JPH03223651A - 粒子測定方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は粒子測定方法、さらに詳細には流体中にレーザ
光を照射し、所定の受光系を介して流体中に浮遊する微
粒子からの散乱光を検出して粒子特性を計測する粒子測
定方法に関するものである。

［従来の技術］ 現在、半導体製造過程において使用される超純水や薬液
は、４Ｍビット、１６ＭビットとＬＳＩの高密度化が進
むにつれて不純物が含まれていない高品質なものが要求
されている。その中で特に超純水や薬液の中の微粒子を
管理することは、ＬＳＩの歩留りに大きく影響するため
重要である。

これまでは超純水中や薬液中の微粒子を計測するために
走査型電子顕微鏡が使用されてきたが、多大なコストが
かかり、リアルタイム性に欠けるという問題点があった
。この問題点を解決するために、レーザ光散乱法による
微粒子計測法が普及してきている。この計測法は、レー
ザ光を照射された微粒子からの散乱光強度が微粒子の直
径に依存することを応用したものである。

従来、このような装置では粒子を含む測定セル中の流体
にレーザ光を照射し、粒子からの散乱光強度が粒子径に
依存することを利用して、その粒子からの散乱光強度か
ら粒子径を算出し、測定体積と測定粒子数から粒子数密
度を算出していた。

まず、従来の装置を第５図と第６図を用いて説明する。

第５図において、レーザ光源ｌから放出されたレーザ光
はレンズ２によって測定セル３中の測定領域４に集光さ
れる。測定領域４内を粒子が通過すると、粒子はレーザ
光を散乱する０粒子によって散乱させられた光をレンズ
５で集光し、スリット６に結像させる。

スリット６を通過した粒子からの散乱光は光電子増倍管
７に到達して電気信号に変換される。前置増幅器８によ
って増幅された電気信号は粒径解析装置９でアナログ法
や光子計数法によって解析され、その散乱光強度から粒
子径が算出され、測定体積と測定粒子数から粒子数密度
を算出する。

第６図は第５図における粒度分布解析装置の一部を示し
ている。

メモリ２１は粒子や流体自身からの散乱光強度を時系列
的に記憶させておく記憶回路であり、メモリ２２は検出
された粒子数を時系列的に記憶させておく記憶回路で、
ＲＡＭ、Ｉｉ１気ディスク装置などから構成される。メ
王り２３は装置全体の解析や制御のためのプログラムを
記憶させておく記憶回路でＲＯＭなどから構成される。

測定に際しては、メモリ２Ｉに記憶された散乱光強度の
時系列データをＣＰＵで解析して粒子からの散乱光を検
出し１粒子径を算出する。そして、検出された粒子を粒
子径ごとに分類し、メモリ２２にその粒子数を時系列的
に記憶させていく。

さらに、測定結果出力に際しては、メモリ２２に時系列
的に記憶された粒子数をＣＰＵによって統計処理した後
１表示回路でｌｃｃ中の粒子数を表示する。

一方、半導体の高密度化が進むと、より小さな微粒子の
管理が要求される。液体中の粒子にレーザ光を照射した
時の粒子からの散乱光強度は、Ｍ　ｉ　ｅの散乱理論に
よって理論的に計算することができる。

Ｍｉｅの散乱理論によると粒子径が０．２μｍ以下の粒
子からの散乱光強度は１粒子径が小さくなればなるほど
弱くなる。従って、より小さな粒子を検出しようとする
と、光学的な手法や電気的な手法を用いてＳ／Ｎ比を向
上させなければならない。

そのために、光信号を電気信号に変換する際、光子計数
法を用いると光電子増倍管の電極の中に存在している電
子の熱運動が原因の暗電流と光電子の増倍過程における
増倍率のゆらぎを除去できるので、アナログ法と比較す
るとＳ／Ｎ比を向上させることができる。

