JPH0670611B2 - 流体検査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、半導体素子及びその他の超小型電子技術デバ
イスの製造に使用されるプロセス流体等の検査装置等に
関し、特に、干渉光測定による流体の粒子の検査装置等
に関する。さらに具体的には、泡や粒子など流体中の局
所的屈折率変動源すなわち物体中を通過する光の位相シ
フトを検出及び分析して、その物体の特徴と大きさを決
定する装置等に関する。

B.従来技術 半導体素子及びその他の超小型電子技術デバイスを製造
する際に、汚染物質の管理が、プロセス変数になりつつ
ある。パーティクル汚染物質により半導体大量製造の歩
留りの損失の半分以上が引き起こされる。この損失のか
なりの部分は、ウエハに接触する溶剤、酸、塩基、プロ
セス・ガスなどの化学薬品による。こうした流体中の汚
染物質濃度は、通常クリーン・ルームの空気中より３桁
以上大きく、次世代のクリーン・ルームの空気中より６
桁以上大きい。

液体と気体の両方を含めて、プロセス流体を検査するの
に現在使用されている監視技術は、本発明によって克服
されることになるいくつかの大きな欠点を持つ。現在入
手可能な装置は、プロセス液体中の気泡と粒子を区別す
ることができない。これらの装置は、その流体の屈折率
に近い屈折率をもつパーティクルを検出することができ
ない。また、現在入手可能な装置の容積スループット
は、パーティクル・サイズのしきい値が減少するにつれ
て急激に低下する。さらに、これらの装置は、パーティ
クルを検出するための１／10の基本原理限界まで拡張で
きなかった。１／10の基本原理限界とは、たとえば１ミ
クロンの範囲のデバイスを製造するとき、その範囲の１
／10すなわち0.1ミクロンのサイズの汚染物質が検出可
能でなければならないことを言う。

パーティクルから散乱される光を測定して粒子を検出す
ることは周知である。この技術は、光の波長と同じほど
小さな直径をもつサイズのパーティクルに有効である。
そのとき、パーティクルは粒径の６乗に比例して変化す
る特徴的なレイリー散乱断面を示す。したがって、小さ
なパーティクルは測定が難しくなる。パーティクル・サ
イズの感度を２倍にするには、散乱光検出度を64倍に高
めることが必要になる。

パーティクル・サイズ感度を改善するための他の方法
は、パーティクルを位相物体と考え、波面に対するパー
ティクルの効果を測定することである。干渉計の１つの
アームにパーティクルを置くと、望ましい測定が実現さ
れる。他の技術、好ましい方法は、下記で記載するよう
に明視野分析を使用することである。暗視野分析が、散
乱光の位相シフトを測定するもう一つの技術である。

C.開示の概要 本発明によると、光の位相シフトの検出と分析により気
泡とパーティクルの区別が可能になる。好ましい方法を
用いると、気泡とパーティクルの検出信号が180度位相
が外れるので、流体中の物体を気泡またはパーティクル
として分類することが可能になることが認められた。さ
らに、検出信号の信号分析により、パーティクルのサイ
ズと形式、すなわち、金属、誘電体、バクテリアなどの
区別が可能になる。

従来の監視技術は、その感度がジョンソン・ノイズによ
って制限されている。本発明は、ジョンソン・ノイズに
よる制限を取り除き、光線のショット・ノイズだけによ
って制限された感度をもたらす。

本発明では、位相シフトは、パーティクルの前方から、
すなわち、入射光とほぼ同じ方向から測定される。しか
し、入射光が流体中の物体の位置に集束されることが必
須であり、そうでない場合は、物体が検出されない。入
射光が流体中の物体すなわち局所屈折率変動源に遭遇す
ると、その物体を通過するとき速度が変わる。速度の大
きさと増減は、物体の特性とサイズに依存する。速度の
変化により光線の位相がシフトする。

したがって、本発明の主目的は、物体に遭遇した光の位
相シフトの検出と分析により、流体が物体を含むかを検
査する方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、パーティクルに遭遇した光の位相
シフトを検出した分析するための粒子監視装置を提供す
ることにある。

本発明の他の目的は、同じ光路に沿って液体中のサンプ
ル・ボリューム以外のどこかに移動する２本の光線を提
供することにある。

D.実施例 第１図には、干渉計パーティクル（粒子）検出器が概略
的に示されている。レーザ10は、ビーム・スプリッタ14
に光線12を送り、そこで光線がサンプル光線16と基準光
線18に分割される。サンプル光線16は、対物レンズ20を
通って進み、干渉計の１つのアームで検出される散乱体
またはパーティクル（粒子）22にぶつかる。入射光線
は、パーティクルにより、破線で示すように光線24を含
めてすべての方向に散乱される。光線24は、レンズ20を
通ってビーム・スプリッタ14に戻り、そこで反射されて
検出器26に向かう散乱光の一部である。

