JPH04500858A - 多ポート平行流粒子センサ - 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】 説明 多ポート平行流粒子センサ 技術分野 この発明は、一般的には粒子の大きさ測定装置に関し、゛かつ特定的には流体に おける粒子の大きさおよび濃度を決定するための装置に関するものである。

背景技術 流体における粒子を測定しかつ計数するための装置は、よく知られている。その ような装置は、たとえば、半導体ウェーハ製遺業者により、清浄な部屋における 空媒の粒子状物質の程度をモニタするために用いられる。製薬業者は、そのよう な装置を異質の粒子の検出および制御のために用いる。より少ない程度の正確さ まで、煙検出器もまた粒子の濃度を測定する。

粒子の検出の１つの方法は、光遮断粒子計数または光オブスキュレーション方法 である。光オブスキュレーションセンサは、粒子を積んだ流体が白熱ランプによ り発生された光ビームを介して向けられるときに光検出器の上に影を落とすとい う原理で働く。より感度のよい方法は、光分散方法である。粒子が光ビームを介 して通過するときに、粒子は光を分散する。静止した粒子のためには、分散され た光の量は、粒子の大きさ、入射光の波長および強さならびに粒子および周囲の 媒質の光を分散する性質の間の差異の関数である。光ビームを発生するためにレ ーザ源が使用されてもよく、かつ分散された光は、粒子の大きさを示す読出可能 の信号を与える検出器により感知される。

粒子により分散された光の量の決定に関係する上に記載されたそれらの要因に加 えて、粒子が静止するよりむしろ流体の試料の流れ内に含まれるところで、他の 要因が考慮されなければならない。試料の流れにおけるすべての粒子を検出する ために、流れは、検出装置の視界量内に完全に残るように十分小さい断面を有さ なければならない。清浄な部屋をモニタすることのような応用においては、所与 の量の流量は、典型的には、標準、たとえば、毎分１立方フイートである。結果 として、粒子を積んだ試料の流れの最低速度は、入射ビームの視界量により固定 される。

試料の流れの速度は、粒子が測定装置の視界量内に残る時間を決定する。この時 間は、２つの理由のために重要である。第１に、所与の粒子が視界量にある間に 分散することができる光の量は、粒子の速度に反比例し、かつ粒子の大きさに正 比例する。粒子の速度を２のファクタだけ増加することは、粒子が視界量を介し て動いていく時間期間を半分にし、それによって分散された光の量を半分だけ減 少させることを結果として生ずる。

第２に、パルス幅は、粒子検出器の信号対雑音の比率を最適化することにおいて 重要な部分の役割を果たす。最低の粒子の速度は、粒子が入射ビームの視界量を 介して動いていく最少時間を固定し、それは、今度は、検出器電子装置により生 じられる最少パルス幅を左右する。速いパルスは、電子装置高周波数応答コーナ ーが増加することを必要とする。高周波数応答コーナーを増加させることは、増 幅器の雑音量を増加させ、したがって粒子計数装置の信号対雑音の比率を劣化さ せる。しかしながら、視界量を介して粒子速度は典型的には高いので、速いパル スが生じられ、そのため高周波数雑音は除去される可能性がより少ない。

視界量にある間に粒子により分散された光の集合した量を増加させかつ同時に最 小の予期されたパルス幅を増加させるための１つの解決策は、試料の流れの速度 を減少させ、かつ試料の時間を延ばすことである。しかしながら、所与の量の試 料の流れは、典型的には工業により特定される。

他の可能な解決策は、装置の視界量を増加させることである。しかしながら、最 大視界量は、光源および分散された光集合光学装置により制限される。

この発明の目的は、そこにおいて試料の量における所与の粒子により分散された 光の集合した量が著しく増加され、かつそこにおいて視界量を介して動いていく 粒子により引起こされた最小の予期されたパルス幅が同様に増加される、粒子を 検出するための装置を提供することである。

発明の概要 上の目的は、任意の所与の粒子が検出または試料の区域においてｎ倍長くを費や すことを許容するように、複数の平行の試料の流れ、ｎ≧２であるところで仮に 数ｎを与える装置により果たされている。したがって、集合した分散された光は ｎのファクタだけ増加され、かつ最小のパルス幅は１　／　ｎだけ減少される。

これは、複数個の試料の区域を照らすために、１個の光源、典型的にはレーザを 利用することにより達成される。公知のまたは固定された速度で進む１つの試料 の流れは、複数のより遅い試料の流れに分割され、それらは、離れて間隔を空け られた試料の区域における光源の入射ビームを横切るように向けられる。試料の 区域の各々における粒子の検出は独立して行なわれ、その後で情報は、最初の１ つの試料の流れのために粒子の計数を与えるために組合わせられることができる 。

