JPH0755687A - 微粒子モニタセンサ - Google Patents

微粒子モニタセンサ

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JPH0755687A
JPH0755687A JP6155828A JP15582894A JPH0755687A JP H0755687 A JPH0755687 A JP H0755687A JP 6155828 A JP6155828 A JP 6155828A JP 15582894 A JP15582894 A JP 15582894A JP H0755687 A JPH0755687 A JP H0755687A
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light
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slit
particulate
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JP6155828A
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Boris Fishkin
フィッシュキン ボリス
Phil Salzman
サルツマン フィリル
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Applied Materials Inc
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/15—Preventing contamination of the components of the optical system or obstruction of the light path
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
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    • G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、光学表面の有効寿命が延長する微
粒子モニタセンサを提供する事を目的とする。 【構成】 化学的に過酷な状況下に置かれる微粒子モニ
タセンサ窓に接触するように、実質的に不活性なガスを
流す。この窓は、直接接触する加熱要素により加熱され
る。更に、視野を制限するスリットが窓に置かれ、化学
的に過酷な状況下への露出面積を減少し、前述のガス流
速を高める。このスリットは検出器の視野を狭めるが、
直線偏光を用いスリットの長手方向を偏光軸に合わせれ
ば、検出器への信号損失は減少する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、微粒子モニタセンサに
関する。
【０００２】
【従来の技術】現在の半導体ディバイスではその構造が
微小化し、半導体処理装置に対する要求が高度になって
きた。例えば、３．５μｍの幾何学的設計規則（デザイ
ンルール）を用いた場合では、非常に低いレベルの微粒
子汚染度が処理環境を通して要求される。近年では、イ
ンシチュウ微粒子モニタが半導体処理装置の性能をモニ
タするのに使用可能なツールとして認識されてきた。あ
る状況下では、インシチュウ微粒子モニタからの出力信
号が、反応環境において、望ましくないレベルでの微粒
子の存在と相関することがあると考えられている。開発
であれ製造ラインであれ半導体処理装置はレーザーを基
礎とした光学システムを取り入れており、それは装置の
清浄度の測定手段として、排気ガス中微粒子レベルのモ
ニタに用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】処理の間、装置チャン
バ内で発生した微粒子は、チャンバより排出され、チャ
ンバの排気ラインを通って流れていく。微粒子モニタ
は、通常レーザーを基礎とした光学システムであり、排
気ライン流れの中でレーザー光が粒状物質と相互作用し
た時に生ずる低レベルの散乱光を検出できるように設計
されている。ところが、半導体処理装置の排気ライン流
れにおける化学的に過酷な環境下に置かれている事が、
この微粒子モニタセンサの操作の維持を困難にしてい
る。排気ガス中の化学種は排気ラインの壁に堆積し、こ
の化学種は、排気ガス環境に対し不活性ではない表面上
に堆積したりその表面をエッチングする事もある。排気
ラインの内部に面した光学表面(optical surface) 、例
えば低い光レベルのための光学検出システムに必要な光
学表面等は、このような環境下では急速に劣化する。
【０００４】粒子モニタセンサの光路において散乱の度
合いが増加すれば、信号対ノイズ比が大きく低下し、非
効率になる。例えば、検出器窓に堆積した粒状物質は、
集光素子(collection optics) により集められた光のレ
ベルを低下させ、全信号レベルを低下させる。加えて、
レーザー入射窓の光学表面の質が悪いと入力レーザー光
を散乱し、その散乱光が検出器に入る際、光ノイズ信号
が微粒子モニタセンサに持ち込まれるだろう。このノイ
ズ信号は、微粒子の検出が不可能になる位非常に強力で
ある。その結果、光学表面の清掃や交換による微粒子モ
ニタセンサの保守点検を行うために、反応器をしばしば
使用停止にする必要がある。従来微粒子モニタセンサ
は、反応器の排気システムにおいて必要不可欠であるこ
とが多いため、このような保守点検はホスト装置を操作
