JPS62215843A - ウエハ処理装置用の粒子検出器 - 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】 本発明は粒子検出器に関するものであって、更に詳細に
は、空中の粒子又は真空中又は流体環境内の粒子をモニ
ターする為の粒子検出器に関するものである。

ウェハ寸法が増加し且つデバイスの幾何学的形状が一層
小さくなると、粒子物体の検出及び制御が半導体処理に
おいて更に一層重要となる。粒子レベルのモニターは、
帆えばホトレジストパターンの露光等の大気圧力での空
気環境内において行われる処理、及び例えば金属膜の付
着等の真空室内で行われる処理に対して重要である。空
気濾過方式を使用する所謂クリーンルームの使用に拠っ
て大気圧力における空気環境において行われる処理に対
して、粒子汚染を減少させることが可能である。然し乍
ら、空気濾過方式を使用しても、処理装置は可動部品を
使用し、それらが粒子を発生し、且つ粒子レベルのモニ
ターは過剰な粒子レベルを発生するシステムブレークダ
ウンの早期の検出の為に望ましい。

空中粒子を検出する従来方法の１つを第１図に示しであ
る。サンプルした空気（第１図において矢印５で示しで
ある）が円筒管６の端部６　＋１に取付けた真空ポンプ
（不図示）によって狭い透明管６を介して引き込まれる
。レーザ（不図示）からの単色光１又はランプ（不図示
）からの白色光はレンズ２によって合焦された合焦ビー
ム３を形成し、そのビームは透明管６に沿った選択した
点においてそれを介して通過する。ビーム３を通過す　
、る管６を介して吸引されるサンプルされた空気５内の
粒子によって散乱される光は検出器７によって検出され
る。別法として、管６の開口（不図示）と空気シースと
を設けて１合焦ビームが該管の開口を通過する様にして
も良い。検出器７はホトマルチプライヤを有しており、
その構成は従来は公知である。散乱強度は略粒子寸法に
比例する。この様なシステムは、０．１ミクロン及び７
．５ミクロンの間の範囲内の平均直径を持った粒子を通
常検出し、且つ原理的には、上述したシステムを使用し
てより小さな粒子及びより大きな粒子を検出することが
可能である。

従来技術の粒子モニター装置は幾つかの欠点を有してい
る。

（１）従来装置は基本的に成る点、即ち管の開口の点、
から空気をサンプルし、且つより広い空間領域に渡って
の粒子汚染の適切な測定値を提供するものでは無い。半
導体処理環境において屡々遭遇することであるが、種々
の機械の可動部品は粒子を発生することがあるが、これ
らの粒子は特定の点でのサンプリングによって検出され
ることが無い。従って、従来技術の粒子モニター装置は
。

複数の乃至は分散された発生源からの粒子を適切にモニ
ターするものでは無い。

（２）従来技術のモニターシステムは、粒子を搬送する
為に空気流を必要とするので、空気中で作動するが、真
空室内では動作しない。

（３）　　粒子が管６の側部に付着し且つ後の時間にお
いて再度空中に浮遊して、その際に遅延効果を発生する
ことがある。

（４）管の物理的端部６ｂはモニターされる点に物理的
に近接して位置されねばならず、それは処理システムの
その他の部分と干渉することがある。

本発明は１以上の点に鑑みなされたものであって、上述
した如き従来技術の欠点を解消し、空中又は真空内に存
在する粒子を検出するのに適した粒子検出器を提供する
ことを目的とする。

１実施例においては、本検出器はレーザ及びビーム形成
レンズを有しており、それはその幅に比較してその高さ
が小さなビームを発生する。該ビームは２つのミラーの
間を選択した回数に渡って往復して反射され、該２つの
ミラー間に光「シートＪ乃至は「ネット」を形成する。

眩光の経路は［ビームストップＪによって終端され、該
ビームストップは該ビームの強度をモニターしてその際
にシステム整合状態の度合いを与える。該２つのミラー
間に発生された光ネットを介して落下する粒子から散乱
された光は１つ又はそれ以上のホトダイオードによって
検出される。該ホトダイｎ　−ドによって発生される信
号は、増幅され且つピーク検出器によって処理される。

選択したスレッシュホールド値を超えるピークはマイク
ロプロセサによってカウントされ、該マイクロプロセサ
は粒子フランクス密度を計算する。

１実施例においては、該ビームがチョップされ、且つレ
ンズを使用して該ビームを合焦させてビーム発散を補償
する。突出部材は塵芥が該ミラーの反射表面上へ落下す
ることを防止し且つ該ミラー表面内の欠陥によって散乱
される光がホトダイオードへ到達することを防止する。

特定の構成においては、該ホトセルは、該２つの反射ミ
ラー間の光シートを直接的に観測する様に位置決めされ
ており、その際に非常に小型のセンサ組立体を構成する
ことを可能としている。該反射ミラーは該小型のセンサ
組立体内で一体的に近接して移動されるので、検出され
る光ビームに応答する著しい改良が実現される。例えば
高温又は腐食性気体又は液体等の高温環境における粒子
をモニターするのに有用な別のモカ成においては、セン
サ組立体はガラス窓を取付けた狭い長尺のパイプを有し
ており、反射ミラー間に小さな間隙を与えている。該ガ
ラス窓は、該光学系を腐食及び熱から保護すべく機能す
る。該センサ組立体用のハウジングは熱効果を減少させ
る為に水冷却されている。

本発明の２つ又はそれ以上の粒子検出器を組合せて、例
えば８インチ×８インチの如き大きな面積を介して落下
する粒子を検出することが可能である。

以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的実施の態様
に付いて詳細に説明する。

第２ａ図及び第２ｃ図は、本発明のパーティクルモニタ
ー即ち粒子観測器の１実施例の平面図及び側面図を夫々
示している（縮尺率は一定ではない）。レーザ１０は好
適には、半導体レーザであって、例えば８２０ｎｍの波
長で動作するＡｌＧａＡｓレーザとすると良い。ＲＣＡ
レーザ番号Ｃ８６０００Ｅ及び日立レーザ番号ＨＬ　８
３１２　Ｅはこの為に適している。その他の光源（必ず
しも単色である必要は無い）も本発明において使用する
ことが可能である。半導体レーザ１０のＰＮ接合から射
出されるビーム１１は１円筒ビーム形成レンズ１２及び
１３によって形成（コリメート）され、これらのレンズ
は結合されて該ビームを水平及び垂直の平面において整
形する。レンズ１３から射出されるビーム１４を第２ｂ
図に更に詳細に示してあり、該図面は第２ａ図に示した
Ａ線に沿ってのレーザビーム１４の断面を示している。

