 인해 후방 반사된 빛은 능동적 안정화 레이저의 레이저 창으로 다시 들어갈 수 있다. 후방 반사광은 레이저 출력 샘플과 결합하여 실제로는 그렇지 않은데도 빔의 출력이 너무 높다는 것을 제어기에 표시한다. 따라서, 제어기는 빔 출력을 잘못 감소시킬 수 있다. 레이저 출력을 감시하는 검출기는 빔 출력의 이러한 저하를 검출할 수 있으며 제어기는 빔 출력을 증가시킴으로써 반응할 수 있다. 일부 실시형태에서, 이 현상은 입자 검사 구역을 감시하는 하나 이상의 광 검출기에서 입자 검출 임계값을 초과하기에 충분한 진폭의 입자 검사 구역 내부의 빔 출력 진동을 유발할 수 있다. 따라서, 검사 구역에 입자가 없을 때 입자 오계수가 발생할 수 있으며, 이는 후방 반사광이 능동적 안정화 레이저로 되돌아가는 길을 찾기 때문이다. 일부 실시형태에서, 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 이 문제를 해결할 수 있다.

실시예 1 - 개념의 증명: 작동 중인 입자 검출기의 노이즈 감소

도 1을 참조하면, 본 개시 내용의 시스템 및 방법의 효능을 입증하는 데이터를 보여준다. 구체적으로, 도 1은 입자 농도 대 시간의 플롯을 보여준다. 시간은 X축에 표시되고 입자 농도는 Y축에 표시된다. 플롯은 동일한 매질을 샘플링하는 두 개의 입자 계수기 유닛의 데이터를 보여준다.

보이는 바와 같이, 유닛 중 하나는 광 검출기가 작은 입자에 의해 산란되는 빛의 수준과 동일한 크기의 광학적 변동을 감지하여 입자가 존재하지 않는 경우에도 입자 검출 사건을 발생시키는 불안정한 작동을 나타낸다. 이러한 불안정성은 위에서 논의한 요인(광학 구성요소의 오염, 입자 검사 구역의 유체로부터의 분자 산란, 굴절률이 서로 다른 소재 간의 경계면 등을 포함)으로 인해 발생할 수 있다. 그래프에 표시된 시점에 본 발명에 따른 광학 아이솔레이터 장치가 설치되었다. 광학 아이솔레이터를 설치한 후 두 번째 유닛에서는 신호 노이즈가 더 이상 나타나지 않고 두 입자 계수기의 입자 농도 데이터가 거의 일치한다.

실시예 2 - 편광 의존형 아이솔레이터

일부 실시형태에서, 편광 의존형 패러데이 아이솔레이터는 입력 편광기, 패러데이 회전자 및 출력 편광기의 세 가지 주요 구성요소로 구성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전방으로 진행하는 빛은 입력 편광판을 통과하여, 예를 들어 수직면으로 편광될 수 있다. 패러데이 회전자를 통과할 때 편광면은 축을 기준으로 45° 회전된다. 입력 편광기에 대해 45°의 편광 축으로 정렬된 출력 편광기를 사용하면 빛이 방해받지 않고 통과할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 반대 방향으로 진행하는 빛은 출력 편광기를 통과하여 45°로 편광될 것이다. 그런 다음 빛은 패러데이 회전자를 통과하여 추가로 45°의 비가역 회전을 겪게 된다. 이제 빛은 수평면에서 편광되고 수직면에서 편광된 빛만 방해받지 않고 통과하도록 허용하는 입력 편광기에 의해 거부된다. 따라서, 상류 방향으로 진행하는 광의 감쇠율이 높아져 소스 레이저의 안정성이 향상될 수 있다.

선형 편광을 유지하면서 비가역 회전을 제공하는 패러데이 아이솔레이터의 능력은 이를 λ/4 판-편광기 유형 아이솔레이터와 차별화하는 것이며, 더 높은 아이솔레이션과 더 큰 안정성을 제공할 수 있게 한다는 것이 밝혀졌다. 일부 실시형태에서, 하류 구성요소에 대한 입력 편광을 유지하기 위해 1/2 파장판이 시스템에 추가될 수 있다.

도시된 예시는 전방으로 편광 평면의 45° 회전을 제공하도록 구성된 단일 패러데이 회전자를 사용하고, 입력 및 출력 편광기는 패러데이 회전자의 45° 회전에 따라 배치되고, 다른 회전량을 활용하는 다른 구성은 본 개시 내용의 범위 내에 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 광학 아이솔레이터 안정화 레이저 광학 입자 계수기 시스템은 2단 광학 아이솔레이터를 포함한다. 2단 광학 아이솔레이터는 3개의 편광기와 2개의 패러데이 회전자로 구성될 수 있으며, 패러데이 회전자는 편광기 사이에 끼워져 있다.