不能とし微粒子モニタセンサの実用性を貶めている。
【０００５】排気ライン微粒子モニタセンサの光学表面
が劣化する問題に対する１つの解決策が、米国特許５，
０８３，８６５号“Particle Monitoring System and M
ethod “において述べられている。この特許では、そこ
での微粒子検出器の光学表面の劣化を制限する数多くの
対策を含んだ粒子検出システムについて述べられてい
る。そこで記載された技術の１つに、粒子検出器の光学
表面に接触するように清浄なガスの流れを導く事が記載
されている。このガス流は、排気ライン中の光学表面へ
の排気ガスの拡散を妨げる。しかし、特に過酷な環境下
では、光学表面の劣化を防止するためには、光学表面に
接触する流速を相当大きくする必要がある。一般にこの
流速が相当大きいことは望ましいことではなく、その理
由は排気ライン中のガス流は反応チャンバの真空及び流
れの状態に悪影響を及ぼすからである。
【０００６】前出の特許には、光学表面を加熱し、排気
ガスから微粒子モニタシステム光学表面上への堆積を抑
制する事により、光学表面の劣化を制限する別の技術が
記載されている。そこに記載された方法では、粒子検出
システムより上流の排気ラインに大きなヒータが取り付
けられている。排気ラインには熱が入力され、微粒子モ
ニタシステムの窓の表面を加熱する。実際は入力した熱
以下の熱しか窓には届かないが、それはおそらく排気ラ
インのステンレスの熱伝導度が比較的低いという理由か
らである。加熱のレベルが高くなれば、望ましくない大
きな熱量が微粒子モニタシステムの他の部材にも伝播す
るだろう。この熱によって、半導体光検出器及び半導体
レーザーダイオードの操作温度は上昇し、これらの部品
の性能を低下させ寿命を短縮する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、微粒子
モニタセンサは中を粒状物質が流れるチャンバを備え
る。可干渉光源は光をチャンバ内に導き、チャンバ内で
は光が粒状物質と作用し散乱光信号が生ずる。散乱光の
一部は、集光要素を通り抜け光検出器に入る。加熱要素
は集光要素と熱的に接続されて配置されるが、光検出器
との熱的接続は良好ではない。この方法では、加熱要素
により集光要素は高い温度に維持される。
【０００８】また本発明によれば、微粒子モニタセンサ
は散乱領域に光を放出する直線偏光レーザー(linearly
polarized laser)を備える。微粒子モニタセンサは検出
器と集光素子とを備え、検出器と集光素子と散乱領域の
少なくとも一部とは光路に沿って置かれる。光路に沿っ
てスリットが配置される。スリットの長形軸は、レーザ
ー光の偏光方向に対し実質的に垂直になるよう配置され
る。
【０００９】更に本発明によれば、実質的に非反応性の
ガスの流れが、粒子モニタセンサ内の光学表面の少なく
ともいずれかの部分に向いている。
【００１０】
【実施例】本発明は、粒子モニタセンサに向く。本発明
の好適な実施例では、微粒子モニタセンサの光学表面
は、本発明のシステム又は方法により光学的な劣化から
保護される。この光学表面は、半導体処理装置の一つの
部品内部の処理環境に面した窓の表面であってもよい。
本発明の一つの特徴によれば、視野制限スリットを利用
して処理環境に暴露される光学表面の面積を減少する。
本実施例は好適には、散乱光信号品質が、視野制限スリ
ットが無い場合に観測されるレベルより僅かに低い程度
であるよう配置される可干渉偏光光源を使用する。
【００１１】また本発明は、微粒子モニタセンサの光学
表面の一つ以上と熱的に接続されるヒーターを含む。ヒ
ーターは好適には、光学表面との間に熱的接続を形成
し、その熱的接続は、微粒子モニタセンサの光源若しく
は検出器との熱的接続よりも非常に良好である。本発明
はまた、実質的に不活性なガスが、処理環境に面する微
粒子モニタセンサ光学表面に接触して向く。
【００１２】本発明の好適な実施例では、米国特許４，
８７２，９４７号“CVD of SiliconOxide Using TEOS D
ecomposition and In-Situ Planarization Process
“に記載されたＣＶＤ反応器等の半導体処理装置を用い
る。この文献に記載された装置は、熱ＣＶＤ、プラズマ
励起ＣＶＤ、エッチバック、プラズマセルフクリーニン
グ及びスパッタ微細構造修正を含む多種のプロセスを、
単独処理又はインシチュウでの複数の処理により行うこ
とが可能な、多様性を有する単一基板ないしは枚葉式半
導体装置である。本発明の実施例は、半導体装置の工程
のモニタに使用されてもよい。１つの適用法が、本発明
の承継人が権利を有する米国特許５，０８３，８６５号
“Particle Monitor System and Method“に記載されて
おり、その開示された応用例は、参照として本発明に含
まれる。
【００１３】この米国特許５，０８３，８６５号に開示
された応用例を、参考までに、図５を参照して説明す
る。図５（ａ）は、この特許による半導体製造装置１１
０の全体図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の一点鎖
線で示されるＡ−Ａ断面における、排気ライン１１６及
び微粒子モニタ１２１の断面図である。装置図５（ａ）
及び（ｂ）によれば、半導体製造装置１１０は、真空チ
ャンバ１１１、ヒーター１１２及びロードロック１１３
を備え、真空チャンバ１１１の側方に排気ライン１１６
が接続される。排気ライン１１６には、遮断弁１１７及
び絞り弁１１８が設置されている。微粒子検出モニタ１
２１は、図５（ａ）で図示される如く排気ライン１１６
