JP5714977B2 - 光学測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体等の製造工程において、薬液等の測定対象流体に検査光を透過させて、測定対象流体の汚染度や濃度等の特性を測定する光学測定装置に関するものである。

例えば、エンジンオイルなどの流体の汚れを測定する場合、流体に検査光を照射して、その透過率によって汚染度を測定する方法が知られている。

その具体例としては、特許文献１に示すように、検査光の射出口が設けられた射出光学系部材と、検査光の導入口が設けられた受光光学系部材とを、セルの対向する各面に取り付け、前記射出口から射出された検査光が、セルの窓を介して内部の流体を透過し、前記導入口で受光されるように構成したものがある。

ところで、例えば、半導体ウェハを洗浄する洗浄薬液の汚染度を測定する場合などにおいては、セルにＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））樹脂などのような耐腐食性を有する素材を用いる必要がある。

しかしながら、ＰＴＦＥは温度変化に対する形状変化率が大きいため、上述したように、セルに射出光学系部材及び受光光学系部材を取り付けるような態様であると、例えば枚葉式半導体製造装置などのように、様々な温度の薬液が用いられる場合に、薬液毎の温度のちがいによってセルが変形し、射出光学系部材と受光光学系部材との光軸がずれるなどして、測定精度を担保できなくなる。

特開２００７−９３５９８号公報

本発明は、かかる不具合を解決すべくなされたものであって、例えば半導体プロセスで用いられる薬液の汚染度を測定する場合など、セルに温度に対する形状変化率の大きい素材を用いざるを得ない場合でも、射出光学系部材と受光光学系部材との相対的な位置ずれを防止でき、測定精度を担保できる光学測定装置を提供することにある。

すなわち、本発明に係る光学測定装置は、測定対象流体を透過した検査光に基づいて当該測定対象流体の特性を測定するものであって、前記測定対象流体が収容される又は流通する内部空間を有し、該内部空間に検査光を透過させるための対向する一対の貫通孔を設けるとともに各貫通孔を透明部材によって気密又は液密に封止したセルと、前記検査光が射出される光射出口を有する射出光学系部材と、前記内部空間を透過した検査光を受光する光導入口を有する受光光学系部材と、前記セルと前記各光学系部材との間に、検査光の光軸方向と直交する方向に沿った所定範囲の相対移動が許容される隙間を形成して該セル及び各光学系部材を共通に支持するベース部材とを具備し、前記ベース部材と前記セルとの間に空隙が形成されていることを特徴とするものである。

このようなものであれば、ベース部材にセル及び各光学系部材を支持させるとともに、セルと各光学系部材との間に検査光の光軸方向と直交する方向に対する所定範囲の相対移動が許容される隙間を設けているので、セルが温度変化によって変形しても、各光学系部材に実質的な位置ずれが生じることはなく、光軸ずれを可及的に低減させて、測定精度を担保することができる。

各光学系部材及びベース部材の熱変形を低減するためには、前記各光学系部材及びベース部材が、前記セルの主体構成部材よりも温度に対する形状変化率の小さい部材を主体として構成されたものが望ましい。

ベース部材に対するセルの変形影響を可及的に小さくするためには、前記ベース部材が、前記セルの１面のみと接続されているものが望ましい。

前記セルと前記ベース部材との間に、スペーサを介在させて、空隙を形成するようにしたものであれば、セルを流れる測定対象流体の熱をベース部材に伝えにくくでき、ベース部材の熱変形を低減でき、結果として、射出光学系部材と受光光学系部材との相対的な位置ずれをより効果的に防止することができる。

迷光を防止するとともに、各光学系部材間の距離をできるだけ小さくしてコンパクト化を図るためには、前記透明部材が、前記貫通孔の内部に配置されており、前記各光学系部材が、先端に前記光射出口又は前記光導入口を形成した突出部を具備したものであり、前記突出部を、前記貫通孔における前記透明部材よりも表面側に嵌め込むとともに、該貫通孔の内周面と前記突出部の外周面との間に前記隙間が形成されるようにしたものが望ましい。