従って、光子計数法を用いると迷光を一切受光しないと
いう条件では、装置のＳ／Ｎ比を決定する要因は粒子か
らの散乱光と流体自身の散乱光となる。

粒子からの散乱光強度を決定する要因は粒子の散乱効率
、レーザビームの中心強度などである。

これに対して、流体自身からの散乱光強度を決定する要
因は流体自身の散乱効率、レーザ強度および有効測定断
面積である。

今、有効測定断面積とｌＣＣの計測時間と検出下限粒径
関係について考える。ここで、有効測定断面積をＤ　（
ｃｍ”　）　、測定領域における流体の速度をｖ　（ｃ
＋＋＋／ｓｅｃ　）とすると、ｌｃｃの測定時間ＴはＴ
＝　　　　　　　　　　　　　　　　（ｓｅｅ）　　　
・・・　（１）−ｖ となる、従って、測定領域の流速が同じであるなら、有
効測定断面積を大きくするとｌ　ｃｃの測定時間は短く
なるが、流体自身からの散乱光が増加するのでＳ／Ｎ比
が悪くなり、検出下限粒子径が太き（なる。

逆に、有効測定断面積を小さくすると流体自身からの散
乱光が減少するのでＳ／Ｎ比はよくなり、検出下限粒子
径は小さくなるが、ｌｃｃの測定時間が長くなる。

ＬＳＩの高密度化が進み、その製造に使用する純水など
の液体中の、より小さな粒子を計測しようとすると有効
測定断面積を小さくして測定しなければならず、Ｉｃｅ
の計測時間が長くなってしまう。

そこでｌ　ｃｃｌｌ定する時間をい（つかに分割し１分
割された時間内で測定された粒子数を第６図のメモリ２
２に時系列的に記憶させて統計処理することによってｌ
ｃｃの中に含まれる粒子数を推定する試みがなされてい
る。

その統計処理法の一つに、微小体積ΔＶの中で測定され
た粒子数を単純にＶ／ΔＶ倍してｌ　ｃｃの測定結果を
表示する方法もある。しかし、１　ｃｃの体積中に含ま
れている粒子数が少ない場合には単純にＶ／ΔＶ倍して
Ｉｃｅ中の粒子数を評価すると誤差が非常に大きくなる
ので、この方法はあまり使用されていない。

そこで、統計的な精度を向上させるために、移動加算法
という手法が用いられている。

有効測定断面積と測定領域の流速から決まるｌｅｅの流
体を測定する時間をＴ、ΔＶの体積を測定するのに必要
な時間をΔｔとすると、ｌｃｃを測定するための移動加
算回数Ｍは Ｍ＝　　　　　　　　　　・・−（２）ΔＬ となる。今、時刻ｔ−△ｔから時刻ｔまでの間に測定さ
れた粒子数をｎ　（ｔ）として、Ｉｃｅを測定した時の
粒子数Ｓ　（ｔ）を移動加算法で表すと７図である。△
ｔの時間内で測定された粒子数を第７図の左側に時系列
的に並べ、移動加算法によるｌｃｃの粒子数Ｓ　（ｔ）
を右側に時系列的に並べである。第７図のｎ（ｔ−（Ｍ
−１）Δｔ）〜ｎ　（ｔ）の総和が、（３）式のＳ　（
ｔ）に対応し、また（１）式の定義から、この区間にお
いてちょうどｌｃｃの体積が測定される。

この方法を実現するためには、第６図におけるメモリ２
２に、（２）式により示されるＭ個のメモリセルを設け
るとすれば、メモリ２２に蓄えられている粒子数を全て
加算すればＩｃｅ中の粒子数を求めることができる。

メモリ２２を用いて移動加算を行なうためには、ある時
間Δを中の粒子数を測定したら、メモ１Ｊ２２に記憶さ
れている時間的に最も古く測定された粒子数を消去して
時間的に最も新しく測定された粒子数を記憶させ、メモ
リ２２内の粒子数の総和を計算すればよい。

［発明が解決しようとする課題］ ところが以上のような移動加算法を用いる場合、第８図
（Ａ）に示すように時刻ｔ−Δｔから時刻ｔまでに測定
された粒子数がＰであり、その時間以外では測定された
粒子数は０であったとす机 ここで１時刻し＋（Ｍ−１）Δｔにおいて、ｌ　ｃｃの
測定体積における粒子数を（３）式にしたがって求めた
とすると、単純移動加算法によるＩｃｅ中の粒子数は第
８図（Ｂ）に示すように時刻ｔ＋（Ｍ−１）Δしまでの
間２個として評価される。