装置は、各試料領域が入口ポートおよび排出ポートを有する状態で、複数個の試 料領域を規定する内部壁を有するセンサ本体を含む。隣接した試料領域は、通路 により結合される。レーザは、隣接した試料領域を結合する通路を経由して試料 領域の各々を介して光経路に沿って入射ビームを向ける。集合した試料の流れは 、マニホルドに入り、それは流れを複数の部分的な試料の流れに分割する。各部 分的試料の流れは、入口ポートを介して関連の試料領域に入り、かつ排出ポート を介して出る。

部分的試料の流れ内の粒子は、入射ビームが粒子に衝突するときに放射の分散を 引起こす。凹面の球形反射器およびレンズシステムは、分散された放射を集めか つ光検出器に放射を向けるように一緒に作用する。光検出器は、集められた放射 のエネルギを感知し、かつ感知されたエネルギに対応する信号を出力する。信号 は、粒子の大きさおよび粒子の計数を決定するために使用することができる。

この発明の利点は、粒子の大きさの検出の低い方の制限が減少されることである 。粒子の大きさのパラメータを決定することにおける１つの要因は、試料領域を 介した粒子の通路の速度である。より遅い動く粒子は、粒子により分散された光 の合計量が増加されるように、時間のより大きい期間の間感知領域内にとどまる 。分散された光における増加は、粒子の存在が検出されるであろう可能性を増加 させる。他の利点は、光検出器からのパルス幅は粒子が試料領域内に存在する時 間に等しいので、最小の予期されるパルス幅は、１つの試料の流れよりは複数の 部分的試料の流れを与えることにより増加されることである。最小の予期される パルス幅を増加させることは、高周波数帯域幅要求を減少させることにより信号 対騒音の比率における増加を許容する。

多数の別個の試料の流れが各々個々に検出されることを許容する第２の実施例を 達成するように形状を変更することは、この発明が多数の別個の検出器の使用よ りコンパクトな、経済的な検出器を提供することを許容する。それははまた、流 れのマニホルドを連続的に時間サンプリングすることと反対に粒子をモニタする ことが実時間において起こることをも許容する。たとえば、隣接した清浄な部屋 の区域または処理装置の異なったチャンバが同時にモニタされることができる。

さらに、粒子の分散および伝搬パターンが検出されることができる。レーザは、 典型的には、粒子検出器の最も費用の係る要素であるが、複数個のサンプル区域 を照らすために１つのレーザを使用することにより、個々の粒子計数装置の応用 のために経済的に可能であるであろうよりも強力でかつ精巧なレーザを使用する ことができる。

図面の簡単な説明 第１図は、この発明に従った多ポート分流粒子センサの斜視図である。

第２図は、第１図のセンサの上面図である。

第２ａ図は、線２ａ−２ａに沿って破断された、第２図のセンサの背面断面図で ある。

第３図は、第２図のセンサの側面図である。

第３ａ図は、線３ａ−３ａに沿って破断された第３図のセンサの上面断面図であ る。

第４図は、この発明に従った多ポート分流粒子センサの第２の実施例である。

発明を実施するための最良のモード 第１図および第２図の参照で、多ポート分流粒子センサ１０は、プラズマ管１２ およびセンサ本体１４を含む。センサ１０は、試料の流れにおける粒子の大きさ に対応する特性を有する電気信号を与えるように固体ダイオードと組合わせられ た開空洞レーザシステムである。センサ１０は、ヘリウム−ネオンレーザを利用 するが、これは決定的ではない。プラズマ管は、環状の取付台１６においてセン サ本体に固定される。センサ本体１４の前端部において、プラズマ管の最も近く に、図示されないブリュースター（Ｂｒｅｗｓ　ｔ　ｅ　ｒ）窓および光トラッ プがある。反対側の端部には、鏡取付台１８が第２図において示されるようであ る状態で、レーザ共振予備および他の光トラップがある。図示されない付加的な 光トラップは下に述べられる各光通路において利用される。

レーザ光学部分の汚染を防ぐために、パージ空気システムが使用される。清浄な 空気の低い流れが、矢印Ａにより示されるようにパージ入口管２０に入り、かつ Ｔ形の制限器２２において分割される。空気の流れは、管２４および２６を介し て、パージノズル３０においてセンサ本体１４に固定されるはめあい２８に進む 。Ｔ形の制限器２２への通路の直径は、パージされた空気の流れの速度を決定す る。

