JP5299241B2 - パーティクル計数装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置等の排気中に含まれる粉塵等のパーティクルの数を計測するパーティクル計数装置に関する。

半導体の製造工程で発生する粉塵などのパーティクルは、製品の性能等を低下させる原因となる。そこで、半導体製造装置には、その製造室内におけるパーティクルの発生数をリアルタイムで計測するパーティクル計数装置が設けられている（特許文献１参照）。
前記パーティクル計数装置は通常、製造室からの排気管に配設されている。パーティクル計数装置は、排気管内の測定対象領域に対してレーザ光を照射する光源、レーザ光が照射されたパーティクルからの散乱光を検出する検出部、検出部の検出信号を予め設定された固有の弁別閾値と比較してパーティクルの有無を判別する判別部等を備えている。

前記排気管には光照射窓が設けられており、該光照射窓を通して光源からのレーザ光が測定対象領域に導入される。また、レーザ光がパーティクルに照射されることにより発生した散乱光は光検出窓を通って検出部に入射される。前記排気管内を流れる大半のパーティクルは排気と共に測定対象領域を通過するが、一部のパーティクルは静電気力等により光照射窓や光検出窓（以下、これらを総称して「窓」という）に付着する。このように窓にパーティクルが付着すると、レーザ光が測定対象領域を通過するパーティクルにより散乱されて光検出窓を出射する光だけでなく、レーザ光が排気管内の他の箇所で散乱されることにより生成される迷光が窓に付着したパーティクルにより散乱されて光検出窓を出射する光も検出部に入射される。

迷光が窓に付着したパーティクルにより散乱されて生成される散乱光、即ち窓に付着したパーティクルによる迷光は検出部において検出される散乱光信号の高い周波数成分の要因の一つとなる。そこで、従来のパーティクル計測装置では、散乱光の検出信号の高い周波数成分の大きさから窓の汚れ状態を判別していた。

特開平6-26823号公報

しかし、散乱光の電気信号の高い周波数成分は測定対象領域の真空度や周辺機器の電気ノイズ等、複数の要因の影響を受ける。このため、電気信号の高い周波数成分だけでは窓の汚れ状態を正確に判定することができなかった。
本発明が解決しようとする課題は、光照射窓や光検出窓の汚れ状態を高感度に判定することができるパーティクル計数装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係るパーティクル計数装置は、
a)真空状態ないし真空に近い状態の測定対象領域に光照射窓を通して光を照射する光照射手段と、
b)前記測定対象領域に光が照射されることにより発生する散乱光を光検出窓を通して検出し、電気信号に変換する散乱光検出手段と、
c)前記測定対象領域の真空度を測定する真空度計測手段と、
d)前記電気信号の時間平均値と真空度から前記光照射窓及び／又は光検出窓の汚れ状態を判別する判別手段と
を有することを特徴とする。

ここで、前記光照射窓と前記光検出窓とは同一の窓でも良い。即ち、測定対象領域に光を照射するための窓を通して散乱光が検出部に入射される構成でも良い。また、測定対象領域には光照射窓及び光検出窓以外の窓が設けられていても良い。
また、前記電気信号の時間平均値としては、測定対象領域を流れてくるパーティクルによる散乱光の電気信号のピーク幅の２倍以上の時間平均値を取ることが望ましい。

散乱光検出手段は、光照射手段が測定対象領域を流れてくるパーティクルを照射することにより生成される散乱光の他、迷光が光透過窓に付着したパーティクルにより散乱されて生成される散乱光（パーティクルによる迷光）も検出する。散乱光検出信号の電気信号の時間平均値は該電気信号の凹凸（高低）をならしたものであり、高い周波数の信号がカットされているため、測定対象領域を流れてくるパーティクルによる散乱光の電気信号は含まれない。また、散乱光検出信号の電気信号の時間平均値は測定対象領域の真空度によって変化する。したがって、測定対象領域の真空度と散乱光検出信号の電気信号の時間平均値とから光透過窓に付着したパーティクルによる迷光の強度、即ち、光透過窓の汚れ状態を判別することができる。

本発明の一実施例に係るパーティクル計数装置の概略的な全体構成図。 排気管に設けられた光検出部の概略図。 弁別閾値とＡＣ成分、パーティクルによる散乱光ピークとの関係を示す図。 光出射窓に付着したパーティクルによる迷光を説明するための図。 光入射窓等が汚れていないときに測定対象領域の入り口付近において発生した散乱光の電気信号波形を示す図。 光入射窓等の汚れが中程度のときに測定対象領域の入り口付近において発生した散乱光の電気信号波形を示す図。 光入射窓等の汚れがひどいときに測定対象領域の入り口付近において発生した散乱光の電気信号波形を示す図。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係るパーティクル計数装置の概略構成図である。パーティクル計数装置１は、検出部１０、真空計１２、信号処理部１３、閾値設定部１６、閾値判別部１８、汚れ判別部１９、カウンタ２０等から構成されている。
図１及び図２に示すように、検出部１０は例えば半導体製造装置の排気管２２の途中に設けられている。排気管２２内は真空状態ないし真空に近い状態になっており、図２において紙面と垂直な方向に（例えば紙面手前側から裏側に向かって）パーティクルＰが流れてくるようになっている。