실시예 3 - 편광 독립적 아이솔레이터

일부 실시형태에서, 편광 독립적 아이솔레이터는 입력 복굴절 쐐기, 패러데이 회전자 및 출력 복굴절 쐐기를 포함할 수 있다. 도 4a의 예시에서, 입력 복굴절 쐐기는 수직인 정상 편광 방향과 수평인 비정상 편광 방향으로 도시되어 있다. 도 4a의 예시에서, 출력 복굴절 쐐기는 45°의 정상 편광 방향과 -45°의 비정상 편광 방향으로 도시되어 있다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 전방 방향으로 진행하는 빛은 입력 복굴절 쐐기에 의해 수직(0°) 및 수평(90°) 성분으로 분할되며, 이를 각각 정상 광선(ordinary ray, o-레이) 및 비정상 광선(extraordinary ray, e-레이)이라고 한다. 패러데이 회전자는 o-레이와 e-레이를 모두 45° 회전시킨다. 이는 이제 o-레이가 45°에 있고 e-레이가 -45°에 있음을 의미한다. 그런 다음 출력 복굴절 쐐기가 두 구성요소를 재결합한다.

역방향으로 진행하는 빛은 복굴절 쐐기에 의해 45°의 o-레이와 -45°의 e-레이로 분리된다. 패러데이 회전자는 다시 두 광선을 45° 회전시킨다. 이제 o-레이는 90°에 있고 e-레이는 0°에 있다. 제2 복굴절 쐐기에 의해 초점이 맞춰지는 대신에 광선이 발산된다. 이에 따라, 상류 방향으로 진행하는 빛의 감쇠율이 높아져 소스 레이저의 안정성이 향상될 수 있다.

일부 실시형태에서, 아이솔레이터의 양쪽에 하나씩, 제1 및 제2 시준기가 사용될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 투과된 방향에서 빔은 분할된 다음 결합되어 출력 시준기로 포커싱된다. 아이솔레이션된 방향에서는 빔이 분할된 다음 발산되므로 시준기에 초점이 맞춰지지 않는다.

도 4의 광학 아이솔레이터는 단일 단계 광학 아이솔레이터로 도시되어 있으나, 다른 실시형태도 본 개시 내용의 범위 내에 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 다단계 편광 독립적 광학 아이솔레이터일 수 있다. 일 예시에서, 2단 편광 독립적 광학 아이솔레이터는 빔의 경로를 따라 직렬로 배치된 도 4에 도시된 바와 같은 2개의 단일 단계 아이솔레이터를 포함할 수 있다.

실시예 4 - 무작위 편광 레이저 광원

전술한 바와 같이, 패러데이 아이솔레이터는 입력 편광기가 수직 방향 편광을 거부하기 때문에 선형 편광 레이저 소스와 함께 사용될 수 있다. 그러나, 도 17에 도시된 바와 같이, 무작위 편광 레이저 소스는 빔 결합을 통해 잘 구성되어 출력 빔을 위해 통합된 패러데이 아이솔레이터와 함께 선형 편광 빔을 전달하도록 구성될 수 있다. 패러데이 아이솔레이터는 나중에 빔 결합 기술 없이 각 수직 방향 편광 레이저 빔에 사용할 수 있다. 입자 계수기 장치에 패러데이 아이솔레이터를 통합하는 것은 도 2 및 도 3에 도시된 특정 입력 또는 출력 편광 방향이나 도 4b에 도시된 무작위 편광 레이저 소스에 대한 특정 빔 결합 기술로 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다.

실시예 5 - 광학 아이솔레이터 안정화 레이저 광학 입자 계수기 시스템

일부 응용 분야를 위한 바람직한 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 레이저와 제1 광학 부재 사이에 위치될 수 있다. 이러한 구성은 굴절률 경계면의 최소화 및/또는 광학 아이솔레이터 상류의 잠재적으로 오염된 광학 부재 표면으로 인해 개선된 안정성을 제공할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

도 5를 참조하면, 그러한 시스템 중 하나가 도시된다. 도 5에 나타난 바와 같이, 시스템은 레이저 소스에 근접하고 시스템의 다른 광학 구성요소의 상류에 있는 광학 아이솔레이터로 구성된다. 작동 시, 레이저로부터 방출된 빛은 50% 이상, 선택적으로 70% 이상의 투과와 같은 높은 투과율로 광학 아이솔레이터를 통해 투과될 수 있다. 광학 아이솔레이터의 하류에서, 빛은 하나 이상의 빔 성형 광학 부재를 통과하기 전에 선택적 광학 셔터를 통과할 수 있다. 그런 다음 성형된 빔은 입자 검사 구역, 이 경우에는, 통합된 광학 부재가 있는 샘플 셀 및 입자를 분석할 유체의 흐름 경로에 초점을 맞출 수 있다. 입자 검사 구역에서 입자/빔 상호 작용으로 인한 산란광 및/또는 레이저의 소스 빛은 하나 이상의 광 검출기에 의해 검출될 수 있다. 산란되지 않은 빛은 상류 방향으로 전파되는 반사광 또는 후방 산란광의 양을 줄이기 위해 빔 덤프로 향할 수 있다.