に設置される。図５（ｂ）によれば、光源１２２より発
せられた光１２４は、光学素子１２３を経て窓１３３を
通り、排気ライン１１６の中に達する。排気ライン１１
６中の微粒子との相互作用により、光１２４の一部は点
線１３１で示されるように散乱する。散乱光は窓１３６
を通り集光システム１２６に入射し、散乱しない光は、
窓１３９を通り光トラップ１２９に達する。集光システ
ム１２６に入射した光は、フォトダイオードセンサ１２
７に達し、検出される。
【００１４】しかし、本発明の教示は過酷な環境の少な
くとも一部で操作されるいかなる微粒子モニタセンサに
も適用されるという事が、これ以後に続く説明から自明
であろう。
【００１５】本発明の実施例は、添付の図１〜４に例示
されている。便宜のため、図面に例示された本発明の実
施例の説明は、半導体処理装置の部品の排気ラインに沿
って位置する微粒子モニタの好適な応用例の１つに関し
て進めていく。他の応用例も、当然ながら可能である。
【００１６】図１は、微粒子モニタセンサの断面図であ
る。広く１０で示される微粒子モニタセンサは、半導体
処理装置の処理環境に面する１つ以上の光学表面を包含
する。例えばこの光学表面は、窓１６上に存在する。こ
こで、光は窓１６を通過し、ここに例示された実施例の
微粒子モニタセンサの中を通る。本発明の好適な実施例
では、光源光学素子１４及び集光素子２０は、窓１６に
より排気ライン内の化学的に過酷な環境より分離されて
いる。理想的には、窓１６は固く洗浄が容易で、光源か
ら放出される波長に対し高い透過性を有するべきであ
る。例えば、用途によっては石英の窓が適する場合もあ
れば、フッ化マグネシウム又は酸化アルミニウムが適す
る場合もある。
【００１７】本発明では幾つかの技術を利用して、窓１
６の光学表面の操作中における劣化を制限する。例え
ば、本発明の微粒子モニタセンサの好適な実施例では、
非反応性のパージガスがガスラインより制御流れコネク
タ２６及び窓１６の表面上へ流れる。また、２８で広範
に示される薄膜ヒータは窓１６の表面の加熱に用いられ
る。そして、視野制限スリット（図１には示されない）
が用いられ、排気ライン内の化学的に過酷な環境下に暴
露された窓１６の部分を減少させる。偏光光源を用いて
も、スリットを用いる事により本実施例の好適な信号対
ノイズ比を許容できない程度に低下させることはない。
【００１８】微粒子モニタセンサ１０は光源１２を包含
し、その光源１２は例えば約７８０ｎｍで発光する５０
ｍＷの半導体レーザーであってもよい。光源１２からの
光出力は、光学要素(optical element) １４により平行
化され(collimated)形を与えられる。光学要素１４は、
半導体ダイオードレーザーの出力ビームを平行化するた
めに通常用いられる種類の、円筒レンズ及び非球面レン
ズを包含する。光源１２からの光は、平行化され形を与
えられた後は、排気ラインの壁を通過して入力ビーム光
(input optical beam)を形成する。入力ビーム光は、排
気ラインの壁で画成されたチャンバ内に入射する。この
チャンバ内で、入力ビーム光は排気ガス内に含まれる粒
状物質やガスと相互作用し散乱するであろう。相互作用
が生ずる領域は、図１の１８で広く示される。
【００１９】散乱光の一部は、入射する散乱光を集め検
出器２２の方向へ直射させる集光素子２０の方向へ、散
乱されるだろう。本発明の好適な実施例では、集光素子
２０は、散乱領域を検出器２２上へ写像する一対の非球
面レンズを備える。このレンズが効果的なサイズに最適
化されるよう、各レンズはそのエッジに配置された小さ
なマウントフィンガ数本で適所に保持される。散乱光が
マウントフィンガに入射することのないように、マウン
トフィンガは配置される。本発明では、タイプの異なる
幾種類もの光検出器が適用できる。例えば、浜松ホトニ
クス社製の市販品フォトダイオードS2551-01が使用され
てもよい。以下の説明から明らかなように、浜松ホトニ
クス社製のS2551-01の長形で狭い形状は、図中に示され
る散乱及び検出の配置での使用に良く適応する。フォト
ダイオードからの出力は、何等かの既知のデータ収集手
段で収集され、標準データ操作技術に適合可能な形に変
換されてもよい。
【００２０】レーザーダイオード１２で作られるビーム
光は、好適には延伸ビーム(elongated beam)の形をと
り、ビームの横幅方向がガス流方向と実質的に直交す
る。加えて、レーザーダイオードの接合面は、好適には
排気ガスの流れ方向と実質的に同一線上にあるだろう。
レーザービーム光はダイオードの接合面と垂直な方向に
急速に拡散していくため、この一直線のビームも散乱領
域においてそのビーム幅が広がっていくだろう。このよ
うな幾何関係のため、排気ラインの断面部はかなりの部
分ビーム光に照らされる。従って、入力ビーム光と排気
ガス微粒子との間の散乱相互作用が更に生じるようにな
り、排気ライン中では更に多くの粒状物質が検出できる
であろう。この散乱が増加する幾何関係を用いる事に
は、好適には長形で狭い検出器の使用が付随される。こ
の検出における幾何関係により、排気ラインの断面部の
かなりの部分を検出器上に写像できるようになる。
【００２１】散乱領域１８において散乱されなかった入
力ビーム光の多くの部分は、チャンバを通り抜け排気ラ
インの反対側の壁まで達し、そこで好適にはビーム光は
光トラップ２４に入射する。光トラップは、図１に示さ
れる９０゜の観測幾何でさえ、本発明の好適な実施例に
含まれる。その理由は、光トラップを用いる事により、
排気ライン壁で画成されたチャンバの内部で入力ビーム
光の反射量が減少されるからである。比較的強い入力ビ
ーム光が排気ライン壁で反射した場合、この反射光は不