第１図において示された、試料排出管３２に接続された真空源は、また、レーザ 光学装置を清浄に保つようにパージされた入口管２０から清浄な空気を引（。

次に第２図および第２ａ図の参照で、矢印Ｂにより示された集合した試料の流れ は、エーロゾル入口管３６から入口マニホルド３４に引かれる。粒子を運ぶガス 、典型的には空気は、入口マニホルド３４に入り、かつ４つの別個の流れを与え るために一度、かつ次いで再び分割される。４つの別個の部分的試料の流れは、 アレンヘッド（Ａｌｌｅｎｈｅａｄ）ねじ４６によりセンサ本体に保持される４ つのノズル３８．４０．４２および４４において受取られる。

各ノズル３８ないし４４は、空気の通路を有する。

入口マニホルド３４を介した粒子を運ぶガスのための通路の構造は、清浄な部屋 またはその種の他のものにおける粒子の計数の正確な読取りを得ることにおける 重要な特徴である。通路の壁に衝突する大きい粒子は、より小さい粒子に破壊さ れることがあり得、それによって不正確な粒子の計数を生じる。さらに、ここで のように、もし下流の通路が最初のものと同じ断面の区域を有すれば、流れが個 々の通路に分割されるところでは、温度、圧力および速度における変化があるで あろう。圧力における変化は、蒸気の蒸発または縮合を引起こし、それによって 粒子の計数を危険にさらすかもしれない。速度における減少は、より大きい粒子 が沈降して現われることを結果として生じ得る。したがって、入口マニホルド３ ４は、下流の通路が、入口の断面の区域に等しい全体の断面の区域を有するよう に構成される。さらに、１つの断面の区域から他のものへの転移は、粒子の破損 および乱れを減少させるために可能な限り平滑に行なわれる。流れの分割におけ る方向の任意の変化は、粒子が破綻する危険を減少させるように、機械的に可能 な限り小さい。

外部にねじ切されたはめあい４８は、一方の端部において入口マニホルド３４に 固定され、かつ反対側の端部においてエーロゾル入口管３６に摩擦はめあいされ る。第２ａ図において最もよく見られるように、ねじ４６は、入口マニホルド３ ４およびノズル４４の双方を固定する。ノズル４４は、センサ本体１４の試料領 域への粒子を運ぶガスのための入口ボートとして作用する。取入れ矢印Ｂで始ま り、かつ排出矢印Ｃで終わる４つの矢印の連続により示されるように、センサ本 体１４を介した部分的試料の流れは、楕円５０により表示された、レーザの入射 ビームを横切る。

試料区域は、入射ビーム５０および部分的試料の流れの間の交点の区域である。

部分的試料の流れ内に含まれる粒子は、粒子が入射ビームを介して通過するとき 光の分散を引起こす。光は、多くの方向に分散される。分散された光の一部分は 、円筒形部材５４により定位置に固定されるレンズシステム５２に向けられる。

分散された光の第２の部分は、凹面の球形反射器５６から反射され、それは、エ ネルギを試料区域を介してレンズシステム５２に反射する。レンズシステム５２ は、放射を検出器カバー１００内の光検出器に合焦する。図示されない光検出器 は、レンズシステムから受取られたエネルギに対応する特性を有する電気信号を 与える。部分的試料の流れは、ホース６４にプレスばめされる外部にねじ切され たはめあい６２に導く排出ポート６０を介して試料区域をａる。

次に第３図および第３ａ図を参照すると、レーザビームは、プラズマ管１２から 射突させられ、かつセンサ本体１４の後部のレーザ共振予備６６に動いていく。

鏡６６は、鏡取付台１８内に収容される。入射ビーム軸は、線６８により表示さ れる。入射ビームは、ブリュースター窓７０から出て、光トラップ７２を介して 通過する。４つの空洞７４．７６．７８および８０は、隣接した空洞が光通路８ ２により結合されている状態で、入射ビーム軸６８に沿って配置される。光トラ ップ８４は、１ノ−ザ共振予備６６のずぐ前に、センサ本体１４の後部に置かれ る。図示されない付加的な光トラップが、各光通路８２において利用される。

空洞７４ないし８０の各々は、別個の試料区域に関連している。試料区域は、そ こにおいてレーザビームが４つの部分的試料の流れの１つを横切る区域である。

部分的試料の流れは、関連の空洞の中心において円８６．８８．９０および９２ により表示される。入射ビーム軸６８は、各試料の流れ８６ないし９２の中心を 介して通過するように整列させられる。レーザビームそれ自体は、本質的に試料 区域を充填する直径を有する。