보이는 바와 같이, 도 5의 시스템은 광학 아이솔레이터가 없으면 레이저로 다시 들어가 신호 노이즈를 유발할 수 있는 후방 산란 또는 반사의 수많은 잠재적 소스를 포함한다. 이러한 소스에는 각 표면/유체 경계의 굴절 경계면 지수, 광학 부재의 잠재적 오염, 샘플 셀에 흐르는 유체의 분자 산란 등이 포함된다. 따라서, 도 5의 시스템은 빔 성형 및/또는 지향 광학 장치(예를 들어, 렌즈, 조리개, 프리즘, 필터, 거울, 빔 분할기, 분산 부재 등), 입자 검사 구역의 부재(예를 들어, 플로우 셀 표면, 창, 조리개 등), 이미징 광학 장치, 빔 정지 장치, 검출기 등과 같은 하류 시스템 부재와 관련된 산란 및/또는 방출된 빛에 대해 낮은 투과율, 예를 들어 10% 이하, 선택적으로 5% 이하의 투과를 특징으로 하는 광학 아이솔레이터를 통합함으로써 종래의 입자 탐지기 시스템에 비해 향상된 성능을 달성한다.

도 5의 실시형태에 도시된 바와 같이, 광학 아이솔레이터는 레이저 소스의 하류에 있는 제1 광학 부재이다. 전술한 바와 같이, 광학 부재 없이 레이저 소스와 광학 아이솔레이터 사이의 빔 경로를 유지하는 것이 레이저에 대한 피드백을 감소시키는 데 가장 큰 이점을 제공할 수 있다는 것이 발견되었다. 또한, 레이저 소스의 창과 광학 아이솔레이터 사이의 빔 경로가 짧게(예를 들어 500mm 미만, 또는 선택적으로 300mm 미만) 시스템을 구성하는 것이 유리할 수 있다.

일 실시형태에서는 레이저 소스와 광학 아이솔레이터 사이에 포커싱 부재가 없다. 일 실시형태에서, 레이저 소스와 광학 아이솔레이터 사이에는 편광 부재가 없다. 일 실시형태에서는 레이저 소스와 광학 아이솔레이터 사이에 시준 부재가 없다.

대안적으로, 일부 실시형태에서, 광학 아이솔레이터는 레이저 출력 제어 검출 회로의 하류 또는 광학 창 바로 내부 레이저 하우징 자체에 통합될 수 있다.

도 5의 시스템은 단일 레이저 및 단일 광학 아이솔레이터를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 일부 실시형태에서 광학 아이솔레이터 안정화 레이저 광학 입자 카운터 시스템은 다중 레이저 및/또는 다중 광학 아이솔레이터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서 입자 검출기 시스템은 각각 자체 광학 아이솔레이터를 갖춘 두 개의 레이저를 포함할 수 있다.

실시예 6 - 상 변화 아이솔레이터

일부 실시형태에서, 특히 입자 검출 시스템 및/또는 방법이 샘플링 영역에서 원형 편광을 허용할 수 있는 경우, 레이저 빛이 아웃바운드 경로를 따라 되돌아오는 것을 방지하기 위해 편광 빔 분할기 큐브(PBS)와 1/4 파장판의 조합이 배열될 수 있다.

도 6을 참조하면, 그러한 실시형태 중 하나가 도시된다. 도 6의 도시된 실시형태에서, 레이저 빔은 P-평면 편광으로 큐브에 들어가며, 이는 빔 분할기 접합을 통과하여 1/4 파장판으로 들어갈 수 있게 한다. 45도로 배향된 1/4 파장판의 굴절률이 작은 방향 축(fast axis)을 사용하면 입사 선형 빔 편광이 우원(right hand circular, RHC)편광이 된다. 그런 다음 빔이 임의의 물체를 만나면 반사된 빛이 발생하고, 원래 방향으로 다시 반사되는 빛의 경우 편광이 180도 위상 변화를 거쳐 좌원(left hand circular, LHC) 편광이 된다. 1/4 파장판을 다시 통과하면 LHC 빛은 S-평면 선형이 되고 PBS에서 빔 덤프로 방향이 변경된다. 이러한 방식으로 레이저 빛이 원래의 소스로 되돌아오는 것을 방지한다.

실시예 7 - 음향 광학 아이솔레이터

일부 실시형태에서, 음향 광학 셀은 아이솔레이터 역할을 할 수 있다. 도 7을 참조하면, 음향 광학 아이솔레이터의 일 실시형태가 도시되어 있다. 도시된 실시형태에서, 주파수가 상향 이동된 브래그 회절광의 일부는 거울에 의해 그 자체로 반사되어 셀로 되돌아간 다음, 두 번째 주파수 상향 이동을 수반하는 두 번째 브래그 회절을 겪는다. 되돌아오는 빛의 주파수는 원래의 빛과 소리 주파수의 2배만큼 다르기 때문에 필터를 사용하여 이를 차단할 수 있다. 대안적으로, 검출 프로세스가 주파수 편이된 빛에 둔감한 응용 분야 및/또는 방법의 경우 필터가 제거될 수 있다.