要な背景光信号として検出器に収集されるだろう。光ト
ラップは、一般にどのような光収集の幾何でも使用可能
であるが、特に散乱光が前方散乱方向で収集されるよう
な形態の光トラップが望ましい。
【００２２】例えば、光トラップ２４はdelrinで形成さ
れていてもよい。delrinが好適である理由は、機械加工
が簡単であり内部表面が比較的反射せず比較的吸収性を
有するからである。好適には、光トラップの裏面は傾斜
しており、即ち裏面は、入力ビーム光の伝播方向に対し
て垂直になることのないような角度になっている。この
傾斜した裏面により、裏面に入った光が光トラップの側
壁の方向へ反射されるため、当初は吸収されない光が更
に幾度も反射される。
【００２３】図２には、微粒子モニタセンサの側面図が
示される。図２によれば、微粒子モニタセンサは図中に
４０で大きく示される排気ラインの断面に接続される。
従来技術では一般に、真空フランジ３８が具備され、排
気ライン断面を真空システムの排気ラインと接続する。
本発明の実施例では、直径１〜４インチのＫＦフランジ
が排気ライン断面に用いられる。この場合、本発明の微
粒子モニタセンサは種々の操作環境に対し容易に適用さ
れる。ここに示された排気ラインの断面は、４２で広く
示される平坦表面を有する実質的に長方形の開口を有す
るように改良される。微粒子モニタセンサが改良排気ラ
インに搭載される場合、微粒子モニタセンサの平坦表面
（図３に５０で示される）は、改良排気ライン４０の中
の開口を囲む平坦表面４２と接合される。排気ラインと
微粒子モニタセンサとを真空接合するためには、好適に
はＯリングタイプのシールが用いられる。
【００２４】好適な実施例においては、本発明の微粒子
モニタセンサはコンパクトであって製造工程で使用可能
である。この場合、製造工程で使用可能な微粒子モニタ
センサは取り外し可能であり、その時ホスト処理反応器
を長時間運転停止にすることはない。微粒子モニタは取
り外しが容易なように人間工学的に設計される事が望ま
しく、そのように設計されれば様々な操作環境に対し同
じ構成の微粒子モニタセンサが使用可能となる。
【００２５】上述の微粒子モニタセンサの製造工程にお
ける使用性の特徴の一つに、単純化された搭載システム
が挙げられる。ノブ３０を一方向に回せば、微粒子モニ
タセンサは改良された排気ライン４０に緊密に固着さ
れ、Ｏリングが圧縮されて真空シールが形成される。ノ
ブ３０を反対方向に回し、取り外し式ガスライン及び電
気接続を取り外せば、微粒子モニタセンサは保守点検の
ための排気ラインから取り外すことができる。ノブ３０
の各々はストラップ３２に接続し、ストラップ３２は例
示された微粒子モニタセンサの側面に沿ってスライド可
能なように取り付けられている。ストラップ３２と結合
しているノブ３０を回せば、ストラップ３２が微粒子モ
ニタセンサの方向へスライドし、ストラップの末端にあ
るフック３４が排気ライン４０の壁の側面上にあるスロ
ットに係合する。本発明の好適な実施例では、ストラッ
プ３２はステンレスのような耐久性のある金属を使用し
てもよい。
【００２６】ノブ３０を反対方向へ回せば、ストラップ
３２は微粒子モニタセンサから遠ざかる方向にスライド
し、フック３４は排気ライン４０のソケットから解放さ
れる。ストラップシステムの好適な実施例では、ストラ
ップ３２はスロットを包含し、そのスロットはナイロン
ボール３６の表面上をスライドする。フック３４が係合
する位置付近になるようにストラップ３２が引き込めら
れた時は、スロット３５はナイロンボール３６の周囲に
配置されストラップは微粒子モニタセンサの側面近くに
配置されている。ストラップ３２が伸びてフック３４を
解放した時は、ストラップ３２のスロット３５は、ナイ
ロンボール３６の周囲に配置されない所までナイロンボ
ール３６の上を移動する。そして、ストラップ３２はナ
イロンボール３６の表面上に乗り上げ、ストラップは微
粒子モニタセンサの側面から遠ざかる。従って、フック
３４は排気ライン断面４０の壁より遠ざかるように移動
する。そして、微粒子モニタセンサは容易に引き込める
ことができ、その場合フック３４が排気ライン断面の壁
のソケットに係合する事はほとんどない。本発明の特徴
部分を解放するこのようなフックの事を、ナイロンボー
ルの上を移動するスロットに着目して説明してきたが、
他の機構も使用可能である事は理解されよう。例えば、
比較的耐久性があり、スライドする配置に良く適合する
材料であれば、ナイロン以外の材料を用いることもでき
る。他の形の物も使用可能である。例えば、ナイロンの
くさびをストラップの窪みに連結することで、同様の機
能が具備される。
【００２７】微粒子モニタセンサが保守点検のため取り
外される際は、望ましくはプレートを用いて排気ライン
４０をシールしてもよい。図２の４４で示されるよう
に、このプレートは必要のない場合微粒子モニタセンサ
に載せておける簡便なものであってもよい。
【００２８】図３により、本発明の特徴の一つである窓
の浄化（パージ）システムを説明する。パージガスは、
レーザーとチャンバとの間の窓５６並びに検出器とチャ
ンバとの間の窓５４を包含する微粒子モニタ装置内部
を、これら光学窓と接触して流れる。実質的に不活性で
あり半導体処理の環境へ容易に使用できるようなガス
が、浄化に適したガスであろう。例えば、ここに例示さ
れた微粒子モニタセンサの実施例では、窒素ガス
（Ｎ2 ）が用いられている。
【００２９】パージガスは、かぎ状入口(barbed inlet)
５２に接続された取り外し可能な継手を通り、微粒子モ
ニタセンサに入る。ガスは、継手５２を通り接続ホース
（図１には示されるが、図３には示されない）を通っ