粒子を運ぶ流体の部分的試料の流れは、粒子がビームを介して動くときに光の分 散を引起こして、レーザビームを介して通過する。空洞における分散された光は 、凹面の球形反射器５６により反射され、かつ関連のレンズシステム５２により 光検８器に向けられる。図示されない光検出器は、検出器カバー９４．９６．９ ８および１００内に収容される。各光検出器は、関連の空洞７４ないし８０から 集められた分散された光の強さに対応する特性を有する電気信号を生ずる。第１ 図において例示されるように、ワイヤ１０２および１０４は、検出器から信号を 出力するために利用される。次いで、高速信号処理およびデータ管理は、分散さ れた光の測定を粒子の大きさおよび数の読出しに変換する。分散された光の４つ の測定は、エーロゾル入口管３６を介して入る集合した試料の流れのための粒子 の計数を与える態様において組合わせられる。

上に述べられたように、試料排出管３２は、下流の端部において真空源に接続さ れる。第１図において示されるように、排出管は、上流の端部において第１のＴ 形部材１０６に接続され、それは、今度はライン１０３．１０５．１０７および １０９経由で、副大気圧を試料区域を含む空洞の各々に供給するために、第２お よび第３のＴ形部材１０８および１１０と流体連通している。

動作において、集合した試料の流れは、エーロゾル入口管３６に入る。この集合 した試料の流れは、典型的には、標準化された流量、たとえば毎分１立方フイー トである。

集合した試料の流れは、入口マニホルド３４により４つの部分的試料の流れに分 割される。これらの部分的試料の流れは、第３ａ図において円８６ないし９２に より表示される。部分的試料の流れと入射ビーム軸６８に沿って動いていくレー ザビームとの交点は、４つの独立した試料区域を規定する。試料区域に入る粒子 は、感知されたエネルギにより特徴付けられた電気信号を与えるために、反射さ れ、集められかつ感知される光を分散する。再び、次いで４つの読出しが組合わ せられる。大きい粒子は、小さい粒子より多量の光を分散する。結果として、試 料区域を介して動いていく大きい粒子より生じられるパルスは、より大きい振幅 を有する。逆に、小さい粒子は、ただ小さい振幅パルスを引起こすことができ、 かつしたがって相対的に小さい粒子の存在は、検出されずに行く可能性がより強 い。集合した試料の流れを複数の試料の流れに分割することにより、そこにおい て粒子が検出される区域を介した速度は減少させられる。粒子は、粒子がレーザ ビームにより照らされる全体の時間の間に光の分散を引起こすので、速度におけ る減少は、分散された光の合計量における増加を結果として生ずる。これは、２ つの結果を有する。第１に、全体の分散された光における増加は、相対的に小さ い粒子が検出される可能性を向上させる。したがって、粒子検出の低い方の制限 が減少させられる。第２に、粒子はより大きい時間期間の間試料区域内に存在す るので、最小の予期さ熟るパルス幅は増加させられる。４のファクタだけ減少さ せられる流量は、任意の粒子が試料区域内で４倍多くの時間を費やすことを結果 として生ずる。これは、検出パルスの長さを４倍する。最小の予期されるパルス 幅における増加は、増幅器が減少させられた雑音帯域幅を有することを許容し、 それによって信号対雑音の比率を改良する。

第４図は、この発明の第２の実施例を示す。多ボート分流粒子センサ１１２は、 合計４よりもむしろ１０の検出器１１４を含む。各検出器１１４は、残余の検出 器から独立している。別個の試料の流れは、関連の管１１８経由で個々の入口ノ ズル１２２に入る。各別個の試料の流れは、プラズマ管１２４により発生された レーザビームを横切る。

別個の試料の流れは、関連の検出器１１４により独立してモニタされ、その後で 情報は個々に検査される。センサ１１２は、パージ入口管１２６を含み、それは 、レーザビームと関連した光学装置の清浄さを維持するために、空気の流れを反 対のはめあい１２８および１３０に与える。

分流粒子センサ１１２は、隣接した清浄な部屋または処理装置の異なったチャン バを同時にモニタするために利用されてもよい。さらに、粒子センサ１１２は、 粒子の分散および伝搬パターンを検出するために使用されることができる。