실시예 8 - 능동적 안정화 레이저 입자 검출기 시스템의 제어

일부 실시형태에서, 입자 검출 시스템의 레이저 광학 소스는 능동적 안정화 레이저이다. 도 8을 참조하면, 이러한 능동적 안정화 레이저의 일 예시에 대한 개략도가 도시되어 있다. 도시된 실시형태에서, 고체 레이저는 광 검출기(즉, 입자 검출 시스템의 하나 이상의 광 검출기와는 별도의 광 검출기)에 의해 샘플링되는 빔을 생성한다. 검출기는 제어기와 전자 통신을 한다. 제어기는 광 검출기의 신호를 분석하고 레이저의 출력을 안정화하기 위해(예를 들어, 펌프 출력 제어 또는 레이저 공진기 내부 또는 외부 손실 제어를 통해) 레이저 출력을 조절한다.

입자 검출 시스템에서, 입자 검출로부터의 광학 피드백은 전술한 바와 같이 레이저로 다시 이동할 수 있다. 그러한 피드백은 광 검출기에 의해 검출될 수 있고 레이저 시스템에 잘못된 조절을 야기할 수 있기 때문에 능동적 안정화 레이저 입자 검출 시스템의 작동에 특히 해로울 수 있다. 이는 시스템의 주기적 불안정 동작을 유발할 수 있으며, 이는 레이저 시스템으로 되돌아오는 광학 피드백이 빔 전력 제어 루프에 의해 포착되고, 제어기가 출력을 낮춤으로써 잘못 응답하고, 광학 피드백이 일시적으로 중단되고, 제어기가 빔 출력 감소를 감지하고 레이저 출력을 증가시킴으로써 반응하고, 광학 피드백이 반환되고 주기가 반복되면서 빔의 출력이 매우 불안정해지는 것이다.

따라서, 도 8에 나타난 바와 같이, 일부 실시형태에서 입자 검출 시스템의 능동적 안정화 레이저는 광학 아이솔레이터를 포함할 수 있다. 광학 아이솔레이터는 레이저 시스템의 필수 부분일 수 있다. 즉, 광학 아이솔레이터는 레이저 시스템의 하우징 내부에 배치될 수 있으며, 빔 샘플링은 레이저 시스템의 출사 창을 나가는 빔보다 먼저 발생한다.

따라서, 일 실시형태에서, 능동적 안정화 레이저 입자 검출 시스템을 제어하는 방법은 능동적 안정화 레이저를 통해 전자기 방사선 빔을 생성하는 단계를 포함한다. 빔 출력은 빔 출력 샘플링 광 검출기를 통해 감시될 수 있다. 빔 출력은 빔 출력 샘플링 광 검출기로부터의 입력을 사용하여 제어기를 통해 조절될 수 있다. 빔은 레이저 시스템의 창을 빠져나가기 전이나 창 이후 매우 가까운 거리에서 광학 아이솔레이터를 통과할 수 있다. 그 다음, 빔은 하나 이상의 빔 성형 부재를 통해 성형될 수 있으며 입자 검사 구역을 향해 지향될 수 있다. 빔은 입자 검사 구역의 입자와 상호 작용할 수 있다. 위에서 설명한 요인으로 인해 빛이 입자 검출 시스템에서 레이저 방향으로 다시 투과될 수 있다. 레이저로 다시 이동하는 빛은 광학 아이솔레이터를 통해 필터링될 수 있고, 이는 피드백 루프로 인한 불안정성을 방지하거나 감소시킨다.

도 8의 실시형태는 능동적 안정화 레이저의 하우징 내부에 있는 제어기 및 빔 출력 감시 광 검출기를 도시하지만, 다른 실시형태에서는 제어기 및/또는 빔 출력 감시 광 검출기가 하우징 외부에 배치될 수 있다.

도 10a 내지 도 16을 참조하면, 광학 아이솔레이터가 있거나 없는 능동적 안정화 레이저 입자 검출 시스템의 동작에 대한 여러 예시가 도시되어 있다. 예를 들어, 도 10a는 검출된 입자 수 대 시간의 플롯이다. 플롯은 빠르게 연속해서 발생하는 수많은 위양성 검출 사건을 보여준다. 패러데이 광학 아이솔레이터가 장치에 설치되고, 도 10b에 도시된 바와 같이, 광학 아이솔레이터의 설치에 반응하여 장치의 위양성 검출 동작이 중단된다. 유사하게, 도 11은 패러데이 회전자가 설치될 때까지 발생하는 다수의 위양성 검출 사건을 도시하며, 이 시점에서 장치의 위양성 동작이 중단된다. 도 12는 도 13에 도시된 바와 같이, 패러데이 광학 아이솔레이터가 설치되고 위양성 동작이 중단될 때까지 수많은 위양성 검출 사건을 도시한다. 도 14는 도 15에 도시된 바와 같이, 패러데이 광학 아이솔레이터가 설치되고 위양성 동작이 중단될 때까지 수많은 위양성 검출 사건을 도시한다. 도 16은 장치의 지속적인 작동 안정성과 유의한 위양성 검출 사건의 부재를 보여준다.