この１個という粒子数は実際にｌｅｅの流体を測定した
結果であり、統計的な信頼性は充分である。しかし、第
８図（Ａ）では時刻ｔ−△Ｌがら時刻ｔまでの間のみで
粒子が検出されているにもかかわらず、第８図（Ｂ）で
は時刻を一Δｔがら時刻ｔ＋（Ｍ−１）までの間粒子が
表示されていることになってしまう。

また、第９図（’Ａ）、（Ｂ）では時刻を一Δｔまでに
検出された粒子数はＯであり、時刻に一Δを以後に粒子
が検出された場合に単純移動加算法によって評価される
Ｉｃｅ中の粒子数を示している。さらに、第１Ｏ図（Ａ
）、（Ｂ）では時刻ｔまで粒子が検出されていて１時刻
を以後検出された粒子数が０になった場合に単純移動加
算法によって評価されるｌ　ｃｃ中の粒子数を示してい
る。第９図、第１０図ともにΔｔの時間内で検出された
粒子数の急激な変化に対して、１　ｃｃ中の粒子数の評
価の時間応答性が悪いことがわかる。これは、単純移動
加算法における時間応答性に関する限界である。

一ト述のような従来の単純な移動加算法では、時間応答
性が悪く、一部側定時間に比較して短い時間の突発的な
粒子数の変化に対しては、実際に粒子が検出されていな
い期間においても粒子が検ない拉−ｒ−数として測定さ
れる場合があり、測定のリアルタイム性や粒子数の精度
を確保できず、結局は広い意味での測定精度が低下する
という問題がある。

本発明の課題は以上の問題を解決することである。

［課題を解決するための手段］ 以上の課題を解決するために１本発明においては流体中
にレーザ光を照射し、所定の受光系を介して流体中に浮
遊する微粒子からの散乱光を検出して粒子特性を計測す
る粒子測定方法において、微小時間幅において前記散乱
光検出により測定された粒子数を時系列に沿って順次記
憶手段に記憶し、前記記憶手段に所定数の前記微小時間
幅ごとに記憶された粒子数を移動加算して所定体積中の
粒子数を推定する場合、前記移動加算に際して各微小時
間幅ごとに記憶された各粒子数データに時間軸に沿って
変化する所定の重み関数を乗算することにより所定体積
中の粒子数を推定する構成を採用した。

［作用］ 以−Ｌの構成によれば、移動加算法により粒子数分布を
推定する場合、加算の際に所定の重み関数を乗算するこ
とによって、実際の粒子数の変動１こ近い粒子分布評価
が可能となる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づき、本発明の詳細な説明
する。

第１図（Ａ）は第５図の粒度分布解析装置９の一部であ
り、第６図と比較すると装置の時間応答性を向上させる
ために、メモリ２２に時系列的に記憶されている粒子数
を重み関数を採用した移動加算を行なうために１重み係
数を記憶させておくメモリ２４が加えられている。なお
、測定系そのものは第５図と同様に構成されているもの
とする。

重み関数を採用した移動加算においては、重み係数の果
たす役割が重要になってくる１時間応答性を向上させる
ために移動加算において重みつきの移動加算を行なうと
、重み関数はそのまま装置の応答関数となる。

流体中の粒子計測においては１重み関数は時間軸に沿っ
てｍ調減少とした方が自然現象とよく適合すると思われ
る。

第２図を用いて、装置の応答関数、すなわち重み関数ｗ
　（ｋ）を指数減衰型とした場合の１　ｃｃの粒子数の
評価方法について説明する。この場合。

重み関数ｗ　（ｋ）は ｗ　（ｋ）＝Ｃ−ａ’−”’　　Ｃ：比例定数、ａ：定
数　・・−（４） と示される。ここで、Ｇは減衰に関する時定数である。

（時定数にはエクスポネンシャル関数など、適当な応答
関数を用いてもよい）従って、重み関数ｗ　（ｋ）を採
用した場合の移動加算法に・・・　（５） という規格化条件を満たしていなければならない。とい
うのは、Δを中で測定された粒子数ｎ　（ｔ）は時間に
対して一定である場合、実際のＩｃｅ中の粒子数はＭｎ
　（ｔ）であるので１重み関数ｗ　（ｋ）を採用した移
動加算において評価されるＩｃｃ中の粒子数と矛盾させ
ないためである。