１実施例において、ビーム１４は第５図に概略示した回
路によって変調乃至はチョップされる。ビーム１４は半
導体レーザ１のＰＮ接合（不図示）の幅及び整形レンズ
１２及び１３によって決定される初期高さＨ６及び初期
幅Ｗ。を持っている。

１実施例において、ＰＮ接合の幅は約４０ミクロンであ
り、ビーム１４は、整形レンズ１３から射出される点で
、２．０ｎｏ＋＋の幅と０．４ｍｍの高さを持っている
。レーザ１０及びビーム整形レンズ１２及び１３は、平
担なＭ電体ミラーＭ１及びＭ２と相対的に位置決めされ
ており、従ってミラーＭ、及びＭ２の誘電体表面Ｓ１及
びＳ２の夫々は互いに平行であり且つ、第２ｂ図に示し
た如く、ビーム１４の中心を介して面Ｐに対して垂直で
ある。ミラーＭ１及びＭ２の反射表面Ｓ□及びＳ２は夫
々長さＬｌ及びＨ２を持っており、且つ、第２ａ図にお
いて矢印Ｌ１及びＨ２で又第２ｃ図においてｈで示した
如く、高さｈを持っている。

第２ａ図において、レーザ１０から表れる実線はビーム
１４の中心を示している。ビーム１４の中心における光
は９０度未満の入射角度αでＰｌにおいて表面Ｓ１に入
射し、且つ表面Ｓ２上の点Ｐ２へ反射され、且つ、一般
的には、ＰｋからＰｋ＋１へ反射され（尚、ｋ＝１．、
、、．６）、従って第２ａ図に示したジグザグパターン
が形成される。

点Ｐ７から反射される光は、ホトセル（不図示）を具備
するビームストップ２０によって受光される。

第２ａ図において、長い点線で示した各対の隣接する平
行線の間の面積は、表面Ｓ工へ向かって進む光ビーム１
４のセグメントを表し、且つ短い点線によって表される
各対の隣接する平行線の間の面積は表面Ｓ１から表面Ｓ
２へ進むビーム１４のセグメントを表す。表面Ｓよと８
２との間の間隔Ｓ及び入射角度αは、ＰｌとＰ３との間
の距離がビーム１４の幅Ｗ。である様に選択される。表
面Ｓ工と８２は平行であるから、Ｐｋ及びＰｋ＋１の間
の距離は、ｋ＝２．３，４．５に対しては、Ｗ、である
。

注意すべきことであるが、このパラメータＳ及びαの選
択に対して、ビーム１４のジグザグ経路は、表面Ｓ１の
端点１５及び１６及びＳ２の点１７及び１８によって画
定される台形の全面積をカバーする光シートを形成する
。実際には、この全面積は。

表面Ｓ１から表面Ｓ２へ移動する光、及び表面Ｓ２から
表面Ｓ１へ移動する光の両方によってカバーされる。

第２ｄ図は５表面Ｓ□と８２間の間隔Ｓの別の選択、及
び入射角度αの別の選択を示しており、この場合には、
ビーム１４の中心が表面Ｓ１に入射する個所の第１及び
第２点Ａ１及びＡ１間の距離はビーム１４の幅Ｗ。より
も一層大きい。このパラメータの選択の場合、ビーム１
４の反射によって形成されるジグザグパターン（光ネッ
ト）は、反射表面Ｓ１及びＳ２の夫々の点２５，２６，
２７゜２８によって画定される台形の全面積をカバーす
るものではない。影線を付けた三角形は、該ビームによ
ってカバーされないこれらの区域を示している。

反射表面Ｓ０及びＳ２の側面図を第２ｃ図に示しである
。コレクタミラー２１及び２２が、表面Ｓ、及び８２間
のビーム１４によって発生される光ネットを介して落下
する粒子から散乱される光を集光する。これらのコレク
タミラーは典型的に放物線的形状をしており且つ該散乱
された光を夫々ホトダイオードＰＤ、及びＰＯ２上へ合
焦させる。ミラーＭ０及びＭ２の高さｈは、コレクタミ
ラー２１及び２２の寸法と相対的に小さい。何故ならば
。

ミー２１及び２２は、レーザビーム１４によって発生さ
れる光シートの面から反射され、且つミラーＭ□及びＭ
２を「クリア」し更にＯ□、０□、Ｏｌ及び○、を「オ
ーバーハング」する光のみを集光することが可能だから
である。「オーバーハング」０１１０２．０．及び０．
は、塵芥が表面Ｓ□及びＳ２上に落下することを防止し
、且つ、それらは不透明であるから、表面Ｓ工及びＳ２
無いの欠陥によって散乱される光がコレクタミラー２１
及び２２に到達することを防止する。

注意すべきことであるが、表面Ｓ、及びＳ２からビーム
１４の反射によって形成される光ネットの側面図は概略
単に線として示しである。補償手段を設けないと、ビー
ムが進行するに従い、ビーム発散に起因して、ビーム１
４の厚さが次第に増加する傾向となる。このことは、該
ビームのパワー密度を減少させることとなる。簡単化の
為に、このビーム厚さが次第に増加することは第２ｃ図
には示していない。