て、１つ以上のかぎ状入口(barbed inlet)２６へ流れ
る。パージガスの一部はレーザー窓５６の上を流れ、一
部は検出器窓５４の上を流れる。かぎ状入口には、焼結
金属のプラグ（標準市販品）が差し込まれ、これらの窓
が搭載される構造体に形成される２つのガス流路それぞ
れの流量を制御する。このプラグについては、焼結状態
を変えることにより密度が増したプラグを作る事がで
き、それに対応してガスの流れを更に制限する。ここに
例示した実施例では、小さい方（レーザーの方）の窓へ
の流量は、約１０ｃｃ／ｍｉｎ．であり、大きい方（直
径およそ２５ｍｍ）の窓への流量は、約２０ｃｃ／ｍｉ
ｎ．である。ガス流路は両方とも、それぞれが通ずる窓
へパージガスを導く。ガス流路の末端のポートは窓の周
囲に配置されるため、パージガスが放射内向きに窓に接
触して流れる。好適には、大きな方の窓の外縁にはプレ
ナムが配置され、窓外部周辺にガスを均一に分布させ
る。
【００３０】窓の表面上でパージガスの流れを向けるプ
レナムの一例が、図４に示される。ここに例示した実施
例では、スリット組み立て品５８は検出器の窓の前方に
配置され、プレート６０が検出器の窓との間の空間を一
部囲む。このプレート６０は、好適にはプラスチック製
であるが金属等他の材質でもよい。光は、検出器の窓を
通過する前に、プレート６０に配置された実質的に長方
形のスリット６２を通る。パージガスは、プレートと窓
との間の空間に入り、点線で示されたスリットポート６
４を通り、スリットガス流路（プレナム）６８に通じる
スリットガス流路６６を通過する。ガスは、プレナム６
８により画成された流路を通り、放射内向きに検出器の
窓の表面上を流れる。無論、他の形態のプレナムを使用
して、プラスチックプレートや金属プレートを用いずに
ガス流れを窓の上方に導く事もできる。更に、ガス流れ
は放射状である必要はなく、例えば直線であってもよ
い。
【００３１】図３、４において５８で示されるようなス
リット組み立て品を窓表面の前方に置くことにより、パ
ージガスが窓上を流れる時の速度は上昇するだろう。ス
リット組み立て品の後方からのガス流れは、ガス流れを
絞り込む作用を持つスリット６２に流れ込み、全体の体
積流量が増加することなくガス流れの速度が上昇する。
例えば、スリット組み立て品５８は検出器の窓５４の前
方に置かれ、窓の露出表面上の流速を上昇させる。必然
的に、スリット５８は検出器２２の視野を狭め、収集さ
れる散乱光の比率を小さくする。従って、窓上方の流速
と検出器の視野とが折衷する所が実験的に存在するだろ
う。以下に説明するように、本発明において偏光が使用
され、特定の散乱幾何が用いられる場合、本発明に従い
得られる流速が非常に大きい事に比べれば、スリットの
サイズが小さくなる事による信号の損失は比較的小さい
ものであろう。
【００３２】浄化の性能、即ち、窓付近を流れるパージ
ガスの量は、反応器の真空下で制限される。排気ライン
環境下に暴露される光学表面上を流れるガスの体積は、
大きいことが好ましい。大量のガスが流れれば、微粒子
モニタセンサの光学表面へ拡散することになる化学反応
種の比率が制限されるだろう。しかし、排気ラインへ流
れるパージガスが多すぎた場合、反応器の運転が損なわ
れる。スリットが小さくなれば全体のパージ流量を減少
せしめるが、窓の劣化を制限するに十分な流れは維持さ
れる。
【００３３】米国特許第５，０８３，８６５号に説明さ
れた微粒子モニタセンサでは、この微粒子モニタセンサ
の上流の排気ラインを加熱する事により、この微粒子モ
ニタセンサの光学表面を加熱する。光学表面を実質的に
加熱することに用いられる場合、この設計は欠点を持
つ。第一に、熱移動が不十分である。その理由は、熱が
窓に達するまでに越えなければならない境界が数多くあ
るからである。それに加え、主要な熱伝導路は、排気ラ
インのステンレス伝いにある。ステンレスは、金属の中
でも最も熱伝導度の低い物の一つである。よって、ヒー
ターと微粒子モニタセンサの光学表面との熱接触を改良
することが好ましいだろう。
【００３４】微粒子モニタセンサの光学表面を、実質的
な範囲まで加熱することを要する場合、ステンレス内の
熱移動が低いため、微粒子モニタセンサ内に外部から熱
を導入することになるだろう。この過度の熱の導入は望
ましいことではなく、その理由は、検出器もレーザーダ
イオードも共に熱に敏感だからである。特にレーザーダ
イオードの故障率は、室温以上に適度に上昇した温度で
さえ、大きく上昇する。温度上昇に伴い動作電流も大き
く増加し、レーザーダイオードが更に大きな熱量を散逸
するようになり、熱的に暴走した状態を作り出してしま
う。よって、微粒子モニタセンサに過度の熱量をかける
ことは望ましい事ではない。
【００３５】本発明の好適な実施例によれば、熱は微粒
子モニタセンサの窓に局部的に加えられる。この事によ
り、検出器やレーザーダイオードに影響することなく、
窓を効率良く加熱せしめる。ここに例示した微粒子モニ
タセンサでは、レーザーダイオードに関する窓５６と検
出器に関する窓５４の双方に近接して、フレキシブルな
抵抗ヒーター２８が固定される。双方の窓周辺には、略
円形の加熱要素が配置され、ヒーターは２つの個別の加
熱要素を備える。２つの加熱要素は、直列に接続され一
つの電源により作動されても良い。双方の窓のガラス
は、Ｏリング及びスペーサーに対しヒーターを押し付け
るため、ヒーターは物理的及び熱的に緊密に窓と接触す
る。ヒーター２８自身は、絶縁性のKaptonフィルム２枚
で金属を挟んだ、薄い抵抗フィルムであって、ヒーター
全体の厚さは約０．００７”であり非常に柔軟である。