前記貫通孔の内周面と前記突出部の外周面との間に、弾性リングを介在させているものであれば、配管の壁を透過して漏れ出た物質などの周辺雰囲気に存在する物質による透明部材の汚れを防止することができる。

前記セルが、前記内部空間を有したセル本体と、前記セル本体よりも温度に対する形状変化率が小さい部材を主体として構成され、セルの光軸に直交する各面に取り付けられた一対の押さえ部材と、前記セル本体よりも温度に対する形状変化率が小さい部材を主体として構成され、前記各押さえ部材をそれらの離間距離が実質的に変動しないように連結する連結部材とを具備したものであってもよい。このようなものであれば、セル本体の変形によって透明部材間の距離が変わり、測定精度に影響がでることを防止することができる。

従って、本発明によれば、例えば半導体プロセスで用いられる薬液の汚染度を測定する場合など、セルに温度に対する形状変化率の大きい素材を用いざるを得ない場合でも、射出光学系部材と受光光学系部材との相対的な位置ずれを防止でき、測定精度を担保できる。

本発明の第１実施形態における光学測定装置の斜視図。 同実施形態における光学測定装置の縦断面図。 同実施形態における光学測定装置の分解斜視図。 本発明の第２実施形態における光学測定装置の側面図。 同実施形態における光学測定装置のＡ−Ａ線断面図。 同実施形態における光学測定装置のＢ−Ｂ線断面図 本発明の第３実施形態における光学測定装置の横断面図。 本発明の第４実施形態における光学測定装置の斜視図。 同実施形態における光学測定装置の側面図。 同実施形態における光学測定装置のＣ−Ｃ線断面図。

次に、本発明の一実施形態に係る光学測定装置１００について、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る光学測定装置１００は、半導体ウェハを洗浄する洗浄薬液である測定対象流体に検査光を照射して、測定対象流体を透過した検査光に基づいて、測定対象流体の汚染度を測定するものである。具体的にこの光学測定装置１００は、図１に示すように、測定対象流体が流通するフロータイプのセル１０と、セル１０を流れる測定対象流体に検査光を射出する射出光学系部材５０と、セル１０を流れる測定対象流体を透過した検査光を受光する受光光学系部材５０’と、セル１０及び各光学系部材５０、５０’を支持する支持枠体７０とを具備している。

各部を詳述する。セル１０は、図２及び図３に示すように、セル本体１３を主体構成部材とした中空の概略ブロック体状をなすものである。このセル本体１３は、中空の概略直方体状をなすものであり、その対向する壁面には、その内部空間１１に連通する流入ポート２１及び流出ポートが開口させてある。この流入ポート２１及び流出ポートには、図１に示すように、測定対象流体を流出入させる配管Ｔが接続されており、測定対象流体は、流入ポート２１からセル本体１３の内部空間１１に導入されて、流出ポートから導出される。一方、このセル本体１３の別の対向壁面（以下、透過孔形成面１３ａともいう）には、検査光を透過させる検査光透過孔２０がそれぞれ開口している。検査光は、一方の検査光透過孔２０からセル本体１３の内部空間１１に導入されて、他方の検査光透過孔２０から導出される。

このセル１０には、さらに前記検査光透過孔２０をふさぐための、概略円板状の透明板１４（請求項での透明部材に相当する）が設けてある。より具体的には、検査光透過孔２０の内部には段部２０ａが設けられており、その段部２０ａに透明板１４がＯリング１７を介して押圧密着させられる。さらに、透明板１４を押圧するために、押さえ部材１６及びスペーサリング１５が設けてある。押さえ部材１６は、検査光透過孔２０よりも大きい概略矩形板状をなすものであり、光軸方向Ｌに貫通する第１の孔１６ａを有する。押さえ部材１６は、セル本体１３の透過孔形成面１３ａに取り付けられて、検査光透過孔２０に収容されたスペーサリング１５を介して、透明板１４を押圧するとともに、セル本体１３の透過孔形成面１３ａを押圧する。また、各押さえ部材１６は、連結部材８０であるボルトによって、それらの距離が実質的に変動しないように連結されている。