検出部１０は、排気管２２の壁面に対向配置される光入射窓２４と光出射窓２６、前記光入射窓２４から光出射窓２６に向かってレーザ光を照射する光照射部２８、前記レーザ光の照射方向と略直交する方向の排気管２２の壁面に設けられた検出窓３０、検出窓３０を通過した散乱光を検出する散乱光検出器３２、検出窓３０と散乱光検出器３２との間に配置された集光レンズ３４、等を備えている。

光照射部２８は、半導体レーザ素子等の光源２８１と、この光源２８１が照射するレーザ光をシート状の光に変換するレンズ（図示せず）から成る。光照射部２８から照射されたシート状の光は光入射窓２４から排気管２２内に入射し、排気管２２内（ここは真空となっている）を通過した後、光出射窓２６から出射する。これにより排気管２２内の矩形シート状の測定対象領域４０に光が照射され、当該領域４０を流れてくるパーティクルによって散乱光が発生する。前記測定対象領域４０で発生した散乱光のうち検出窓３０を通過した散乱光は集光レンズ３４によって散乱光検出器３２に集光される。

散乱光検出器３２が検出した散乱光による電気信号は信号処理部１３に入力される。信号処理部１３はその電気信号のＤＣ成分及びＡＣ成分を汚れ判別部１９及び閾値判別部１８にそれぞれ出力する。ＤＣ成分は散乱光の電気信号をパーティクルによる散乱光のパルス信号の時間幅よりも十分に長い時定数で積分した値であり、電気信号の時間平均値に相当する。本実施例では、例えば100msecの時間平均をＤＣ成分としている。ＡＣ成分は散乱光の電気信号からＤＣ成分を差し引いた値である。

閾値判別部１８は、信号処理部１３から入力されたＡＣ成分を弁別閾値と比較する。そして、ＡＣ成分が弁別閾値を超えるとパーティクルが通過したと判定し、判定信号をカウンタ２０に与える。カウンタ２０は一定時間内の判定信号の数、即ち一定時間内に測定対象領域４０を通過したパーティクルの数を計測する。
図３に弁別閾値とＡＣ成分、パーティクルによる散乱光ピークとの関係を示す。通常はＡＣ成分が弁別閾値を超えることはなく、パーティクルによる散乱光ピーク（図３において矢印で示す）が現れたときに弁別閾値を超えることになる。

汚れ判別部１９は、信号処理部１３から入力されたＤＣ成分と閾値設定部１６から入力された汚れ判別値とを比較して汚れ状態を判別する。
なお、カウンタ２０によるパーティクルの計数値、汚れ判別部１９による判別結果は図示しない表示部に出力される。したがって、使用者は表示部の表示をみてパーティクルの数や光入射窓２４等が汚れているか否かを確認することができる。

一方、排気管２２内の真空度（圧力）は真空計１２によって計測され、この真空度に基づき閾値設定部１６は弁別閾値及び汚れ判別値を設定する。閾値設定部１６は、真空度の変化に追従して弁別閾値及び／又は汚れ判別値を変化させるようにしても良く、一定時間の真空度の平均値に基づいて弁別閾値及び／又は汚れ判別値を設定するようにしても良い。

ここで、散乱光検出器３２の検出信号について説明する。散乱光検出器３２に入る光には、パーティクルによる散乱光の他、光入射窓２４、光出射窓２６、検出窓３０に付着したパーティクルによる迷光、測定対象領域４０に存在する酸素や窒素等のガス分子による背景光等が含まれる。排気管２２内を流れてくるパーティクルの一部は静電気力等によって光入射窓２４、光出射窓２６、検出窓３０に付着するが、このような光入射窓２４等に付着したパーティクルに光が照射されたときも散乱光が発生し、迷光となる。また、酸素や窒素などのガスも非常に小さい粒子の集合であるため、パーティクルと同様に光が照射されることによって散乱光が発生し、背景光となる。

したがって、散乱光検出器３２の検出信号には、これらの迷光や背景光が光入射窓２４等に付着したパーティクルにより散乱されてくる光が含まれることになり、これらに、測定対象領域４０を流れてくるパーティクルの散乱光成分が重畳する。

例えば光の波長に比べて十分に小さい真空中の孤立パーティクル（半径a ）に、偏光していない平面波（強度Ｉ_０ ）が当たるときに、粒子から r の距離での[散乱光の強度Iscat/照射光強度Ｉ_０] の比は、次のレイリー理論に基づいた式（１）で求められる。
（式（１）において、a：粒子半径、r：散乱粒子からの距離、λ：光の波長、n：粒子の屈折率、θ：入射光と散乱光の角度）