同様に、発散に対する補償が無い場合には、ビーム１４
の幅も経路長と共に増加するが、このことは簡単化の為
に第２ａ図及び第２ｄ図には示していない。ＨｏはＷ。

よりも小さいので、ビーム１４の幅の発散は該ビームの
高さの発散よりも通常かなり小さい。

絶縁体ミラーＭ４及びＭ２は典型的には、ガラス又は石
英基板上の交互の高及び低の屈折率のコーティングから
形成されている。適宜のミラーは、最小反射率９９．３
％を持った、例えば部品番号／２３７の如き、特許登録
されているＭＡＸ−Ｒコーティングを具備するメレスグ
リオット（Ｍｅｌｌｅｓ　Ｇｒｉｏｔ）のλ／３０ミラ
ーである。従って、ビーム強度は１表面Ｓ１及び８２間
のビーム１４の反射回数が増加するに従い、ゆっくりと
減少するに過ぎない。然し乍ら、本発明で半導体レーザ
を使用する場合、その市販されているモデルは現在パワ
ーが制限的であり、例えば典型的に２０ミリワット未満
であり、各反射が反射されたビームのパワー密度を減少
させるので、反射回数を減少させる為に、表面Ｓ４及び
Ｓ２は典型的にＬ工及びＬ２よりも大きな距離Ｓだけ離
隔されている。

然し乍ら、第２ａ図及び第２ｄ図の両方に関して注意す
べきことであるが、典型的に、表面Ｓ工と８２との間に
は６回又は７回の反射を超える反射が使用されるが、簡
単化の為にこれらの図面中においてはより少ない回数の
反射を示しである。

例えば、５＝１５０ａ＋ＩｌでＷ、＝１ｍｍの場合、２
０回の反射が約１５０ｍｍＸ　２０ｍｍの面積をカバー
する。

ビームストップ２０はハウジング内にホトセル（第２ａ
図には不図示）を有しており、それはビーム１４を終端
させ且つ該ホトセルに入射するレーザビームのパワーを
モニターする。このモニター動作は、従来の回路（不図
示）によって行われ且つ本システムが何時不整合とされ
たかを表すべく機能する。レーザビームが不整合とされ
ると。

ビームスポット２０内のホトセル上に入射するビームの
パワーは予め選択したレベル以下に減少し、且つ従来の
回路（不図示）はビームスポット２０から信号を発生さ
せる。この信号は、ライトの如き視覚信号装置を動作さ
せるか、又はマイクロプロセサ（不図示）へ供給するこ
とが可能である。

第２ｅ図は、コレクタミラー２１及びホトダイオードＰ
Ｄ、の１実施例の部分的線図を示している。該線図の下
部は上部の鏡像であるが、簡単化の為に図示してない。

ミラー２１は放物線的形状である。該放物線の焦点は頂
点Ｖから２ｃｍである。

幅（第２ｅ図における垂直寸法）が０．５ｃｍであるＰ
Ｄｌの中心は該座標系の原点（０，０）に位置されてお
り且つ頂点Ｖから２．６ｃｍである。ミラーＭ４とＰＤ
ｌとの間の距離は０．２ｃｍであり、且つミラーＭＬは
ミラーＭ２からＬｏａｎだけ離隔されている。放物線ミ
ラー２１と平坦表面２１ｂとの間の領域２１ａは、屈折
率１．５を持ったガラスを有しており、それは水平線に
向かって第２ｅ図に示した１５度で散乱された光の光束
を屈折する。（表面２１ｂは該ガラスの正面の表面であ
る。

）この様な屈折率が１より大きなガラスを使用すること
により、アクセプタンス即ち許容角度θａが増加する。

該アクセプタンス角度は、ミラーＭ、の正面におけるビ
ーム１４内の粒子から光が散乱され且つレンズ２１を介
してホトダイオードＰＤ１へ反射可能な最大角度のこと
である。

第２０図中の表１は、ＸをミラーＭ４の正面におけるビ
ーム１４中の粒子の距離として、Ｘの関数としてのアク
セプタンス角度θａ（度）を示している。表１に示した
如く、ミラーＭ、の正面における少なくとも１ｃ１１の
粒子に対するアクセプタンスの最小角度は１５度である
。

第３ａ図は、粒子に入射する６、３２８人の波長（Ｈｅ
　Ｎ　ｅレーザ）を持った単色光に対して角度及び粒子
寸法の関数として球状粒子に対する散乱断面を示してい
る。

第３ａ図における横軸は度であり且つ各横軸Ｏは、第３
ｂ図に示した如く、角度θを持った直円錐と角度θ＋５
°を待った直円錐との間の立体領域を表している。縦軸
はｄを表している。

曲線Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ，Ｔは、夫々、０
．２ミクロン、０．３ミクロン、０．４ミクロン、０．
５ミクロン、１．０ミクロン、１゜５ミクロン、２．０
ミクロン、２．５ミクロン。

３．０ミクロンの物理的直径を持った粒子に対する散乱
断面曲線である。干渉効果の為に、各粒子はその物理的
断面とは異なる見掛は断面を持っている。第３ａ図に示
した散乱断面は見掛は断面である。好適実施例において
使用される如＜、ＡｌＧａＡｓレーザダイオードは、８
，２００人の波長を持った光を発生する。散乱した光の
強度は、この場合に幾分少ないが、角度依存性は第３ａ
図中の曲線Ａ無いしＩに示したものと略同−である。注
意すべきことであるが、最も強力な散乱は前方向であり
、例えば曲線へでは約２５′″である。この為に、第２
ｃ図に示したコレクタレンズシステムは、前方向散乱を
収集する為にレーザビーム１４の前進方向と略垂直に位
置させたレンズと共に使用される。レーザビーム１４に
よって発生されるレーザネットの側部上に位置されてお
り且つレーザビーム１４の進行方向と略平行なコレクタ
レンズを具備するシステムは動作可能であるが、かなり
効率は低下する。