従って、（４）式を（６）式に代入した場合。

（４）式の比例定数Ｃは（６）式で表される規格化条件
から。

ｌ　　ａ　ｌ−０１ でなければならない。

実際の測定に際しては、（４）式の比例定数Ｃと定数ａ
と時定数Ｇをメモリ２４に記憶させておき、メモリ２２
に時系列に沿って格納された粒子数を評価する場合、（
５）式に沿って演算を行なうことにより、粒子数の分布
を求め、表示回路１３で表示する。

このときの演算回路１２の制御手順を第１図（Ｂ）に示
す、第１図（Ｂ）の手順は、メモリ２３に格納する。

第１図（Ｂ）のステップＳ１．Ｓ２では、第５図のよう
に構成された測定系の光電子増倍管７の出力に応じて、
散乱光強度および粒子数の測定を行なう、ここでは、Δ
ｔごとにＡ／Ｄ変換変換回路ｌ上り散乱光強度のデータ
が求められ、また５計数回路１１により散乱光強度のデ
ータは粒子数のデータに変換される。

ステップＳ２が終了したとき、メモリ２１にはΔｔごと
に得られた散乱光強度が、また、メモリ２２にはそれに
対応する粒子数のデータがそれぞれ別のメモリセルに格
納されていることになる。

なお、測定に先立って、Ｉｃｅの流体を測定する時間Ｔ
は、適宜入力されるか、不図示の流速測定系などを介し
て設定されているものとする。これにより、（２）式か
ら、移動加算回数Ｍもあらかじめ決定されているものと
する。したがって、メモリ２４に格納すべき（４）式中
の比例定数Ｃも（６）、（７）式を満足すべく決定され
ているものとする。

ステップＳ３以降では、粒子数の分布を求める処理を行
なう。

まず、ステップＳ３では、メモリ２２内の全てのデータ
を処理したかどうかを確認し、処理が終了していなけれ
ばステップＳ４〜Ｓ６のループ処理を行なう、このルー
プはＭ回実行されるもので、ステップＳ３に移行するに
際しては、（５）式のｋに対応するカウンタ（以下同じ
符号ｋにより言及する）などがあらかじめ初期化されて
いるものとする。

ステップＳ４では、メモリ２２の所定のアドレスから、
時刻ｔ−に△ｔにおける粒子数データｎ（ｔ−にΔｔ）
を取り出す。

ステップＳ５では、メモリ２４から、（４）式中の比例
定数Ｃ１定数ａ時定数Ｇが取り出され、カウンタｋに基
づき（４）式の重み関数ｗ　（ｋ）が決定される。（４
）式の演算は、あらかじめメモリ２４内にテーブルを展
開しておき、カウンタにの値を入力することにより対応
する重み関数Ｗ（ｋ）を取り出すようにしてもよい。

ステップＳ６では、（５）式の処理を行なう。

すなわち、重み関数と、ステップＳ４で取り出した粒子
数を乗算し、この結果を所定のレジスタ、メモリ内に設
定されたＳ　（ｔ）の格納領域内のデータに加算し、加
算結果をＳ　（ｔ）の値とする。

ステップＳ３で、（５）式の演算をすべて行なったと判
定された場合には、ステップＳ７に移行し表示回路１３
による表示処理を行なう。

以上が、時刻ｔにおける粒子数の評価のための測定処理
である。なお１以上ではステップ５１５Ｓ２、あるいは
Ｓ３以降の各ルーチンを順次実行するように説明したが
、これらが並行処理されてもよいのはいうまでもない。

次に、第２図〜第４図を参照して、上記の制御による粒
子数分布の測定特性を説明する。

第２図（Ａ）は、第８図（Ａ）と同様に、時刻し一Δｔ
から時刻ｔまでの間のみに粒子が検出されたことを示し
ており、第２図（Ｂ）は、第２図（Ａ）で検出された粒
子数に対して前述の指数減衰型の重み関数を採用した移
動加算によって評価されたＩｃｅ中の粒子数の時間変化
を示している。

第８図（Ｂ）に示した単純移動加算によるＩｃｅ中の粒
子数の時間変化の評価に比べて、時間応答性がよくなっ
ている、つまり、実際の粒子分布の変化に近い測定結果
が得られていることがわかる。