このようにして構成されたセル１０には、対向する一対の貫通孔１２が形成される。より詳しくは、貫通孔１２は、セル１０の内部空間１１と連通して、セル１０における検査光の光軸方向Ｌと直交する一対の対向面（以下、貫通孔形成面１０ａともいう）にそれぞれ開口している。この貫通孔１２は、押さえ部材１６の第１の孔１６ａと、スペーサリング１５の内径の孔である第２の孔１５ａとからなるものであり、内部空間１１側に向かうにつれ段階的に狭くなるすり鉢形状をなす。

セル１０を構成する各部材の材質面についていうと、セル本体１３及びスペーサリング１５は耐腐蝕性を有するＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））樹脂を用いて形成されている。これに対し、押さえ部材１６、ボルト８０にはセル本体１３よりも温度に対する形状変化率が小さい部材が用いられており、ここでは、押さえ部材１６にはポリフェニレンスルファイド樹脂（以下、ＰＰＳ樹脂ともいう）が用いられ、ボルト８０にはステンレスが用いられている。また、透明板１４はサファイヤからなる。

射出光学系部材５０は、セル１０の貫通孔形成面１０ａの一方の面に対向して配置され、セル１０の内部空間１１に検査光を射出するものである。射出光学系部材５０は、図２及び図３に示すように、概略矩形板状をなす本体ブロック５２と、本体ブロック５２のセル１０と対向する面（以下、突出部形成面５０ａともいう）に設けられた、先端に光射出口５１を形成した概略円筒形状をなす突出部５３と、突出部形成面５０ａの裏面に設けられた、光伝達手段である光ファイバ５５を取り付けるための取付ポート５４とを具備している。その取付ポート５４からは、本体ブロック５２を光軸方向Ｌに貫通して、光射出口５１まで達する光ファイバ保持孔５７が延びている。光ファイバ保持孔５７には、図示しない光源と接続された光ファイバ５５が挿通されている。光ファイバ５５から射出された光を平行化するために、突出部５３の内部には、凸面側をセル１０の内部空間１１に向けた平凸レンズ５６が取り付けられている。なお、本体ブロック５２、突出部５３、及び取付ポート５４は、セル本体１３よりも温度に対する形状変化率の小さい部材であるＰＰＳ樹脂を用いて形成される。

受光光学系部材５０’は、セル１０の貫通孔形成面１０ａの他方の面に対向して配置され、セル１０の内部空間１１を透過した検査光を光導入口５１’を介して受光するものである。受光光学系部材５０’は、図２に示すように、射出光学系部材５０と対称な形状であるので、詳細な説明を省略する。なお、受光光学系部材５０’の各符号は、対応する射出光学系部材５０の符号にダッシュをつけたものである。

支持枠体７０は、ベース部材７１及び天板部材７２を具備している。ベース部材７１は、概略矩形板状をなし、セル１０及び各光学系部材５０、５０’を共通に支持するものであり、より詳しくは、セル１０及び各光学系部材５０、５０’における、検査光の光軸方向Ｌ及び測定対象流体の流れ方向Ｆと平行な一対の対向面（以下、枠体取付面１０ｂ、５０ｂ、５０ｂ’ともいう）の一方の面のみと、例えばボルトによって接続されるものである。また、天板部材７２は、概略矩形板状をなし、各光学系部材５０、５０’における枠体取付面５０ｂ、５０ｂ’の他方の面と、例えばボルトによって接続されるものである。ベース部材７１及び天板部材７２は、セル本体１３よりも温度に対する形状変化率の小さい部材であるＰＰＳ樹脂を用いて形成される。