참조 및 변형에 의한 통합에 관한 진술

본 명세서 전반에 걸친 모든 참조, 예를 들어, 공개 또는 등록된 특허 또는 등가물을 포함하는 특허 문서; 특허출원 공보; 및 비특허 문헌 문서 또는 기타 참고 자료는, 개별적으로 참고문헌으로 포함되었으나, 각각의 참고문헌이 적어도 부분적으로 본 명세서의 개시 내용과 일치하지 않는 범위 내에서 그 전체 내용이 본 명세서에 참고문헌으로 포함된다(예를 들어, 부분적으로 불일치하는 참고문헌은 참고문헌의 부분적으로 불일치하는 부분을 제외하고 참고문헌으로 포함됨).

본 명세서에 사용된 용어와 표현은 설명의 용어로 사용된 것이고, 제한을 위해 사용된 것이 아니며, 해당 용어 및 표현을 사용함에 있어 표시되고 설명된 특징 또는 그 일부와 동등한 특징을 배제하려는 의도는 없으나, 청구된 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것이 인정된다. 따라서, 본 발명은 바람직한 실시형태, 예시적인 실시형태 및 선택적 특징에 의해 구체적으로 개시되었으나, 본 명세서에 개시된 개념의 수정 및 변형은 당업자에 의해 이루어질 수 있으며, 그러한 수정 및 변형은 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 본 명세서에 제공된 특정 실시형태는 본 발명의 유용한 실시형태의 예시이며, 본 발명이 본 설명에 설명된 장치, 장치 구성요소, 방법 단계의 다수의 변형을 사용하여 수행될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 본 방법에 유용한 방법 및 장치는 다수의 선택적인 구성 및 처리 부재 및 단계를 포함할 수 있다.

본 명세서와 첨부된 청구범위에 사용된 단수형 "a", "an" 및 "the"는 문맥에서 달리 명시하지 않는 한 복수형을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "셀(a cell)"에 대한 언급은 복수의 그러한 셀 및 당업자에게 공지된 그 등가물을 포함한다. 또한, 용어 "a"(또는 "an"), "하나 이상(one or more)" 및 "적어도 하나(at least one)"는 본 명세서에서 상호교환적으로 사용될 수 있다. 또한, "포함하는(comprising)", "포함하는(including)" 및 "갖는(having)"이라는 용어는 상호교환적으로 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. "XX-YY 항 중 어느 한 항"(XX 및 YY는 청구범위 번호를 나타냄)이라는 표현은 대안적 형태로 다중 종속항을 제공하기 위한 것이며, 일부 실시형태에서는 "XX-YY 항 중 어느 한 항에서와 같이"라는 표현과 상호교환 가능하다.

명세서에서 범위(예를 들어, 온도 범위, 시간 범위, 조성이나 농도 범위)가 주어질 때마다 모든 중간 범위 및 하위 범위 뿐만 아니라 주어진 범위에 포함된 모든 개별 값이 본 개시 내용에 포함되도록 의도된다. 본 명세서의 설명에 포함된 범위 또는 하위 범위 내의 임의의 하위 범위 또는 개별 값은 본 명세서의 청구범위에서 제외될 수 있음이 이해될 것이다.

명세서에 언급된 모든 특허 및 간행물은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술 수준을 나타낸다. 본 명세서에 인용된 참고문헌은 발행일 또는 출원일 현재의 최신 기술을 나타내기 위해 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함되어 있고, 이 정보는, 필요한 경우, 선행 기술에 있는 특정 실시형태를 제외하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있도록 의도된다. 예를 들어, 물질의 구성이 주장되는 경우, 본 명세서에 인용된 참고문헌에 가능한 개시가 제공되는 화합물을 포함하여, 출원인의 발명 이전에 당업계에 공지되어 있고 이용 가능한 화합물은 본 명세서의 조성물 청구범위에 포함되도록 의도되지 않은 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, "포함하는(comprising)"은 "포함하는(including)", "포함하는(containing)" 또는 "특징으로 하는(characterized by)"과 동의어이고, 포괄적이거나 개방적이며, 언급되지 않은 추가적인 부재 또는 방법 단계를 배제하지 않는다. 본 명세서에 사용된 "구성된(consisting of)"은 청구범위 부재에 명시되지 않은 모든 부재, 단계 또는 성분을 제외한다. 본 명세서에 사용된 "본질적으로 구성되는(consisting essentially of)"은 청구항의 기본적이고 신규한 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 재료 또는 단계를 배제하지 않는다. 본 명세서의 각 경우에 "포함하는(comprising)", "본질적으로 구성되는(consisting essentially of)" 및 "구성되는(consisting of)"이라는 용어는 다른 두 용어 중 하나로 대체될 수 있다. 본 명세서에 예시적으로 개시된 본 발명은 본 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 부재 또는 부재들, 제한 또는 제한들 없이도 실시될 수 있다.