同様に、第３図（Ａ）、（Ｂ）に時刻を一Δを以後粒子
が検出された場合、重み関数を採用した移動加算法によ
って評価されたｌ　ｃｃ中の粒子数の時間軸に沿った変
化を、第４図（Ａ）、（Ｂ）では時刻ｔまで粒子が検出
された場合、重み関数を採用した移動加算法によって評
価されたｌ　ｃｃ中の粒子数の時間軸に沿った変化を示
す、第３図、第４図はそれぞれ、第９図、第１０図の従
来方式による測定に対応するものである。

第３図と第９図、第４図と第１０図をそれぞれ比較する
と、第２図、第８図の場合と同様に、本発明による重み
関数を採用した移動加算法によってＩｃｅ中の粒子数を
評価した方が時間応答性が優れていることがわかる。

［発明の効果］ 以上から明らかなように、本発明によれば、流体中にレ
ーザ光を照射し、所定の受光系を介して流体中に浮遊す
る微粒子からの散乱光を検出して拉ｆ特性を計測する粒
子測定方法において、微小時間幅において前記散乱光検
出により測定された粒子数を時系列に沿って順次記憶手
段に記憶し、前記記憶手段に所定数の前記微小時間幅ご
とに記憶された粒子数を移動加算して所定体積中の粒子
数を推定する場合、前記移動加算に際して各微小時間幅
ごとに記憶された各粒子数データに時間軸に沿って変化
する所定の重み関数を乗算することにより所定体積中の
粒子数を推定する構成を採用しているので、移動加算法
により粒子数分布を推定する場合、加算の際に所定の重
み関数を乗算することによって、実際の粒子数の変動に
近い粒子分布評価が可能であり、測定結果の時間応答性
、すなわちリアルタイム性を改善でき、測定精度を向上
することができるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明を採用した粒子測定方法に用いら
れる制御系の構成を示したブロック図、第１図（Ｉ３）
は第１図の演算回路の制御手順を示したフローチャート
図、第２図（Ａ）、（Ｔ３　）、第３図（Ａ）、（Ｂ）
、および第４図（Ａ）、（Ｂ）、はそれぞれ本発明によ
る粒子数分布測定結果を示した説明図、第５図は粒子測
定方法に用いられる測定系全体の構成を示したブロック
図、第６図は従来の粒子測定方法に用いられる制御系の
構成を示したブロック図、第７図は従来の単純な移動加
算法を示した説明図、第８図（Ａ）、（Ｂ）、第９図（
Ａ）、（Ｂ）、および第１Ｏ図（Ａ）、（Ｂ）はそれぞ
れ従来方式による粒子数分布測定結果を示した説明図で
ある。 １・・・レーザ光源　　　　２・・・レンズ３・・・測
定セル　　　　　４・・−測定領域５・・・受光レンズ
　　　　６・・・スリット７・・・光電子増倍管　　　
８・・・前置増幅器９・・・粒度分布解析装置　１０・
・・Ａ／Ｄ変換回路１１・・・計数回路　　　　１２・
・・演算回路１３・・・表示回路 ２１〜２４・・・メモリ ｆｆ１鯉爪のブＤ−ｔ７ｇ −←−＋− −ｊＭ赤１）Δ中！−ト→Δ書 量−２ΔＩＩ−Δ書 １２Δ業 一二；怖； Ｆａ目Ｉて５り看り会１さいやが舌−のシ侘明躬１ｌｌ
）（支） 手 続 補 正 書（自発） 平成 年 ５月 ６ 日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）流体中にレーザ光を照射し、所定の受光系を介して
   流体中に浮遊する微粒子からの散乱光を検出して粒子特
   性を計測する粒子測定方法において、 微小時間幅において前記散乱光検出により測定された粒
   子数を時系列に沿って順次記憶手段に記憶し、 前記記憶手段に所定数の前記微小時間幅ごとに記憶され
   た粒子数を移動加算して所定体積中の粒子数を推定する
   場合、 前記移動加算に際して各微小時間幅ごとに記憶された各
   粒子数データに時間軸に沿って変化する所定の重み関数
   を乗算することにより所定体積中の粒子数を推定するこ
   とを特徴とする粒子測定方法。