１実施例において、レーザダイオード１０から射出され
る光は、ＡＣ電源３０（第４図に概略示しである）をレ
ーザダイオード１０へ１妾続させることによって従来の
方法で電子的にチョップ（即ち、パルス化）される。ビ
ームストップ２０（第２ａ図に示しである）中のホトセ
ル３１の出力信号は、選択した一定のレーザパワー出力
を維持する為に、レーザダイオード１０の電力源３ｏへ
供給される。該ビームをチョップする目的は、日光又は
その他の非変調光源からの光の存在下で動作する粒子検
出システムを発生することである。以下に説明する検出
回路はＤＣではなくチョッピング周波数で信号を探すの
で、このことは著しく信号対雑音比を改善する。１実施
例においては、交流電源の周波数は３メガヘルツであり
、ビーム１４によって発生される光ネットを介して垂直
に重力下で粒子が落下するのにかかる時間の間、レーザ
ビームが少なくとも１０回のオンサイクルを持つ様に十
分に高い周波数を使用することが望ましい。例えば、粒
子が１，５００ｃｍ／秒の速度で厚さＨ＝０．０３ｃｍ
を持ったビームを通貨して垂直下方へ（重力の影響下で
）落下するものと仮定すると（これは約１．．１５ｍの
距離を介して真空中を停止状態から粒子が落下すること
に対応する）、１１５０．０００秒内に１０サイクル発
生せねばならず、これは５００ｋＨｚの周波数に対応す
る。

ビーム１４はチョップされるので、ビーム１４によって
発生される光ネットを通過して粒子が落下する際にホト
ダイオードＰＤ１及びＰＤよによって受光される散乱光
もチョップされる。ＰＤ４によって検知されるチョップ
され散乱された光は増幅器３４ａによって増幅される。

増幅器３４ａは低ノイズ演算増幅器であって、例えばリ
ニアテクノロジー社によって製造されるＬＴ１０３７８
Ｃである。別法として、増幅器３４ａはディスクリート
部品及び低雑音ＦＥＴで製造することも可能であり、そ
の際に更に良好な信号対雑音比を提供する。接続部にお
ける雑音のピックアップを最小とする為にホトダイオー
ドＰＤ１の２ｃｍ以内に増幅器３４ａを装着することが
好適である。第２利１５段３４ｂは、第４図中に点線で
概略示した別のハウジング内に装着されている。増幅器
３４ｂの典型的な出力信号を第５ａ図中に実線で示しで
ある（縮尺通りではない）。第５ａ図中の実線の正のピ
ークを接続する点線は、該信号の「正包絡線」である。

増幅器３４ｂの出力信号はミキサー３５へ送られ、該ミ
キサーは、例えば、エクサール（Ｅｘａｒ）社が製造し
ているアナログマルチプライヤである部品番号ＸＲ−２
２０８とすることが可能である。ミキサー３５は又交流
電源２０から３メガヘルツ信号を受は取る。ミキサー３
５の出力（第５ｂ図に示しである）は増幅器３４ｂの出
力信号の正包絡線である。ミキサー３５の出力信号は、
例えばリニアテクノロジー社製の部品番号ＬＴ１０５５
の如き増幅器３６によって増幅され、次いでピーク検出
器３７へ供給され、その出力信号は増幅器３６によって
増幅された第６ｂ図に示した包絡線のピークの大きさを
表している。ピーク検出器３７の出力は、Ａ／Ｄ変換器
３８へ供給され、それは対応するデジタル信号をマイク
ロプロセサ３９へ供給する。

この実施例において、ピーク検出器３７の出力信号はピ
ーク検出器３７ａの出力信号とマルチプレクサ操作され
る。ピーク検出器３７ａはホトダイオードＰＤ２と連動
するピーク検出器である。

ホトダイオードＰＤ２と連動する残りの回路は、ホトダ
イオードＰＤ１と連動するものと同一であり、且つ簡単
化の為に第４図には示していない。

第４図中のピーク検出器３７ｂ、３７ｃ、３７ｄは、よ
り大きな区域に対する粒子検出を行う為に、第２ａ図に
示したものと同一の２つ又はそれ以上のシステムを一体
化した、即ち物理的に近接して位置させた実施例に使用
されるホトダイオード（不図示）に対するピーク検出器
を表している。

典型的な適用において、コンピュータが粒子フラックス
密度、即ち選択した時間間隔の間にビーム１４を通過す
る粒子数を計算する。マイクロプロセサ３９は、それが
ピーク検出器３７及び３７ａから受は取る信号を比較す
る。両方の信号が予め選択したスレッシュホールド値を
超えると、マイクロプロセサ３９は、粒子がビーム１４
によって発生された光ネットを通過して降下したことを
判別する。該ピーク検出器は信号を供給し、それは選択
した時間１例えば１ミリ秒の間保持され、従って選択し
た時間の間に光を散乱させる最大の粒子のみがカウント
される。多くのカウントは非常に低い、例えばクリーン
ルームにおいては、典型的に毎秒辺り１個の粒子がカウ
ントされるのであるから、このことは適用において許容
可能である。マイクロプロセサは、このカウントを保持
し、且つ時間を追跡して、その際に粒子フラックス密度
を計算し且つディスプレイ（不図示）上又はインターフ
ェースバス（不図示）を介して外部コンピュータへ結果
を出力することを可能とする。マイクロプロセサは又１
回路３４ａ、３４ｂ、３５゜３６の利得、及びＡ／Ｄ変
換器によって与えられる検出された信号強度に基づいて
１粒子寸法を推定することが可能である。典型的に、マ
イクロプロセサの出力は又、検出された粒子フラックス
が予め設定した臨界レベルを超えると処理装置の８７作
を終了させる為にインターロックリレー（不図示）の開
成をトリガーさせる為に使用することが可能である。

第２ｄ図に示した本発明の実施例においては、影線を施
した三角形を通過して落下する粒子は、勿論、コレクタ
２１及び２２に対する光を散乱させることはない。然し
乍ら、ミラーＳ工及びＳ２及び光ビームによって区切ら
れる領域を通過して落下する粒子が一様に分布している
と仮定される場合には、光ビーム１４のジグザグ経路に
よって実際にカバーされる区域を介して落下する粒子に
よって発生される実際の粒子カウントに、表面Ｓ□及び
Ｓ２の間の全面積を光ビーム１４のジグザグ経路によっ
て実際にカバーされる面積で割った値を乗算することに
よって全粒子カウントを推定することが可能である。