このヒーターは、従来よりよく知られた物であり、市販
されている。例えば、本発明の一つの実施例では、２４
オーム、３．３４ワットの２エレメントヒーターは９ボ
ルトの電圧で作動し、微粒子モニタセンサの双方の窓を
加熱する。無論Kapton以外にも、高温安定性の良好な絶
縁材は上記ヒーターに使用できる。ヒーターは加熱され
る表面にぴったり合う事が好ましいが、ヒーターは柔軟
である必要はない。
【００３６】このように設計されたヒーターを用いれ
ば、検出器とレーザーダイオードの双方を損なわずに、
窓を約１００℃若しくは１００℃以上の温度にも加熱す
ることが可能になるだろう。上記の温度は、例えばタン
グステンエッチング処理において微粒子モニタセンサの
窓を保護するのに望ましい温度であると考えられる。
【００３７】レーザーダイオード１２は、プラスチック
の結合具とステンレス若しくはプラスチックの収納箱に
よって熱的に絶縁されているため、レーザーダイオード
１２への加熱は最小限になる。更に、このダイオードは
アルミニウムブロックにより除熱されるため、ダイオー
ドへ流れる熱量は比較的小さい。検出器２２も同様に、
チャンバの壁の窓より熱的に絶縁されている。
【００３８】本発明の別の実施例では、ヒーター２８は
個別要素ではなく、その代わりに窓表面に直接置かれる
薄い金属フィルムを備えている。ヒーターが光を遮断し
ないよう、抵抗金属フィルムは窓の中心から離れて配置
されるだろう。また別の実施例では、抵抗ヒーターとし
て使用される薄膜コーティングは８０％から９０％の光
透過性を有し、窓の開口部又は開口部を含む窓全体に装
着される。このコーティングは普通の市販品である。ヒ
ーターは、既知の方法のいずれかに接触し、前述のヒー
ターの場合と同じ方法で作動される。
【００３９】本発明の好適な実施例では、排気ガス流れ
中の粒状物質に入射した光は、排気ガス流れ中の粒状物
質により一部吸収され再放射される。入射光の再放射に
おいては、粒状物質は双極子振動子と類似の様式で、見
掛上光を吸収し光を放射する。双極子振動子の光放射の
性質は、Hecht&Zajac によりOptics 52-57,242-45(197
4) に説明されている。その内容とは次の通りである。
【００４０】粒状物質内の分子は入射する直線偏光によ
って分極するが、その分極方向は入射する直線偏光の偏
光方向に集中する。そして、分極された分子の双極子振
動による放射方向は、分極方向に対して垂直である。
【００４１】即ち、粒状物質に直線偏光が入射した場
合、光の大部分は、光の偏光ベクトルに対し実質的に垂
直な平面上に散乱されるだろう。従って、光はその偏光
方向に対し実質的に平行な方向にはほとんど散乱されな
いだろう。直線偏光の入力ビーム光と粒状物質との間の
相互作用による散乱によって生じる光出力の大部分は、
入射光の偏光方向に対して実質的に垂直な方向の平面に
沿って放出される。よって、散乱された光出力は、偏光
方向に垂直な平面付近に分布すると予想され、その光出
力分布中の最大値が実質的にこの平面に存在する。
【００４２】本発明の好適な実施例では、微粒子モニタ
センサの入力光源として直線偏光半導体レーザーダイオ
ードが用いられる。本発明の更に好適な実施例では、レ
ーザーから発せられる光の偏光ベクトルは、反応器の排
気ライン中の微粒子流れの方向に実質的に平行な直線に
なるように調整される。よって、粒状物質への入射光
は、レーザーより発せられる光の偏光方向に対し実質的
に垂直な平面上に本来散乱すると予想される。更に、レ
ーザーより発せられる光の直線経路は、好適には実質的
に上記の平面内に存在する。
【００４３】本発明のまた別の特徴によれば、好適には
集光素子２０の経路内にスリットが置かれる。このスリ
ットは、好適には長形であり、例えば少し丸みをおびた
長方形の開口であってもよい。長手方向の軸が微粒子モ
ニタセンサに入力される光の偏光方向に対し実質的に垂
直になるように、長形の方向は配置される。例示される
本発明の実施例では、スリットは好適にはその長手方向
が、本発明の好適な実施例で用いられる長形の検出器２
２と対応している。開口の正確なサイズは、スリットが
光路のどこに置かれるかに拠り、微粒子モニタセンサに
特有な幾何関係に拠る。
【００４４】好適なスリットの形状及び寸法は、好適に
は、微粒子モニタセンサの作動中検出領域を最適にする
ように、スリットのサイズや幾何を変化させて実験的に
決められる。他の検出特性を用いてスリットを最適化し
てもよい。例えば、粒子サイズの検出限界や散乱信号の
総計が最大になるように、スリットを変えて評価しても
よい。
【００４５】本発明の好適な実施例では、スリット組み
立て品５８のように、窓５４の外側に配置される不透明
板を用いる。例えば、丸みをおびた長方形の開口６２を
有するステンレス若しくはプラスチックのプレート６０
は、排気ラインの壁の丸い窓の排気ライン側に置かれて
もよい。このスリット組み立て品に適したプラスチック
素材は、ポリエーテルエーテルケトン若しくはDupont社
製のVESPELであるだろう。このスリット組み立て品は、
長方形のスリット開口部を除いて丸い窓を覆う。このよ
うに制御された本発明のスリットの態様が、微粒子モニ
タセンサの光学表面上のパージガス流れの使用と組み合
わされた場合、パージガス流れを利用するために必要
な、パージガスの体積に対するスリットサイズの影響も
考慮して、スリットの形状や幾何を最適にする必要があ
る。
【００４６】本発明の一つの実施例では、収集窓５４及
び集光素子２０は区分けされ、散乱光の屈折に通常関係
しない光学素子の部分が取り除かれる。この事により、
全検出部分は更に薄くできる。
【００４７】好適には、本発明は図示される如く９０゜