一方、酸素や窒素等のガス分子による散乱光強度は、１個のガス分子による散乱光強度（これは式（１）から求められる）にガス分子の数を乗じた値に比例する。測定対象領域４０に存在するガス分子の数は真空度を表す圧力に比例するので、ガス分子による背景光強度は圧力に比例することになる。
例えば、多数の窒素分子（直径0.2nmと仮定）による散乱光強度と、パーティクル（直径200nmと仮定）による散乱光強度を比較する。式（１）より、散乱光強度は、粒子径の６乗に比例する。上記の仮定では、粒子径は1000倍（＝10³）異なるため、散乱光強度は、10¹⁸倍異なる。たとえば、圧力1atmで検出領域の体積を0.2mlと仮定すると、そこに存在する分子数は、5.357×10¹⁸個（=6×10²³/22.4×0.2×10^-3）となる。つまり、1atmの窒素分子の散乱光は、200nmの１個のパーティクルによる散乱光より大きいことがわかる。

測定対象領域４０に存在するガス分子による背景光強度は測定対象領域４０の真空度（圧力）が分かれば一意的に決まる。したがって、閾値設定部１６は、圧力に基づき、背景光（電圧信号）をパーティクルによる散乱光としてカウントしないように弁別閾値を設定する。

また、光入射窓２４等に付着したパーティクルによる散乱光（迷光）は、排気管２２内で複数回反射した後、検出窓３０を通って散乱光検出器３２に入る（図４参照）。散乱光の検出信号（散乱光の強度）を変換した電気信号の時間平均値（ＤＣ成分）は、高い周波数の信号がカットされているため、測定対象領域４０を流れてくるパーティクルによる散乱光の電気信号は含まれず、背景光及び迷光が光入射窓２４等に付着したパーティクルにより散乱されてくる光の二つの成分の電気信号の合計となる。上述したように、測定対象領域４０に存在するガス分子による背景光強度は測定対象領域４０の真空度により決まる。したがって、真空度とＤＣ成分から窓の汚れ状態を判別することができる。

図５〜図７は信号処理部１３の電気信号波形の一例を示す。いずれも真空計１２により測定された圧力が40Torrで、且つ、測定対象領域４０にはパーティクルは流れていない
図５は、いずれの窓も汚れていないときの電気信号の波形である。このときは、電気信号に100mVのＤＣ成分が観測された。
図６は、窓の汚れ状態が中程度であるときの電気信号の波形である。このときは、850mVのＤＣ成分が観測された。
図７は、窓の汚れ状態がひどいときの電気信号の波形である。このときは1350mVのＤＣ成分が観測された。図５〜図７から明らかなように、真空度が同じであっても窓の汚れ状態がひどくなるとＤＣ成分が増加する。したがって、真空度に基づき設定された判別閾値と電気信号の時間平均値(ＤＣ成分)とから窓の汚れを判別することができる。

たとえば、10Torrから大気圧(760Torr)の範囲でパーティクル計数装置が動作すると想定する。また、圧力が10Torrで且つ窓に汚れがないときのガス背景光によるＤＣ成分を10mVと仮定する。ＤＣ成分は真空度に比例するため、大気圧(760Torr)では、ガス背景光によるＤＣ成分は760mVとなる。したがって、圧力がわかっていればそのときのガスは背景光によるＤＣ成分よりも僅かに大きい値を汚れ判定値として設定できる。即ち、圧力が10Torrであることがわかっていれば、汚れ判定値を20mVに設定し、圧力が760Torrであることがわかっていれば、汚れ判定値を770mVに設定できる。
これに対して圧力を計測していないときは、ＤＣ成分の上昇が真空度によるものか否かを判別できないため、窓汚れの判定閾値は、大気圧のときのガス背景光の電気信号760mVよりも少し大きい値（たとえば800mV）に常時設定しておく必要がある。
以上のように、真空度とＤＣ成分を組み合わせることにより、真空窓の汚れを800/20=40倍高感度に検知することができる。

１０…検出部
１２…真空計
１３…信号処理部
１６…閾値設定部
１８…閾値判別部
１９…汚れ判別部
２０…カウンタ
２４…光入射窓
２６…光出射窓
２８…光照射部
２８１…光源
３０…検出窓
３２…散乱光検出器
３４…集光レンズ
４０…測定対象領域

Claims (4)

1. a)真空状態ないし真空に近い状態の測定対象領域に光照射窓を通して光を照射する光照射手段と、
   b)前記測定対象領域に光が照射されることにより発生する散乱光を光検出窓を通して検出し、電気信号に変換する散乱光検出手段と、
   c)前記測定対象領域の真空度を測定する真空度計測手段と、
   d)前記電気信号の時間平均値と真空度から前記光照射窓及び／又は光検出窓の汚れ状態を判別する判別手段と
   を有することを特徴とするパーティクル計数装置。
2. 前記光照射窓と前記光検出窓が同一の窓であることを特徴とする請求項１に記載のパーティクル計数装置。
3. 前記判別手段が、前記電気信号の時間平均値として、測定対象領域を流れてくるパーティクルによる散乱光の電気信号のピーク幅の２倍以上の時間平均値を取ることを特徴とする請求項１又は２に記載のパーティクル計数装置。
4. 前記真空度計測手段が、前記測定対象領域の圧力を測定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のパーティクル計数装置。