本方式の動作の原理の１つはビームを通過して落下する
粒子によって散乱される光の検知であるあから、ビーム
の全経路に渡って許容可能なパワー密度を維持すること
が重要である。ビームのパワー密度は、ビームパワーを
ビームの断面積で割ったものとして定義され、それは該
ビームがビーム発散に起因して伝播される距離と共に降
下する。

第６図は、初期高さＨｏで初期幅Ｗ、、（第２ｂ図に図
示）を持っているコリメートしたビームに対する垂直な
ビーム発散をそのビームが伝播した距離Ｘの関数として
示している。第６図に示した如く、距離Ｘ伝播した後に
、ビーム厚さＨは次式で与えられる。

）（”　Ｈ、＋　２　ｄ　□”　Ｈ６＋　２　ｘ　ｔａ
ｎθ更に、θ＝λ／πＨｏであり、λはモノクロ即ち単
色レーザビームの波長である。従って、Ｈ＝Ｈ，＋　２
　ｘｔａｎ　（λ／πＨ，）である。

θは小さな角度であるから、 Ｈ＝Ｈ０＋２ｘλ／　７ＣＨｏ＝Ｈｏ（１＋　２　ｘλ
／πＩ−ｒ　ｏ”　）。

同様な解析の結果、距離Ｘを伝播した後のビームの幅は
次式で与えられる。

Ｗ　”　Ｗｏ　（１＋　２　ｘλ／　７ＣＷ、”　）従
って、ビームが距離Ｘ伝播した後のビームのパワー密度
は次式で与えられる。

Ｐ　（Ｘ’）＝　Ｐ、／ＨＷ＝　Ｐｏ／Ｈ，Ｗｏ（１＋
　２　Ｘ入／　πＨｏ２）　（１＋　２　ｘλ／　ｘ　
Ｗ　ａ　”　）■］。はＷ。よりも著しく小さいと仮定
すると、臨界的な間隔（即ち、パワー密度が元のパワー
密度の約半分となる点）は次式で与えられる。

２ｘλ／　７ＣＨｏ”　＝　１又はｘ　＝　７ＣＨｏ”
　／　２λ例えば、λ＝１ミクロンでＨ８＝　３　Ｘ　
Ｉ　Ｑ−２ｃｍの場合、臨界的間隔はｘ＝＝１５ｃｍで
発生する。

ビームが全部でｎ同表面Ｓよ及びＳ２から反射される場
合、パワー密度は次式の如くなる。

Ｐ（Ｘ）＝Ｐ、Ｒ″／ＨＯＷ、（１＋２Ｘλ／　πＨ、
”）（１＋２ｘλ／　ｘ　Ｗ　ａ　”　）尚、Ｒは反射
率である（典型的には、絶縁体ミラー表面Ｓ□及びＳ２
に対して約９９．５％である。）検知器ＰＤ□によって
受光する散乱光のパワーは次式で与えられる。

Ｐ、＝ησＰ（ｘ） 尚、ηは検知器回収効率であり且つσは粒子散乱断面で
ある（即ち、ビームに垂直な粒子の断面積である。）雑
音は検知器の感度を制限する。雑音パワーは次式で表さ
れる。

Ｐｎ＝　Ｎ　Ｘ５ＱＲＴ（ｎ　） 尚、Ｎは検知器ＰＤ□の離行等価パワー（ＮＥＰ）であ
り、且つＢは電子回路３４　ａ　＋　３４　ｂ　、　３
５　＋３６の帯域幅である。雑音等価パワーは、ホトダ
イオードに対する周波数帯域における雑音パワーの標準
測定値である。

粒子の最小検出可能断面は、該検出器によって受は取ら
れたパワーを雑音パワーと等値し、且つ粒子散乱断面で
あるσに付いて解くことによって得られ、その結果次式
が得られる。

ａ　−＋−＝Ｎ　Ｘ　５ＱＲＴ（Ｂ　）／　’７　Ｐ　
（Ｘ　）　＝　Ｎ　Ｘ　５ＯＲＴ（Ｂ　）Ｈ６Ｗ、（１
＋ｘλ／πＨ０”）（１＋ｘλ／７ＣＷｏ”）／ηＰ、
Ｒｎ Ｈｏの関数としてσ、□８を最大とさせることが望まし
い。Ｈｏの最適値は次式を解くことによって与えられる
。

ａ　（７ＭＩＮ／　ａ　ＨＤ　＝　０ その結果、次式が得られる。

Ｈ，、ｏｐｔｉｍａｌ＝ｓＱＲＴ（λｘ　／　π）例え
ば、８２０ｎｍの波長（ＡＩＧａＡｓレーザ）で５０ｃ
ｍの伝播距離の場合、Ｈｏ、　ｏｐｔｉｍａｌ＝　０　
、０３６Ｃｍである。Ｈ，＝　０　、９３６ｃｍ、　Ｗ
０＝　Ｏ、１ｃｍ、Ｂ　＝　２００ｋｌ（ｚ、　Ｎ＝　
５　Ｘ　１０−１３ワツト／　Ｈｚ　″、η＝０．５、
Ｐｏ＝１０ミリワット、λ＝８２０ｎｍ、ａ　、、Ｎ＝
　３　、７　ｘ　１０−１０ｃｄである。この（Ｉ　Ｍ
ＩＮに対して、３０度検出器は容易に０．３ミクロン直
径の粒子を検出することが可能である。コレクタレンズ
２１及びホトダイオードＰＤ工を有する検出器は、該ホ
トダイオードがビーム１４によって発生される光ネット
の面に関して最大３０度迄の角度をなす光線を受は取る
場合に、３０度検出器である。第７図は、第３図の曲線
Ｂ、Ｃ，Ｄに対して角度（０°乃至１０°は排除）と集
積した散乱断面との関係を示している。第７ａ図におけ
る横軸θ（度）は、第７ｂ図に示した如く、１０度（垂
線に関して）の角度を持った直円錐と角度Ｏを持った直
円錐との間に領域を表している。この領域内に散乱され
る光のパワーＰ（０）は、Ｐ（Ｏ）＝１゜σ（０）で与
えられ、ここで１゜は入射パワー／単位面積であり、且
つσ（Ｉｌｌ）はＯに対応する集積した散乱断面である
（第７ａ図）。