基準光線18は、ビーム・スプリッタ14から、干渉計の他
のアームに位置する鏡または反射鏡28に向かい、そこ
で、破線30の経路に沿ってビーム・スプリッタ14で反射
されて検出器26に向かう。検出器26は、光検出器でも、
光電子増倍管でも、また基準光線とサンプル光線を受け
取り、導体32に沿って反射光24の強度、すなわちパーテ
ィクル22の体積に比例する出力信号を供給する当分野で
周知の他の検出器でもよい。

第１図に示した構成では、サンプル光線だけが散乱体を
含む流体に進み、基準信号は全く異なる経路を通る。そ
の結果、パーティクルが10マイクロ秒以上光線中にある
場合、比較的低いＳ／Ｎ比を示す信号が導体32中を流れ
る。

本発明は、検査しようとする流体中に２本の平行な光線
を送ることに関する。２本の平行光線は、流体に入る前
は互いにコヒーレントであり、異なる偏光をもち、横方
向にずれ、光線軸に垂直な焦面で流体に集束される。光
線は、真空中の波長に流体の屈折率を掛け、焦面に中心
合せされた光学装置の開口数の２乗の２倍で割った値に
等しい焦点深度をもつ。２本の光線は、焦点深度より大
きな距離を置いて焦面を通過した後、少なくとも１つの
検出器でコヒーレントに干渉される。コヒーレント干渉
とは、２本の光線を検出器の所でほぼ同軸にすることを
言う。検出器で各光線の位相差に比例する信号が生成さ
れる。続いて生成された信号に基づいて信号分析が行な
われ、流体中で検出された物体の特性が決定される。物
体が検出されない場合、２本の光線の位相シフトの差が
ほぼゼロになる。

第２図は、本発明を実施するための好ましい実施例の概
略図である。レーザ40は、単一GaAsレーザのアレイとす
ることが好ましいが、HeNe、アルゴン・イオン、クリプ
トン、パルス、CWさらには赤外レーザなど他の形式のレ
ーザもうまく機能する。レーザ40は、光線拡大器42と四
分の一波長板44を通してレーザ・エネルギー光線を送
る。次いで、光線は市販のノマルスキー対物レンズ46に
入り、そこで入射円偏光エネルギー光線が２本の光線に
分割される。１本の光線は紙面に垂直な方向に偏光さ
れ、もう１本の光線は第１の光線と直交する方向に偏光
される。２本の光線は、光軸が互いに横方向のずれだけ
ずれており、流体セル48に入る。レンズ46は、光線の腰
部（くびれ部）すなわち焦点が液体流動セル中で光線の
軸に垂直な平面内にくるように配置される。

動作に当たっては、監視される流体が流体セル48中を流
れ、そこで２重光線が流体を横切って、流体中の気泡や
パーティクルなどの物体と相互作用する。両方のスポッ
ト光線の焦点領域を通過するように流体を流して、ノイ
ズの存在下でも検出できる双極性信号をもたらすことも
できる。

流体セル48を横切った後、２本の直交方向に偏光された
光線はもう一つのノマルスキー・レンズ50を通過して、
そこで２本の光線が再結合されて単一の円偏光光線にな
る。次いで、光線が市販のウォラストン・プリズム52に
入り、そこで２本の光線に分かれる。一方はプラス45
度、もう一方はマイナス45度で、２本の光線の偏光方向
は互いに直交する。各光線を、当該の光ダイオード54、
56またはそれと等価な検出器で受ける。図の検出回路は
作動光ダイオード54と56を使って、増幅器66によっても
たらされる共通モード拒絶によりレーザ・ノイズを打ち
消す。

検出回路をより良く理解できるように、時間依存係数を
除外して、ウォラストン・プリズム52から出る２本の光
線の数学的な関係について説明する。第２図に示した形
式の明視野分析では、下式に基づいて直線偏光レーザ光
線が生成される。

ただし、ｘはｘ軸に沿った偏光で、ｙはｙ軸に沿った偏
光、Eiは入射エネルギー光線である。

四分の一波長板44を通過した後の円偏光エネルギー光線
は下式で表わされる。

第１のノマルスキー対物レンズ46は、入り円偏光光線を
流体セル48の焦点領域で互いに直交する直線偏光の２つ
のスポットに分割し、第２のノマルスキー対物レンズ50
は、下式に従ってその２本の光線を再結合して単一の円
偏光光線にする。