이러한 물질 및 방법의 모든 공지된 기능적 등가물은 본 발명에 포함되도록 의도된다. 사용된 용어 및 표현은 제한이 아닌 설명의 용어로 사용되며, 그러한 용어 및 표현의 사용에 있어서 표시되고 설명된 특징과 동등한 것 또는 그 일부를 배제하려는 의도는 없으나, 청구된 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것이 인정된다. 따라서, 본 발명은 바람직한 실시형태 및 선택적인 특징에 의해 구체적으로 개시되었지만, 본 명세서에 개시된 개념의 수정 및 변형은 당업자에 의해 이루어질 수 있으며, 그러한 수정 및 변형은 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims

입자 검출 시스템으로서,
전자기 방사선 빔을 제공하는 레이저 광학 소스;
전자기 방사선 빔을 수신하기 위한 하나 이상의 빔 성형 부재(elements);
레이저 소스와 하나 이상의 빔 성형 부재 사이 빔의 경로에 배치된 광학 아이솔레이터이되, 시스템으로부터 레이저 광학 소스로 반사, 산란 또는 방출된 빛에 대해 10% 이하의 투과를 제공하는, 광학 아이솔레이터;
빔의 경로에 배치된 입자 검사 구역이되, 입자 검사 구역의 입자는 전자기 방사선 빔과 상호작용하는, 입자 검사 구역; 및
입자 검사 구역으로부터 산란 및/또는 투과된 빛을 검출하도록 구성된 광 검출기;
를 포함하고,
입자 검출 시스템은 5nm 내지 50nm 유효 입자 직경의 최소 검출 한계를 갖도록 구성되는 것이고;
레이저 광학 소스는 300밀리와트 내지 100와트의 레이저 출력을 갖는, 입자 검출 시스템.
입자 검출 시스템으로서,
전자기 방사선 빔을 제공하는 레이저 광학 소스;
전자기 방사선 빔을 수신하기 위한 하나 이상의 빔 성형 부재;
레이저 소스와 하나 이상의 빔 성형 부재 사이 빔의 경로에 배치된 광학 아이솔레이터이되, 시스템으로부터 레이저 소스로 반사, 산란 또는 방출된 빛에 대해 10% 이하의 투과를 제공하는, 광학 아이솔레이터;
빔의 경로에 배치된 입자 검사 구역이되, 입자 검사 구역의 입자는 전자기 방사선 빔과 상호작용하는, 입자 검사 구역;
입자 검사 구역으로부터 산란 및/또는 투과된 빛을 검출하도록 구성된 제1 광 검출기;
빔의 출력을 감시하도록 구성된 제2 광 검출기; 및
제2 광 검출기로부터의 신호에 기반하여 빔 출력을 조절하도록 구성된 제어기
를 포함하고,
광학 아이솔레이터는 입자 검출 시스템으로부터의 광학 피드백을 제2 광 검출기로 이어지는 광학 경로로 필터링하도록 구성되는 것이고;
입자 검출 시스템은 5nm 내지 50nm 유효 입자 직경의 최소 검출 한계를 갖도록 구성되는 것이고;
레이저 광학 소스는 300밀리와트 내지 100와트의 레이저 출력을 갖는, 입자 검출 시스템.
입자 검출 시스템으로서,
전자기 방사선 빔을 제공하는 레이저 광학 소스이되, 하우징을 갖는 레이저 광학 소스;
전자기 방사선 빔을 수신하기 위한 하나 이상의 빔 성형 부재;
레이저 소스와 하나 이상의 빔 성형 부재 사이 빔의 경로에 배치된 광학 아이솔레이터이되, 레이저 광학 소스의 하우징 내에 배치된 광학 아이솔레이터;
빔의 경로에 배치된 입자 검사 구역이되, 입자 검사 구역의 입자는 전자기 방사선 빔과 상호작용하는, 입자 검사 구역;
을 포함하고,
입자 검출 시스템은 5nm 내지 50nm 유효 입자 직경의 최소 검출 한계를 갖도록 구성되는 것이고;
레이저 광학 소스는 300밀리와트 내지 100와트의 레이저 출력을 갖는, 입자 검출 시스템.
제1항에 있어서, 광학 아이솔레이터가 레이저 광학 소스로부터의 상기 전자기 방사선 빔의 50% 이상의 투과를 제공하는 것인, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 아이솔레이터가 시스템으로부터 레이저 광학 소스로의 반사, 산란 또는 방출된 빛에 대해 10% 이하의 투과를 제공하는 것인, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 아이솔레이터가 상기 레이저 광학 소스의 광학 피드백을 방지하거나 감소시키는 것인, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 아이솔레이터가 하류 구성요소 또는 입자 검사 구역의 측정 유체에 의한 후방 반사 또는 산란광으로 인해 발생하는 레이저 광학 소스의 불안정성을 감소시키는 것인, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 아이솔레이터가 패러데이 회전자를 포함하는, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 아이솔레이터가 자립형이거나 또는 레이저 광학 소스의 하우징에 통합된 것인, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 아이솔레이터가 편광 의존형 광학 아이솔레이터인, 입자 검출 시스템.
제10항에 있어서, 광학 아이솔레이터가 입력 편광기, 패러데이 회전자 및 출력 편광기를 포함하고. 여기서 입력 편광기는 레이저 광학 소스와 패러데이 회전자 사이에 위치되고, 출력 편광기는 패러데이 회전자와 입자 검사 구역 사이에 위치되는 것인, 입자 검출 시스템.