しかして、この実施形態では、支持枠体７０によって、セル１０及び各光学系部材５０、５０’が支持された状態において、セル１０と各光学系部材５０、５０’との間に、検査光の光軸方向Ｌと直交する方向に沿った相対移動が許容される隙間９０が形成されるようにしている。各光学系部材５０、５０’の突出部５３、５３’は、セル１０の貫通孔１２における透明板１４よりも表面側にはめこまれることとなる。隙間９０の形成位置について、より詳細に言えば、隙間９０は、セル１０の貫通孔１２の内周面と、各光学系部材５０、５０’の突出部５３、５３’の外周面との間に形成される。隙間９０の大きさについて言えば、例えば光学測定装置１００の仕様温度範囲内の測定対象流体を測定する場合において、温度の影響によりセル１０が変形して、セル１０及び各光学系部材５０、５０’が相対移動しても、セル１０及び各光学系部材５０、５０’が直接接しない程度の大きさに設定されている。

さらに、本実施形態においては、セル１０と各光学系部材５０、５０’との間に、検査光の光軸方向Ｌに沿った相対移動が許容される隙間９０が形成されるようにしており、セル１０と各光学系部材５０、５０’が直接接しないようにしてある。その隙間９０は、セル１０の各貫通孔形成面１０ａと、各光学系部材５０、５０’の各突出部形成面５０ａ、５０ａ’との間に形成されている。なお、セル１０と天板部材７２とは離間しており、言い換えれば、セル１０の枠体取付面１０ｂ間の距離は、各光学系部材５０、５０’の枠体取付面５０ｂ、５０ｂ’間の距離よりも小さく設定されている。

また、突出部５３、５３’は、その先端に向かうにつれ段階的に細くなる先細り形状である。突出部５３、５３’の外周面には、弾性リング８１が取り付けられる円環溝が形成されている。弾性リング８１は、図２に示すように、セル１０の貫通孔１２の内周面と突出部５３、５３’の外周面との間に介在しており、セル１０と突出部５３、５３’とを気密及び液密に封止する。

本実施形態によれば、ベース部材７１にセル１０及び各光学系部材５０、５０’を支持させるとともに、セル１０と各光学系部材５０、５０’との間に検査光の光軸方向Ｌと直交する方向に対する所定範囲の相対移動が許容される隙間９０を設けているので、セル１０が温度変化によって変形しても、各光学系部材５０、５０’に実質的な位置ずれが生じることはなく、光軸ずれを可及的に低減させて、測定精度を担保することができる。

また、セル１０と各光学系部材５０、５０’との間に、検査光の光軸方向Ｌの隙間９０が形成されているので、セル１０の温度変形の影響をさらに受けにくくでき、各光学系部材５０、５０’の光軸ずれをさらに低減することができる。さらに、セル１０の貫通孔１２と、各光学系部材５０、５０’の突出部５３、５３’とが、セル１０の内部空間１１に近づくにつれて段階的に細くなる先細り形状に形成されているので、迷光の侵入をより効果的に防止することができる。そして、押さえ部材１６やスペーサリング１５を取り替えることによって、測定対象流体の温度等に応じて、貫通孔１２の形状を変えることができる。加えて言えば、セル本体１３と、スペーサリング１５とは、温度に対する形状変化率が同じ部材で構成されているので、セル本体１３が熱の影響を受け、スペーサリング１５が収容される検査光透過孔２０が変形した場合であっても、スペーサリング１５も同様に熱変形するので、スペーサリング１５が、押さえ部材１６からの押圧力を透明板１４に伝える状態を保つことができ、貫通孔１２を気密及び液密に封止した状態を保つことができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る光学測定装置１００を、図４〜６に基づいて説明する。支持枠体７０は、概略矩形板状をなす一対のベース部材７１を具備している。各ベース部材７１は、セル１０及び各光学系部材５０、５０’における枠体取付面１０ｂ、５０ｂ、５０ｂ’に対向して配置される。図４に示すように、ベース部材７１と各光学系部材５０、５０’とは、ベース部材７１同士の距離が変わらず、かつ各光学系部材５０、５０’に対して動かないように、例えばボルト（図示しない）によって固定される。これに対し、図６に示すように、ベース部材７１とセル１０とは、それらの間に、スペーサ８２を介在させて、空隙８３を形成した状態で取り付けられる。より具体的に言えば、スペーサ８２は、ベース部材７１の一面から突出する凸部であり、ここでは、ベース部材７１のめねじ孔７１ａに螺合するとともに、そのベース部材７１を貫通するボルトの先端部である。そのボルトの先端部がセル１０の枠体取付面１０ｂを押圧することによって、各ベース部材７１がセル１０を挟んで支持する。他の構成は、上述した第１実施形態と同様なので、同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態によれば、セル１０とベース部材７１との間に、スペーサ８２を介在させて、空隙８３を形成するようにしているので、セル１０を流れる測定対象流体の熱を、ベース部材７１に伝えにくくでき、ベース部材７１の熱変形を低減でき、結果として、ベース部材７１が支持する射出光学系部材５０と受光光学系部材５０’との相対的な位置ずれをより効果的に防止することができる。