上野解析が示す如く、パワー密度は発散に起因してビー
ム１４の伝播距離と共に減少する。

上に説明した如くレンズ１２及び１３を使用してビーム
をコリメートする代わりに、第６図に示した発散角度θ
を正確に補償する焦点へビームを持ってくることによっ
てビーム発散を補償することが可能である。これは、従
来公知の技術であり。

例えば、メラスグリオット光学系案内書３　（Ｍｅｌｌ
ｅｓ　Ｇｒｉｏｔ　０ｐｔｉｃｓ　Ｇｕｉｄｅ　３）、
　３４９頁、１９８５年に説明されている。第８図は、
この発散を保証する為の１実施例を更に詳細に示してい
る。レーザダイオード１０は典型的にパッケージされて
おり、従ってレーザ１０のＰＮ接合から表れる光はガラ
ス１０ａを通過する。ガラス１０ａの厚さＴ、は、ガラ
ス１０ａから表れるビームの寸法に影響を与え（屈折に
より）且つ製造業者毎に異なる可能性がある。レンズ４
１及び４２の合焦特性は。

異なった製造業者によって典型的に使用されるプレート
１０ａに対して変化する厚さよりも大きなガラスの選択
した厚さＴを介して通貨したビームに基づいて選択され
る。従って、Ｔ□＋Ｔ２＝Ｔである様に選択されている
厚さＴ２を持ったガラスプレート４０を挿入することに
よって、異なったガラス厚みＴ１を使用する異なるレー
ザダイオードが時折使用される場合に、光学系の残部は
不変のままである。

ガラスプレート４０から表れるビームは円筒レンズ４１
を通過し、該円筒レンズは該ビームを第２ｂ図における
矢印Ｈ６で示した垂直寸法において合焦させる。レンズ
４０の曲率半径は、第６図に示した垂直ビーム発散角度
０を正確に補償すべく選択されている。次いで、円筒レ
ンズ４１がら表れるビームは、水平ビーム発散（ビーム
の幅方向への発散）を正確に保証するべく選択された曲
率半径を持った円筒レンズ４２を介して通過する。

従って、レンズ４２から表れるビーム１４は、それがミ
ラーＭ４とＭ２との間を伝播する場合に、一定の厚さ及
び一定の幅を維持する。

別法として、ビーム１４の厚さＴＩにおける発散は、ミ
ラー表面Ｓ１及びＳ７を多少湾曲させることによって補
正することが可能である。上に説明した円筒レンズ４１
及び４２を使用することは、この第２の方法にとって望
ましい。何故ならば、湾曲したミラーは高価であり且つ
実施困難であるからである。

コリメーション及び発散補正の第３の方法は、グラディ
エントインデックスレンズを使用することである。グラ
ディエントインデックスレンズは、顧客が特定した長さ
で０６ＬＧＴ生産ラインにおけるメルスグリオット（Ｍ
ｅｌｌｅｓ　Ｇｒｉｏｔ）社から入手することが可能で
ある。グラディエントインデックスレンズは、直径に関
して屈折率が変化するガラスロッド即ちガラス棒体であ
る。光が該ロッドを介して伝播するに従い合焦作用が発
生する。該グラディエントインデックスレンズの焦点距
離は。

ガラスロッドの長さによって決定される。第９図は、グ
ラディエントインデックスレンズを使用してビーム発散
を補償する為に使用される光学手段の１実施例を示して
いる。第８図と同一の第９図中の要素は同一の参照番号
を有している。第９図において、平担なガラスプレート
４０から表れるビームは、レンズ５０から表れるビーム
が所望の高さと幅の比を持つ様に、選択された円筒レン
ズ５ｏによって受光される。レンズ５０からのビームは
、グラディエントインデックスレンズ５１によって受は
取られ、該レンズ５１はビームを水平（幅）軸に沿って
コリメートさせ且つ垂直厚さ軸に沿ってビーム発散角度
θ（第６図）を補償し、従ってビーム１４によって発生
される光ネットは一定の厚さを持っている。

第１０図、第１１図、第１２ａ図、第１２ｂ図を参照す
ると、小型の直接観測センサが示されている。該直接観
測センサ組立体は、コリメートされたレーザビーム６２
を供給するレンズを持った。

レーザカートリッジの如き光源６０を有している。

ビームはミラー６４の平坦面と相対的に約１５度の角度
で第１反射ミラー６４に指向される。該ビームは第１ミ
ラー６４のものと実質的に平行な面を持った第２ミラー
６６へ反射され、従って光シート乃至は光ネットが該ミ
ラー間の狭い間隙内に発生される。反射されたビームは
第１ミラー６４上を通過してホトダイオード６８−Ｅへ
入射する。

該ホトダイオードは、受は取った光ビームの強度を表し
、該レーザビーム及び本センサ組立体の光学系が適切に
動作することを確保する。該ビームは該ホトダイオード
からビームストップ空洞部７０内へ反射され、それは迷
光が光学系へ帰還することを防止し、且つ安全特性を提
供している。

第１１図に図示した如く、ホトセルフ２及び７４は、該
光シートを介しての粒子の通過を検出する為にミラー６
４及び６６に近接して位置決めされている。該ホトセル
は、該ミラー間の間隙内を通過する粒子の入射を表す信
号を発生する。該信号は増幅され、ピークが検出され、
且つマイクロプロセサによって処理されて、前述した如
く、粒子フラックス密度を計算する。視党ディスプレイ
は、該マイクロプロセサに接続されているディスプレイ
モニタによって得られる。グラスフィルタ７４及び７６
は、レーザビーム以外の異なった波長の偶発的な光を阻
止する為に該ホトセルに具備されている。該ミラーは正
面部品８０及び８２を持っており、これらは約７８０ｎ
ｍの波長を通過させるＭＡＸ−Ｒ（メレスグリオットの
商標）コーティングを具備する基板から形成されている
絶縁体積層体で構成されている。該正面部品は、夫々の
ミラ」１の面上に着座されているカバーガラス８４及び
８６へ取り付けである。