제11항에 있어서, 패러데이 회전자가 상기 전자기 방사선 빔의 선형 편광을 유지하면서 비가역 회전을 제공하는, 입자 검출 시스템.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 패러데이 회전자가 전자기 방사선 빔의 편광 평면을 45°내지 90°만큼 회전시키는, 입자 검출 시스템.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 출력 편광기가 패러데이 회전자로부터 입자 검사 구역을 향해 통과하는 전자기 방사선 빔을 투과하도록 구성되는, 입자 검출 시스템.
제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 입력 편광기가 패러데이 회전자로부터 레이저 광학 소스를 향해 통과하는 빛의 투과를 방지하도록 구성되는, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 아이솔레이터가 편광 독립적 광 아이솔레이터인, 입자 검출 시스템.
제16항에 있어서, 광학 아이솔레이터가 입력 복굴절 쐐기, 패러데이 회전자 및 출력 복굴절 쐐기를 포함하고, 여기서 입력 복굴절 쐐기는 레이저 광학 소스와 패러데이 회전자 사이에 위치되고, 출력 복굴절 쐐기는 패러데이 회전자와 입자 검사 구역 사이에 위치되는 것인, 입자 검출 시스템.
제17항에 있어서, 입력 복굴절 쐐기가 레이저 광학 소스로부터의 빔을 제1 컴포넌트 빔과 제2 컴포넌트 빔으로 분할하도록 구성되고, 여기서 제1 컴포넌트 빔은 빔의 수직 성분 해당하고 제2 컴포넌트 빔은 빔의 수평 구성요소에 해당하는 것이고, 출력 복굴절 쐐기는 패러데이 회전자를 통과한 후 제1 및 제2 컴포넌트 빔을 재결합하도록 구성되는 것인, 입자 검출 시스템.
제18항에 있어서, 패러데이 회전자가 제1 및 제2 컴포넌트 빔의 편광 평면을 회전시키도록 구성되는, 입자 검출 시스템.
제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 아이솔레이터와 레이저 광학 소스 사이에 위치하는 제1 시준기와 광학 아이솔레이터와 입자 검사 구역 사이의 제2 시준기 위치를 포함하는, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 광학 소스는 고체 레이저인, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 광학 소스는 레이저 다이오드 또는 레이저 발진기인, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 레이저 광학 소스 및 복수의 광학 아이솔레이터를 포함하는, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 광학 소스가 무작위로 편광된 빛을 제공하는, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 광학 소스가 160nm 내지 1500nm 범위에서 선택되는 방사 파장을 갖는 빛을 제공하는, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 빔 성형 부재가 빛을 상기 입자 검사 구역에 포커싱하기 위한 적어도 하나의 포커싱 부재를 포함하는, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 아이솔레이터와 하나 이상의 빔 성형 부재 사이 빔 경로에 배치된 거울 또는 다른 비-빔 성형 컴포넌트를 포함하는 시스템.
제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 빔의 편광을 복원하기 위해 광학 아이솔레이터 이후의 빔 경로에 반파장판(half wave plate)을 포함하는, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 입자 검사 구역이 입자를 포함하는 유체를 흐르게 하기 위한 플로우 셀을 포함하는, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 입자 조사 구역이 표면을 포함하는, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 광 검출기가 하나 이상의 2차원 광 검출기 어레이를 포함하는, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 광 검출기가 입자 검사 구역의 입자에 의해 산란된 빛을 검출하도록 구성되는, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 광 검출기가 입자 검사 구역의 입자를 통해 투과된 빛을 검출하도록 구성되는, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 광학 소스가 출사 창을 갖는 것이고, 창과 광학 아이솔레이터 사이의 빔 경로는 300mm 미만인, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 광학 소스가 하우징을 갖는 것이고, 제2 광 검출기, 제어기 및 광학 아이솔레이터는 레이저 광학 소스의 하우징 내에 배치되는, 입자 검출 시스템.
제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 시스템은 유체 내 농도를 갖는 입자를 검출하도록 구성되는 것이고, 상기 농도는 20nm 이상의 유효 직경을 갖는 입자에 대해 유체 1리터당 입자 10 내지 100,000개인, 입자 검출 시스템.