さらに、本発明の第３実施形態に係る光学測定装置１００を、図７に基づいて説明する。この第３実施形態では、第２実施形態と同様にセル１０とベース部材７１との間に空隙８３が形成されるが、それらは、第２実施形態とは別の様態で接続される。具体的には、セル１０とベース部材７１とは、接続部材８４（ここではボルト）によって接続され、その接続部材８４は、ベース部材７１のめねじ孔ではない挿通孔７１ｂを貫通し、セル１０のめねじ孔１０ｃに取り付けられる軸部８４ａと、ベース部材７１をセル１０の枠体取付面１０ｂに向かって押圧する頭部８４ｂとを有する。軸部８４ａはまた、セル１０とベース部材７１との間に介在する、概略リング形状をなすスペーサ８２を貫通する。この状態において、セル１０とベース部材７１との間には空隙８３が形成される。他の構成は、上述した第２実施形態と同様なので、同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態によれば、接続部材８４によってベース部材７１とセル１０とが接続されるので、一対のベース部材７１を用いることもできるし、１つのベース部材７１によって、セル１０と各光学系部材５０、５０’を共通に支持することもできる。

本発明の第４実施形態に係る光学測定装置１００を、図８〜１０に基づいて説明する。第４実施形態は、他の実施形態とセル１０とベース部材７１との取り付け方の点で異なる。図８に示すように、セル１０は一対のベース部材７１の間に挟まれており、一対のベース部材７１同士は、接続部材８５（ここではボルト）によって接続されている。図１０に示すように、接続部材８５の軸部８５ａは、一方のベース部材７１のめねじ孔ではない挿通孔７１ｃと、セル１０のめねじ孔ではない挿通孔１０ｄとを貫通し、他方のベース部材７１のめねじ孔７１ｄに螺合する。接続部材８５の頭部８５ｂは、一方のベース部材７１を他方のベース部材７１に向かって押圧する。これにより、一対のベース部材７１がセル１０を挟み込んで押圧する。

さらに、接続部材の軸部８５ａは、セル１０と各ベース部材７１との間に介在する、概略リング形状をなすスペーサ８２を貫通する。これにより、セル１０とベース部材７１との間に空隙８３が形成される。他の構成は、上述した第２実施形態と同様なので、同一符号を付して説明を省略する。

なお、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。例えば、本実施形態においては、測定対象流体が内部空間を流通するもの（フロータイプのセル）としたが、バッチ処理での測定に用いるために、測定対象流体が内部空間に収容されるもの（バッチタイプのセル）としてもよい。

また、各光学系部材は、光源及び光射出口の間や、受光素子及び光導入口の間に光伝達手段である光ファイバを介在させるものとしたが、光伝達手段を介さず、各光学系部材に光源又は受光素子を取り付けるようにしてもよい。