該センサ組立体はフレーム８８内に位置されており、且
つ一方が第１２図に示しである支持ブラケット９０は該
フレームの端部を包囲して、該センサ組立体に対するハ
ウジング乃至は包囲体を形成している。

センサ組立体の別の実施例は第１３図及び第１４図に示
しである。該センサ組立体は高温又は腐食性の気体又は
流体の粒子検出に有用であり、２つの反射ミラー９１及
び９２間の実質的に横断方向に配設されているパイプセ
クション８９で構成されている。該パイプセクション８
９は、狭い中央部分９４及び裾広がりのフランジ部分９
６ａ、９６ｂを持っており、それらは該パイプセクショ
ンを検出下の気体又は流体が通過される標準の直径のパ
イプへ結合させることを可能としている。

ガラス窓９８及び１００は、該ミラーと該パイプセクシ
ョンの中央空洞部との間に設けられている。

該ガラス窓は、該光学系を腐食及び熱から保護している
。誠意は耐熱性で低温度係数ガラス、例えば溶融したシ
リカから構成されている。該ガラスは正面及び背面は平
坦に研磨されている。該ミラーは誠意に組み立てられて
おり、それらは最大２００℃の温度に耐えることの可能
なフロオロカーボン即ち過弗化炭化水素の０リングを使
用して該パイプへ装着される。該ミラーは、該パイプへ
誠意をクランプする２組のスリーボルト１０２及び１０
４を締め付けることによって整合され、一方該Ｏリング
は所望の遊びを与える。

高温環境動作する場合、レーザ１０６及びホトダイオー
ド１０９を具備するビームストップ構成体１０８用のハ
ウジングは、該ハウジング内の位置されたチャンネル又
はパイプを介して＠環する冷却用の流体又は水によって
冷却される。前述した如く、プリアンプ１１０はレーザ
ビームの強度を増幅する為に設けられている。

第１０図乃至第１４図の別の実施形態において実現され
る如く、該ミラー間に小さな間隙があるので、改良した
信号分解能を与える小型の構成が可能とされている。こ
の小型の構成は、部品点数を減少させ且つ製造費用を低
減させて可能とされている。