散乱幾何を利用する。言い換えれば、集光素子は、その
主光軸が入射光の伝播方向に対し実質的に垂直の位置を
とるように配置される。照射光の波長に比べ比較的大き
い微粒子の前方方向に散乱される光の成分と比較すれ
ば、９０゜方向へ散乱する光の成分は非常に少ない。し
かし、ここで説明する別の考察の理由により、９０゜収
集幾何を採用した場合、本発明に従って信号−ノイズ比
の改善が観測された。
【００４８】本発明の好適な実施例では、収集の角度
が、入射光の偏光面に対する垂直方向から外れた場合、
散乱光強度が減少する。よって、本発明のある決まった
態様に従った長形のスリットは散乱信号を一部除去する
が、それは許容されない量ではない。小さめのスリット
（４ｍｍ ｘ 約１７ｍｍ）では、円形（直径約１７ｍ
ｍ）アパーチャに比べて検出断面の縮小が約２０％だけ
である。即ち、０，５μｍの微粒子の流れを観測する場
合、長形スリットの計数速度は、円形アパーチャで観測
される計数速度の約８０％である。直径およそ２５ｍｍ
の窓に４ｍｍ ｘ１７ｍｍのスリットしか開かない場合
の集光表面積の減少を考慮すれば、この計数速度の減少
は比較的小さい。検出面積はほとんど減少しないので、
スリットは小さい方が好適であり、その理由はスリット
が小さければ、窓５４上方の流速は大きく改善され、集
光素子窓の光学的劣化を遅延するからである。
【００４９】本発明はまた、前方散乱幾何で実施されて
もよい。光が前方方向で収集される場合、主（散乱され
ない）のビームは前方信号より除去されなければならな
い。全ての場合において、散乱光は暗視野で測定される
ことが好ましい。ここで説明した小スリットの配置は、
前方散乱幾何において用いられてもよい。
【００５０】更に、収集窓の前に具備するスリットが小
さくなれば、本発明の好適な実施例においてより加熱さ
れる収集窓の表面積は小さくなるだろう。従って、窓の
表面を同等或いは高い温度に加熱するために、より少な
い動力しか必要としないであろう。
【００５１】ここに述べた好適な実施例を参照して本発
明を説明してきたが、本発明の真意と目的を離れること
なく種々の変形が可能であることは、当業者には理解さ
れよう。更に、沢山の改良がなされ、本発明に不可欠な
教示から離れることなく、与えられた状況に対し本発明
を適合させるだろう。
【００５２】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
る微粒子モニタセンサは、検出器や光源を損なうことな
く集光窓は高温に維持される。また、信号を大きく損失
することなく集合窓の露出部分を狭め、並びにパージガ
ス流量を増加することなくパージガスが集光要素窓に接
する流速を増加する事が可能となる。従って、集光窓表
面が劣化されにくいため、清掃や交換のための保守点検
の頻度が少ない微粒子モニタセンサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による微粒子モニタセンサの断面図であ
る。
【図２】本発明による微粒子モニタセンサの側面図であ
る。
【図３】本発明による微粒子モニタセンサの部分的に拡
大した断面図である。
【図４】本発明の特徴に従ったスリット組み立て体の概
念図である。
【図５】参照文献に記載された微粒子モニタの全体図及
び断面図である。
【符号の説明】
１０…微粒子モニタセンサ、１２…レーザーダイオー
ド、１４…光源光学素子、１６…窓、１８…散乱領域、
２０…集光素子、２２…検出器、２４…光トラップ、２
６…かぎ状入口、２８…ヒーター、３０…ノブ、３２…
ストラップ、３４…フック、３５…スロット、３６…ナ
イロンボール、３８…真空フランジ、４０…排気ライ
ン、４２…平坦表面、４４…プレート、５０…平坦表
面、５２…とげ状入口、５４、５６…窓、５８…スリッ
ト組み立て品、６０…プレート、６２…スリット、６４
…スリットポート、６６…流路、６８…プレナム、１１
０…半導体製造装置、１１１…真空チャンバ、１１２…
加熱ランプ、１１３…ロードロック、１１６…排気ライ
ン、１１７…遮断弁、１１８…絞り弁、１２１…微粒子
モニタ、１２２…光源、１２３…光学素子、１２４…
光、１２６…集光システム、１２７…フォトダイオー
ド、１２９…光トラップ、１３１…点線、１３３、１３
６、１３９…窓。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｎ 21/21 Ｚ 9118−2Ｊ 21/49 Ｚ 9118−2Ｊ Ｈ０１Ｌ 21/02 Ｚ (72)発明者 フィリル サルツマン アメリカ合衆国， カリフォルニア州 95125， サン ノゼ， フェアグレン ドライヴ 2282

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 粒状物質が内部を流れるチャンバと、 チャンバ内の粒状物質と相互作用し散乱光信号を生ずる
    入力光ビームを発生する可干渉光源と、 光検出器と、 上記光検出器へ達する上記散乱光信号の一部が内部を通
    過する集光要素(collection optical element)とを包含
    し、 微粒子モニタセンサは、上記集光要素と熱的接続し上記
    光検出器と実質的に不良な熱的接続をして上記集光要素
    を高い温度に維持し上記集光要素への粒状物質の堆積を
    防止する第１の加熱手段を備える、微粒子モニタシステ
    ム。
  2. 【請求項２】 レンズと入力窓とを包含する入力光要素
    と、 上記入力窓と熱的接続し上記可干渉光源と実質的に不良
    な熱的接続をする第二の加熱要素とを更に備える請求項