ただし、Δφ′はその対物レンズと相互作用した光線の
位相シフトを示す。

ウォラストン・プリズム52を通過した後、下式に基づい
て２本の光線が形成される。

当業者には明らかなように、これら２本の光線E₁とE₂を
従来の示差分析によって検出し測定する場合、位相シフ
ト情報は無効になり後の分析に利用できない。

したがって、本発明によると、光ダイオード54、56など
電界を検出する際に非線形の検出器では、受け取った電
界信号を２乗する。２乗された信号は当該のＲ−Ｃ回路
を通過する。１つの回路は光ダイオード54に接続された
抵抗器58とキャパシタ60を含み、キャパシタ60の他端は
分離増幅器66の１つの入力端に接続される。抵抗器58の
他端は負電圧に接続される。光ダイオード54のアノード
は接続される。同様に、光ダイオード56のカソードは抵
抗器62の一端とキャパシタ64の一端に接続される。抵抗
器62の他端は負電圧に接続される。キャパシタ64の他端
は分離増幅器66の他方の入力端に接続される。光ダイオ
ード56のアノードは接地される。増幅器66の出力は、下
式に示すような、散乱エネルギー光線の位相シフトに比
例する信号を含む。

Sbf＝|F₁|²−|F₂|² または Sbf＝Psin（Δφ′）≒Δφ′ ただし、Ｐは入射レーザ光線の出力を表わす。このシス
テムの較正は、Ｐ／２に等しい各光ダイオードの出力を
測定することによって行なう。

当業者には明らかなことだが、流体セル48に入った２本
の光線は、どちらも流体セル内を除いてレーザ40から始
まる同一の光路を通る。同じ経路を通るため、これまで
に既知のシステムより大きなノイズ排除効果が実現され
る。

好ましい実施例では、Ｓ／Ｎ比が改良され、ショット・
ノイズだけに限られた性能を得る難しさが軽減されるの
で、ホモダイン干渉計、すなわち、サンプル光線と基準
光線が同じ波長である干渉計を使用する。ホモダイン・
システムとヘテロダイン・システムの違いが出るのは、
上方または下方側波帯信号の一方だけがヘテロダイン・
システムで検出される場合である。

別の実施例では、ヘテロダイン干渉計を使って、第１図
に示すような暗視野構成またはマイケルソン・システム
を作成する。すなわち、サンプル光線と基準光線は異な
る波長をもつ。こうした構成を用いると、干渉計の２つ
のアームを異なる経路長にすることができる。

以上、導体68で検出信号を獲得する方法と装置を説明し
たが、次に信号の分析を行なって流体中の物体の特性を
決定しなければならない。第３図と第４図に、それぞれ
光ダイオード54と56で検出された信号の波形を示す。点
線は流体セルで検出された気泡を表わす。実線はパーテ
ィクルを表わす。破線は他のパーティクルを表わす。気
泡の位相は、固体粒子など周りの流体より大きな屈折率
をもつパーティクルの位相とは逆であることが認められ
る。信号の振幅は、パーティクルのサイズまたは金属、
誘電体、バクテリアなどの種類を示す。各種類のパーテ
ィクルはそれを特徴づける信号のサインをもつ。第３図
と第４図に示した信号は同じ周波数であるが、光線の直
径より大きい物体は異なる周波数の信号を生成する。

信号分析を行なうため、増幅器66を含む検出回路を、第
３図と第４図に示したような２つの検出信号の差信号を
供給するように構成する。その結果、正または負の初期
勾配をもつ測定及び検出の容易な双極信号が得られる。
こうした情報を用いてパルス分析器で、気泡か固体粒子
か、及びそれぞれの概略寸法を検出することができる。

当業者には周知のように、もう一つの分析方法は、第３
図と第４図に示す信号の和を与えるように、増幅器66を
含む検出回路を構成するものである。実験によると、誘
電性粒子が検出された場合、得られる和信号は第５図に
示すような平坦な曲線となる。金属粒子が検出された場
合、和信号は通常、第６図に示すような凹みを示す。

上記の分析及びその他の分析を実行するために、増幅器
66の再構成に加えて、導体68を流れる出力信号をアナロ
グ・ディジタル変換器70でディジタル信号に変換する。
当業者には周知のように、次に変換器70の出力を信号分
析のためパルス分析器に送る。パルス分析器は、ピーク
振幅、周波数、勾配など波形の特性を測定することがで
き、信号の変形分析を行なうこともできる。対称性、正
及び負のロープ数、ロープの間隔など出力波形の特徴を
分析することにより、検出された散乱体の速度と軌跡の
位置が焦点領域に関して計算できる。こうした装置は、
信号処理及び分析の技術の当業者には周知である。

監視検出システムのもう一つの要件は、所定のサイズよ
り大きな流体の中の物体が所定の量以上あるかどうか決
定する能力である。この機能を実現するため、可変閾値
検出器72を増幅期66の出力端に接続する。所定のサイズ
より大きなサイズの粒子が検出されると、パルスが導体
74を通ってカウンタ76に送られる。カウンタのカウント
がリセットされるまでの事前設定された時間中に所定の
量を超えると、警告信号が導体78を介して供給される。