입자 검출 방법으로서,
전자기 방사선 빔을 생성하는 단계;
광학 아이솔레이터를 통해 빔을 통과시키는 단계;
하나 이상의 빔 성형 부재를 통해 빔을 성형하는 단계;
성형된 빔을 입자 검사 구역을 향해 지향시키는 단계;
입자 검사 구역으로 입자를 통과시키는 단계이되, 빔이 입자 검사 구역 내의 입자와 상호작용하는 단계; 및
입자 검사 구역으로부터 산란된 및/또는 투과된 빛의 적어도 일부를 검출하는 단계;
를 포함하고,
광학 아이솔레이터는 시스템에서 레이저 광학 소스로 반사, 산란 또는 방출된 빛에 대해 10% 이하의 투과를 제공하는 것인, 방법.
능동적 안정화 레이저 입자 검출 시스템을 제어하는 방법으로서,
능동적 안정화 레이저를 통해 전자기 방사선 빔을 생성하는 단계이되, 빔은 빔 출력을 가지는 단계;
광학 아이솔레이터를 통해 빔을 통과시키는 단계;
하나 이상의 빔 성형 부재를 통해 빔을 성형하는 단계;
성형된 빔을 입자 검사 구역을 향해 지향시키는 단계;
입자 검사 구역으로 입자를 통과시키는 단계이되, 빔이 입자 검사 구역 내의 입자와 상호작용하는 단계;
제1 광 검출기를 통해 입자 검사 구역으로부터 산란 및/또는 투과된 빛의 적어도 일부를 검출하는 단계;
제2 광 검출기를 통해 빔 출력을 감시하는 단계;
광학 아이솔레이터를 통해 입자 검출 시스템으로부터의 광학 피드백을 제2 광 검출기로 이어지는 광학 경로로 필터링 하는 단계; 및
제어기를 통해 감시 및 필터링 단계 대한 반응으로 빔 출력 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
제37항 또는 제38항에 있어서, 광학 아이솔레이터를 통해 광원으로의 광학 피드백을 방지하거나 감소시키는 단계를 포함하는, 방법.
제37항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 아이솔레이터가 패러데이 회전자를 포함하는, 방법.
제37항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 아이솔레이터가 편광 의존형인, 방법.
제37항 내지 제41항에 있어서, 광학 아이솔레이터를 통해 빔을 통과시키는 단계는,
제1 편광 부재를 통해 빔을 선형 편광시키는 단계;
빔의 편광면을 45°만큼 회전시키는 단계; 및
제2 편광 부재를 통해 빔을 통과시키는 단계를 포함하고, 제2 편광 부재는 제1 편광 부재의 편광 축에 대해 45°로 정렬된 편광 축을 갖는 것인, 방법.
제42항에 있어서,
빛을 반대 방향으로 제2 편광 부재를 통해 통과시켜 편광된 역광을 형성하는 단계;
편광된 역광의 편광면을 45° 회전시키는 단계; 및
제1 편광 부재를 통해 역광을 감쇠시키는 단계를 포함하는, 방법.
제37항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 아이솔레이터가 편광 독립적인, 방법.
제44항에 있어서, 광학 아이솔레이터를 통해 빔을 통과시키는 단계는,
e-레이와 o-레이를 형성하기 위해 제1 복굴절 쐐기를 통해 빔을 통과시키는 단계;
패러데이 회전자를 통해 e-레이와 o-레이의 편광면을 45° 회전시키는 단계; 및
제2 복굴절 쐐기를 통해 e-레이와 o-레이를 재결합하는 단계를 포함하는, 방법.
제45항에 있어서,
역방향 e-레이와 역방향 o-레이를 형성하기 위해 제2 복굴절 쐐기를 통해 빛을 역방향으로 통과시키는 단계;
패러데이 회전자를 통해 역방향 e-레이와 역방향 o-레이의 편광면을 45° 회전시키는 단계; 및
제1 복굴절 쐐기를 통해 역방향 e-레이와 역방향 o-레이를 발산하는 단계를 포함하는, 방법.
제46항에 있어서, 시준기를 통해 역방향 e-레이와 역방향 o-레이를 감쇠시키는 단계를 포함하는, 방법.
제37항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 입자 계수기의 레이저 불안정성으로 인한 광 검출기 노이즈를 감소시키기 위한, 방법.
제37항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 입자 계수기의 안정성 및 수명을 증가시키기 위한, 방법.
제37항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 입자 계수기의 입자 오계수를 감소시키기 위한, 방법.
입자 검출 시스템에서 위양성 검출 사건을 감소시키는 방법으로서,
300밀리와트 내지 100와트의 레이저 출력을 갖는 능동적 안정화 레이저를 통해 전자기 방사선 빔을 생성하는 단계이되, 입자 검출 시스템은 5nm 내지 50nm 유효 입자 직경의 최소 탐지 한계를 갖도록 구성되는 것이고;
광학 아이솔레이터를 통해 빔을 통과시키는 단계;
하나 이상의 빔 성형 부재를 통해 빔을 성형하는 단계;
성형된 빔을 입자 검사 구역을 향해 지향시키는 단계;
입자 검사 구역을 통해 입자를 통과시키는 단계이되, 빔이 입자 검사 구역의 입자와 상호작용하는 단계;
제1 광 검출기를 통해 입자 검사 영역으로부터 산란 및/또는 투과된 빛의 적어도 일부를 검출하는 단계;
제2 광 검출기를 통해 빔 출력을 감시하는 단계;
광학 아이솔레이터를 통해 입자 검출 시스템으로부터의 광학 피드백을 제2 광 검출기로 이어지는 광학 경로로 필터링하는 단계; 및
제어기를 통해 감시 및 필터링 단계에 반응하여 빔 출력을 조절하는 단계를 포함하는, 방법.