この発明は、平行の部分的試料の流れを与えるとして述べられてきたが、これは 決定的ではない。試料の流れは、互いに関して１つの角度にあることができる。

すなわち、検出器は、入射ビームに関して７０＠の角度にあるとして例示されて いる。検出器が５０°ないし９０°の範囲内の角度にある状態で、他の角度が可 能である。

国際調査報告

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．そこに複数の試料領域を規定する内部壁を有するセンサ本体を含み、隣接し た試料領域は、光学通路により結合され、さらに 隣接した試料領域を結合する前記光学通路経由で前記試料領域の各々を介して光 経路に沿って入射ビームを射突させるために、前記センサ本体に関して配置され た光源と、各試料の流れが前記光経路を介して通過するように、実質的に同一の 湿度の粒子を運ぶ流体の複数の試料の流れを試料領域に向けるための手段と、 前記光経路に沿った粒子の衝突により生じられた分散された光を感知するための 、かつ感知された光の量に対応する信号を与えるための複数個の検出手段とを含 み、前記検出手段は、各検出手段が動作上別個の試料領域からの分散された光を 感知することに実質的に制限されるように前記センサ本体に関して配置される、 流体における粒子の検出のための装置。
2. ２．前記入口ポートおよび前記排出ポートは、前記光経路にわたって離れて間隔 を空けられた平行な試料の流れを与えるように整列させられる、請求項１に記載 の装置。
3. ３．試料の流れを向けるための前記手段は、１個の入口通路および複数個の出口 通路を有するマニホルドを含み、前記出口通路は、前記試料領域の各々に試料の 流れを与えるように向けられる、請求項１に記載の装置。
4. ４．各検出器手段は光検出器を含み、前記流体はガスである、請求項１に記載の 装置。
5. ５．前記試料領域は、直線状に配置され、かつ前記光経路を規定する縦の通路に より結合される、請求項１に記載の装置。
6. ６．前記光源はレーザである、請求項１に記載の装置。
7. ７．前記試料領域は、少なくとも数において４である、請求項１に記載の装置。
8. ８．入射ビームを光経路に沿って射突させるための光源と、前記光経路を横切る 実質的に同一の湿度の複数の別個の試料の流れを形成するように前記流体を向け るための複数のチャネル手段とを含み、前記光経路の試料の流れとの各交点は、 試料領域を規定し、関連の試料の流れにおいて懸濁された粒子により放射の分散 を引起こし、さらに分散された放射を集めるための、かつそれに応答して信号を 出力するための複数の検出器手段を含み、前記複数の検出器手段は、各検出器手 段がただ１つの試料領域において光学的に粒子を測定するように、前記チャネル 手段に関して配置される、流体の試料の量における粒子を検出するための装置。
9. ９．各チャネル手段は、離れて間隔を空けられた試料領域を規定するために、隣 接したチヤネル手段から離れて間隔を空けられる、請求項８に記載の装置。
10. １０．各チャネル手段は、前記光経路をわたって平行な試料の流れを与えるよう に配置された導管を含む、請求項９に記載の装置。
11. １１．各チャネル手段は、１個の入口および前記光経路にわたって流体の平行な 試料の流れを与えるように向けられた複数個の出口を有するマニホルドを介した 通路を含む、請求項９に記載の装置。
12. １２．前記光源はレーザである、請求項８に記載の装置。
13. １３．前記検出器手段は、光検出器を含み、かつ前記放射の分散を集めるための 、かつ前記集められた放射を前記光検出器に合焦するための光学装置を含む、請 求項８に記載の装置。
14. １４．前記光検出器はフォトダイオードである、請求項１３に記載の装置。
15. １５．各検出器手段は、前記光経路に関して１つの角度にあり、前記角度は、包 括的に５０°ないし９０°の範囲にある、請求項１３に記載の装置。
16. １６．粒子を運ぶガスの集合した試料の流れを複数の実質的に同一の平行の部分 的試料の流れに分割するステップと、前記部分的試料の流れにおいて懸濁された 粒子の前記入射ビームとの衝突の上で放射の分散を引起こすような態様において 、前記部分的試料の流れを１つの入射ビームと交差させるステップと、 前記分散された放射の一部分を集めかつ感知するステップと、 前記部分的試料の流れの各々のために信号を出力するステップとを含み、各信号 は感知された分散された放射の量に対応する特性を有する、ガスにおいて懸濁さ れた粒子を検出する方法。
17. １７．前記運ばれた情報は、前記集合した試料の流れにおける粒子の集合した濃 度を決定するために組合わせられるべき形式のものである、請求項１６の方法。
18. １８．前記部分的試料の流れを入射ビームと交差させる前記ステップは、レーザ 源により発生されたレーザビームにより行なわれる、請求項１６の方法。