各光学系部材は、セル本体よりも温度に対する形状変化率の小さい部材を主体として構成すればよく、各本体ブロックがそのような部材によって構成されていればよい。

スペーサは、例えばベース部材から突出する凸部や、ベース部材及びセルと別体で設けられた部材であるとしたが、セルから突出する凸部であってもよいし、それらを適宜組み合わせてもよい。また、接続部材はボルトであるとしたが、軸部と頭部を有する概略ボルト形状をなすものであればよい。

セルの貫通孔と、各光学系部材の突出部とは、セルの内部空間に近づくにつれて連続的に狭まるとともに、１又は複数の段が形成された階段形状をなすものとしたが、セルの内部空間に近づくにつれて広がるものであってもよい。また、貫通孔及び突出部のいずれか一方が段形状をなし、他方はテーパ状をなすものとしてもよい。さらに、段形状ではなく、貫通孔及び突出部の間に介在し、又はいずれか少なくとも一方から突出する遮光部を設けてもよい。要は、貫通孔及び突出部の間に形成される隙間が、セルの外部空間及び内部空間を直線状に貫通しないように、折れ曲がって形成されたり、貫通孔及び突出部の間に形成される隙間を通る光の光路を遮るように、遮光部を設けたりしたものであればよい。その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１００・・・光学測定装置
１０・・・セル
１１・・・内部空間
１２・・・貫通孔
１３・・・セル本体
１４・・・透明板
５０・・・射出光学系部材
５１・・・光射出口
５０’・・・受光光学系部材
５１’・・・光導入口
７１・・・ベース部材
８０・・・連結部材
８１・・・弾性リング
９０・・・隙間
Ｌ・・・光軸
Ｆ・・・測定対象流体の流れ方向

Claims (7)

1. 測定対象流体を透過した検査光に基づいて当該測定対象流体の特性を測定するものであって、
   前記測定対象流体が収容される又は流通する内部空間を有し、該内部空間に検査光を透過させるための対向する一対の貫通孔を設けるとともに各貫通孔を透明部材によって気密又は液密に封止したセルと、
   前記検査光が射出される光射出口を有する射出光学系部材と、
   前記内部空間を透過した検査光を受光する光導入口を有する受光光学系部材と、
   前記セルと前記各光学系部材との間に、検査光の光軸方向と直交する方向に沿った所定範囲の相対移動が許容される隙間を形成して該セル及び各光学系部材を共通に支持するベース部材とを具備し、
   前記ベース部材と前記セルとの間に空隙が形成されていることを特徴とする光学測定装置。
2. 前記各光学系部材及びベース部材が、前記セルの主体構成部材よりも温度に対する形状変化率の小さい部材を主体として構成された請求項１記載の光学測定装置。
3. 前記ベース部材が、前記セルの１面のみと接続されている請求項１又は２記載の光学測定装置。
4. 前記セルと前記ベース部材との間に、スペーサを介在させて、空隙を形成するようにした請求項１又は２記載の光学測定装置。
5. 前記透明部材が、前記貫通孔の内部に配置されており、
   前記各光学系部材が、先端に前記光射出口又は前記光導入口を形成した突出部を具備したものであり、
   前記突出部を、前記貫通孔における前記透明部材よりも表面側に嵌め込むとともに、該貫通孔の内周面と前記突出部の外周面との間に前記隙間が形成されるようにした請求項１乃至４のいずれかに記載の光学測定装置。
6. 前記貫通孔の内周面と前記突出部の外周面との間に、弾性リングを介在させている請求項５記載の光学測定装置。
7. 前記セルが、前記内部空間を有したセル本体と、
   前記セル本体よりも温度に対する形状変化率が小さい部材を主体として構成され、セルにおける光軸に直交する各面に取り付けられた一対の押さえ部材と、
   前記セル本体よりも温度に対する形状変化率が小さい部材を主体として構成され、前記各押さえ部材をそれらの離間距離が実質的に変動しないように連結する連結部材とを具備したものである請求項１乃至６のいずれかに記載の光学測定装置。