    １に記載の微粒子モニタシステム。
  3. 【請求項３】 上記第一の加熱要素及び上記第二の加熱
    要素は二つの薄い絶縁層の間に配置される単一で薄い電
    気抵抗層を更に備える請求項２に記載の微粒子モニタシ
    ステム。
  4. 【請求項４】 偏光軸に沿って偏光し散乱領域の方へ指
    向する光を放射する直線偏光レーザー(linearly polari
    zed laser)と、 集光素子(collection optics) と、 検出器であって、上記集光素子と上記検出器と上記散乱
    領域の少なくとも一部とが光経路を形成する検出器とを
    包含し、 微粒子モニタシステムには、上記偏光軸に対し実質的に
    垂直なスリット軸に沿う長手方向をもつ長形スリットが
    上記光経路に沿って配置される、微粒子モニタシステ
    ム。
  5. 【請求項５】 上記直線偏光レーザーは、上記微粒子モ
    ニタシステムにおける粒状物質流れの方向と実質的に平
    行である接合面を備える半導体レーザーダイオードであ
    る請求項４に記載の微粒子モニタシステム。
  6. 【請求項６】 上記集光の窓にヒーターが接続される請
    求項４に記載の微粒子モニタシステム。
  7. 【請求項７】 実質的に不活性なガスの流れが上記集光
    の窓の上方を指向する請求項４記載の微粒子モニタシス
    テム。
  8. 【請求項８】 伝播方向に沿って配置される光トラップ
    を更に備える請求項５に記載の微粒子モニタシステム。
  9. 【請求項９】 微粒子モニタシステムであって、 散乱領域に向かい指向する光を照射するレーザーと、 集光素子と、 検出器であって、上記集光素子と上記検出器と上記散乱
    領域の少なくとも一部とが光経路を形成する検出器とを
    包含し、上記微粒子モニタシステムは上記集光素子に隣
    接して形成され上記集光素子の視野の一部を封鎖するス
    リットと、 ガス流入口と、 上記スリットと上記集光の窓との間に配置されるスリッ
    トポートと、 上記ガス流入口を上記スリットポートに接続するスリッ
    トガス流路とを備える微粒子モニタシステム。
  10. 【請求項１０】 上記スリットは、上記スリットポート
    を通り流れるガス流が絞られるに十分狭い(restrictiv
    e) 請求項９に記載の微粒子モニタシステム。
  11. 【請求項１１】 上記レーザーの窓と熱的に接続する第
    １の加熱要素と、 上記集光素子と熱的に接続する第２の加熱要素とを更に
    備える請求項９に記載の微粒子モニタシステム。
  12. 【請求項１２】 流れ方向に沿い検出領域を通る粒状物
    質の流れを検出するステップと、 少なくとも上記検出領域の一部に可干渉光を照射するス
    テップと、 粒状物質により上記可干渉光を散乱し散乱光信号を発生
    するステップと、 少なくとも上記散乱光信号の一部を検出器の窓を通過さ
    せるステップと、 少なくとも上記散乱光信号の一部を検出器で収集するス
    テップとを備える粒状物質の検出方法であって、 上記方法は上記検出器の窓を直接加熱するステップを備
    える粒状物質の検出方法。
  13. 【請求項１３】 上記可干渉光は直線偏光レーザーダイ
    オードにより発生する請求項１２に記載の粒状物質の検
    出方法。
  14. 【請求項１４】 上記検出領域内で上記可干渉光を造形
    し長形軸が上記流れ方向に対し実質的に垂直である延伸
    ビームを形成するステップを更に備える請求項１２に記
    載の粒状物質の検出方法。
  15. 【請求項１５】 長形軸が上記流れ方向に対し実質的に
    垂直に配置される長形スリットにより散乱光信号の一部
    を封鎖するステップを更に備える請求項１２に記載の粒
    状物質の検出方法。
  16. 【請求項１６】上記流れ方向と実質的に平行な方向に沿
    って上記可干渉光を偏光するステップを更に備える請求
    項１５に記載の粒状物質の検出方法。
  17. 【請求項１７】 流れ方向に沿って流れる粒状物質流
    に、伝播方向に沿って伝播する偏光を照射するステップ
    と、 上記偏光が上記粒状物質により散乱し散乱光信号を形成
    するステップとを備える粒状物質の検出方法であって、 上記方法は、 上記偏光の偏光軸が上記流れ方向と平行に配置されるス
    テップと、 長形軸が上記流れ方向に対し実質的に垂直に配置される
    長形スリットにより、散乱光信号の一部を封鎖するステ
    ップと、 検出器により上記散乱光信号の一部を収集するステップ
    とを備える粒状物質の検出方法。
  18. 【請求項１８】 上記長形スリットと上記検出器との間
    に配置された検出器窓の表面上方を実質的に非活性なガ
    ス流を流すステップを更に備える請求項１７に記載の粒
    状物質の検出方法。
  19. 【請求項１９】 上記検出器窓との熱的接続が上記検出
    器との熱的接続より実質的に良好であるヒーターにより
    上記検出器窓を加熱するステップを更に備える請求項１
    ７に記載の粒状物質の検出方法。
  20. 【請求項２０】 伝播方向に沿って配置されるレーザー
    窓の表面を直接加熱するステップを更に備える請求項１
    ９に記載の粒状物質の検出方法。
JP6155828A 1993-07-08 1994-07-07 微粒子モニタセンサ Pending JPH0755687A (ja)

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