本システムのもう一つの利点は、感度がジョンソン・ノ
イズではなくショット・ノイズによって制限されること
である。第７図は、実線は従来のモニタの感度を流体の
流量の関数として表わしたものである。左から始まる曲
線の第１の部分は、周知のショット・ノイズ制限曲線
で、パーティクル・サイズの６乗に比例している。屈曲
部分82の後はジョンソン・ノイズ制限曲線で、粒子サイ
ズの12乗に比例している。本発明を使用した実験の結果
によると、感度は、屈曲部分82の後で破線により密接に
追従する。すなわち、このシステムはショット・ノイズ
制限型であり、ジョンソン・ノイズ制限の効果はない。

この監視検出システムの用途の一つは、半導体加工シス
テム中の流体フィルタが適切に機能しているかどうかを
決定することである。検出されたパーティクルの量また
は検出されたパーティクルの大きさが増加すると、流体
の流れを止めて、フィルタとラインを検査し、問題点を
矯正することができる。また、分析器が処理流体中にバ
クテリアその他の望ましくないパーティクルを検出した
場合、流体の流れを止めて原因を突きとめて矯正してか
ら製造を再開し、歩留りを高めることができる。

本発明は、流体中のパーティクルと気泡を区別し、流体
の屈折率に近い屈折率をもつ物体を検出し、物体の検出
装置の感度を１／10の基本原理限界にまで拡張すること
ができる。

E.発明の効果 上述のように本発明によれば、高感度の流体検査装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、周知の干渉計光線粒子検出器の概略図であ
る。 第２図は、本発明の好ましい実施例の概略図である。 第３図は、２つの検出信号の一方の波形を示すグラフで
ある。 第４図は、他方の検出信号の波形を示すグラフである。 第５図は、粒子が誘電体である場合の、第３図と第４図
の信号の和のグラフである。 第６図は、パーティクルが金属である場合の、第３図と
第４図の信号の和のグラフである。 第７図は、流量と感度の関係を示すグラフである。 10……レーザ、14……ビーム・スプリッタ、16……サン
プル光線、18……基準光線、22……パーティクル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーク・アレン・トウベンブラツト アメリカ合衆国ニユーヨーク州テリイタウ ン、ワルナツト・ストリート34番地 (72)発明者 ハーマンサ・クマー・ヴイクラマー・シン グ アメリカ合衆国ニユーヨーク州チヤパツ ク、キングス・ストリート600番地 (72)発明者 クレイトン・コウブイ・ウイリアムズ アメリカ合衆国ニユーヨーク州ピイークス キル、バトンウツド・アヴエニユー237番 地 (56)参考文献 特開 昭54−26779（ＪＰ，Ａ) ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＡＥＲＯＳＰＡＣＥ ８ ＥＬＥＣ ＴＲＮＩＣ ＳＹＳＴＥＭＳ，ＡＥＳ−13 〔２〕，（1977）Ｐ．82−90

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光エネルギのビームを伝送する手段と、 上記光エネルギのビームを、横にずれ且つ検査しようと
   する流体が置かれ、光軸と実質的に直角な焦面に焦点を
   合わせた光軸を有する異なった偏光の２つの実質的に平
   行なビームに分割する第１の光手段と、 上記２つのビームを、上記焦面を通過後、焦点深度より
   も大きな距離の位置で、再度結合させて１つのビームに
   する第２の光手段と、 上記１つのビームを２つのビームに分離する第３の光手
   段と、 上記第３の光手段からの２つのビームを受信し、焦面を
   通過後の上記２つのビームの間の位相差に対応する信号
   を提供する検出手段と、 上記検出手段からの信号を受信し、流体に含まれる物体
   の種類を表示する出力信号を提供する分析手段と、 予定の時間内に検出される物体の量を示す信号を提供す
   る上記分析手段に含まれるカウンタと、 を備えた流体検査装置。
2. 【請求項２】半導体及びこれに類する微細電子デバイス
   の製造システムにおいて、 物体を含む流体が通過できるように適合された流体セル
   と、 光エネルギのビームを伝送する手段と、 上記光エネルギのビームを、横にずれ、上記流体セル内
   の焦面に焦点を合わせた光軸を有する異なった偏光の２
   つの実質的に平行なビームに分割する第１の光手段と、 上記２つのビームを、上記流体セル通過後、再度結合さ
   せて１つのビームにする第２の光手段と、 上記１つのビームを空間的に２つのビームに分離する第
   ３の光手段と、 上記第３の光手段からの上記２つのビームの間の位相差
   に対応する信号を提供する検出手段と、 位相差に対応する上記信号を受信し、流体セル内で検出
   された物体の種類を表示する出力信号を提供する分析手
   段と、 予定の時間内に検出される物体の量を示す信号を提供す
   る上記分析手段に含まれるカウンタと、 を備えた流体検査装置。