以上、本発明の具体的実施の態様に付いて詳細に説明し
たが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
では無く、本発明の技術的範囲を逸脱すること無しに種
々の変形が可能であることは勿論である。例えば、光ネ
ットを発生させる為に２つを超えるミラーを使用するこ
とが可能であり、且つ光ビームに対する所望の経路を与
える為に光学系を変形させることが可能である。又、第
１３図及び第１４図に関して説明したパイプセクション
は円筒状、矩形チャンネル、又は反射ミラー間の小型の
狭い間隙を与える任、ａ：の形態とすることが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術の空中粒子検出器を示した概略図、第
２ａ図は本発明の粒子検出器の概略平面図、第２ｂ図は
第２ａ図に示したビームエクスパンダから表れるビーム
の形状を示した説明図、第２ｃ図は第２ａ図中に示した
粒子検出器の部分側面図、第２ｄ図は本粒子検出器にお
いて使用される光に対する別の経路を示した概略図、第
２ｅ図は放物線ミラー２１によって反射された１５６光
線に沿って散乱され且つ第２ａ図及び第２Ｃ図に示した
ホトダイオードＰＤ、上に合焦される光の経路を示した
概略図、第３ａ図はθ及びθ＋５１の角度領域内への球
状粒子に対する散乱断面を示した概略図、第３ｂ図は第
３ａ図において使用した角度Ｏ及びθ＋５°を示した説
明図、第４図はホトダイオードＰＤ工によって受は取ら
れる信号を処理する為に使用される回路のブロック線図
。 第５ａ図は第４図において示される増幅器３４．　ｂの
典型的な出力信号を示した説明図、第５ｂ図は第５ａ図
中に示した信号の正包絡線を示した説明図、第６図は経
路長さの関数としてのビーム発散を示した説明図、第７
ａ図は角度領域と集積化した散乱断面との関係を示した
説明図、第７ｂ図は角度１０°を待った円錐と角度φを
持った円錐との間の角度領域を示した説明図、第８図は
ビーム発散を保証するレンズ配列を示した概ｌｌｌ３図
、第９図はビーム発散を保証する別の配列を示した概略
図、第１０図は本発明の別の実施例である小型直接視覚
センサ組立体の平面図、第１１図は第１０図のセンサ組
立体の側面図、第１２図は第１１図に示したセンサ組立
体の端面図、第１３図はパイプ構成体を具備する小型セ
ンサ組立体を使用する本発明の更に別の実施例の平面図
、第１４図は第１３図のセンサ組立体の側面図、である
６（符号の説明） １０：レーザ １２．１３：整形レンズ ２０：ビームストップ ２１．２２：コレクタミラー ３０；電源 ３４ａ：増幅器 ３８　：　Ａ／Ｄ変換器 ３７：ビーク検出器 ３９：マイクロプロセサ ４０ニガラスプレート ４１：円筒レンズ ５１：グラディエントインデックスレンズ特許出願人　
　　ハイ　イールド　テクノロジー：モー冒゛−゛ｊ 代理人　小　橋　−男、′１′：１ Ｌ　　　　　　　　　ＦＩＧ、　３α ＦＩＧ、　　５ａ ＦＩＧ、　　４ １０°枦−、ａｍｍイムφ　口””’　　　　　　ＦＩ
Ｇ、　　　７ａ手続苔口正書（方式） 昭和６２年４月６日 特許庁長官　　黒　１）明　雄　殿 １、事件の表示　　　昭和６１年　特　許　願　第２９
１６６５号２、発明の名称　　　ウェハ処理装置用の粒
子検出器３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 名称　　　　ハイ　イールド　テクノロジー４、代理人 ５、補正命令の日付 昭和６２年２月４日（６２年２月２４日発送）６、補正
により増加する発明の数　　　な　しどτ＼ ｔ　ｔ、２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光ビーム発生手段、前記光ビームを反射する第１手
   段、前記光ビームを反射する第２手段、を有しており、
   前記発生手段と前記第１手段と前記第２手段とは、前記
   発生手段によって発生される前記光ビームが前記第１手
   段から前記第２手段へ且つ前記第２手段から前記第２手
   段へ全体でＮ回（Ｎは２以上の予め選択した正整数）反
   射される様に互いに相対的に位置決めされており、且つ
   前記ビームは９０度に等しくない角度で反射すべく前記
   第１手段へ初期的に入射し、且つ前記光ビームを介して
   通過する粒子によって散乱される光を検知する手段、を
   有していることを特徴とする粒子検出器。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記ビームが前記
   Ｎ回反射された後に前記ビームを終了させるビームスト
   ップを有することを特徴とする粒子検出器。 ３、特許請求の範囲第２項において、前記ビームストッ
   プは前記ビームストップに入射する光の強度を検出する
   手段を具備していることを特徴とする粒子検出器。 ４、特許請求の範囲第３項において、前記ビームストッ
   プは更に前記ビームストップ上に入射する光の強度が予
   め選択した値以下に降下した時に信号を発生する手段を
   具備することを特徴とする粒子検出器。 ５、特許請求の範囲第１項において、前記光ビーム発生
   手段はレーザを具備していることを特徴とする粒子検出
   器。 ６、特許請求の範囲第１項において、前記光ビームを反
   射する前記第１手段と前記光ビームを反射する前記第２
   手段の各々が平担な表面を持ったミラーを具備すること
   を特徴とする粒子検出器。 ７、特許請求の範囲第１項において、前記光ビームを反
   射する前記第１手段と前記光ビームを反射する前記第２
   手段の各々は前記光ビームの発散を減少させる為に湾曲
   したミラーを具備していることを特徴とする粒子検出器
   。 ８、特許請求の範囲第１項において、前記光ビームを発
   生する手段が、前記光ビーム源と前記第１反射手段との
   間に位置されておりビーム発散を補償すべく選択された
   焦点距離を持ったレンズを具備することを特徴とする粒
   子検出器。 ９、特許請求の範囲第６項において、前記ミラーの１つ
   の前記表面上に塵芥が付着することを防止する為に前記
   ミラーの１つから外方へ延在する少なくとも１つの部材
   を有することを特徴とする粒子検出器。 １０、特許請求の範囲第６項において、前記ミラーの１
   つの前記表面における欠陥から散乱された光が前記検出
   手段によって検出されることを防止する為に前記ミラー
   の前記１つから外方へ延在する少なくとも１つの不透明
   部材を有することを特徴とする粒子検出器。１１、特許
   請求の範囲第１項において、前記光ビーム発生手段がそ
   の幅よりもその高さが小さい光ビームを発生する１つ又
   はそれ以上のレンズを具備することを特徴とする粒子検
   出器。 １２、特許請求の範囲第５項において、前記光ビームを
   チョップする手段を有することを特徴とする粒子検出器
   。 １３、特許請求の範囲第１項において、前記検出手段が
   、粒子によって散乱された前記光を集め且つ粒子によっ
   て散乱された前記光を粒子によって散乱された前記光を
   検出する手段へ反射させる光学要素を具備することを特
   徴とする粒子検出器。 １４、特許請求の範囲第１３項において、前記検出手段
   の許容角度を増加させる為に、前記光学要素と前記検出
   手段との間に位置されており１を超える屈折率を持った
   物質を有することを特徴とする粒子検出器。 １５、特許請求の範囲第１項において、前記散乱された
   光を検出する手段が集光ミラー及びホトダイオードを具
   備しており、前記集光ミラーは前記散乱された光を前記
   ホトダイオード上に合焦させることを特徴とする粒子検
   出器。 １６、特許請求の範囲第１５項において、前記検出手段
   は更に前記ホトダイオードによって受光された光信号の
   ピーク振幅の代表値を検出する手段を具備することを特
   徴とする粒子検出器。 １７、特許請求の範囲第１６項において、前記検出手段
   は更にアナログ・デジタル変換器及びマイクロプロセサ
   を具備しており、前記アナログ・デジタル変換器は前記
   マイクロプロセサへ前記ホトダイオードによって受光さ
   れた前記光信号の前記ピーク振幅の前記代表値のデジタ
   ル表示を供給することを特徴とする粒子検出器。 １８、特許請求の範囲第１項において、前記光ビーム発
   生手段はグラディエントインデックスレンズを具備する
   ことを特徴とする粒子検出器。 １９、光ビームを発生し、前記光ビームを第１反射手段
   から第２反射手段へ且つ前記第２反射手段から前記第１
   反射手段へ全部でＮ回（Ｎは２以上の予め選択した正の
   整数）反射させ且つ前記ビームは初期的に９０度以外の
   角度で前記第１反射手段へ入射し、前記光ビームを通過
   する前記粒子によって散乱される光を検出する、ことを
   特徴とする粒子検出方法。 ２０、特許請求の範囲第１９項において、前記ビームは
   前記Ｎ回反射された後に前記ビームを終了させることを
   特徴とする粒子検出方法。 ２１、特許請求の範囲第１項において、前記光ビームに
   実質的に横断する方向に延在する狭い空洞部を持ったパ
   イプセクションを具備することを特徴とする粒子検出器
   。 ２２、特許請求の範囲第２１項において、前記パイプセ
   クションに隣接し且つ前記第１反射手段と前記第２反射
   手段との間に配設された窓手段を有することを特徴とす
   る粒子検出器。 ２３、特許請求の範囲第２１項において、前記光検出手
   段は前記反射手段に密接して隣接して位置決めされてい
   ることを特徴とする粒子検出器。 ２４、特許請求の範囲第２１項において、前記パイプセ
   クションが、流体又は基体を前記狭い空洞部を介して通
   過させることが可能である様に外部パイプへ接続させる
   為のフランジ付き部分を具備することを特徴とする粒子
   検出器。