(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検出装置、前記光検出装置が取り付けられたホルダー、および第二反射面を有する粒子センサーであって、前記光検出装置が取り付けられた円柱形状の前記ホルダーの表面が機械加工により第一凹反射面に加工され、前記第二反射面は、前記第１凹反射面が光を反射する方向とは反対方向に光を反射するように、前記第一凹反射面と対向して配置されていることを特徴とする粒子センサー。
【請求項２】
前記光検出装置が光ダイオードである請求項１に記載の粒子センサー。
【請求項３】
前記反射面が金である請求項１に記載の粒子センサー。
【請求項４】
前記光検出装置が前記第一凹反射面下で低くなっている請求項１に記載の粒子センサー。
【請求項５】
前記光検出装置が前記第一凹反射面上で高くなっている請求項１に記載の粒子センサー。
【請求項６】
前記光検出装置が前記第一凹反射面の中心を形成する請求項１に記載の粒子センサー。
【請求項７】
前記第一凹反射面が第一対称軸を規定する第一焦点と第二焦点を有する請求項１に記載の粒子センサー。
【請求項８】
前記光検出装置が前記第一対称軸中心に位置する請求項７に記載の粒子センサー。
【請求項９】
前記第二反射面が凹型楕円体形状を有し、前記第二反射面が第二対称軸を規定する第一焦点と第二焦点を有し、前記第一対称軸と前記第二対称軸が同軸である請求項７に記載の粒子センサー。
【請求項１０】
前記第二反射面の前記第一焦点に微粒子のガス流を導入する方法と、前記第二反射面の前記第一焦点に光を投影する方法からなる請求項９に記載の粒子センサー。
【請求項１１】
前記第一凹反射面が第一対称軸を規定する第一焦点と第二焦点を有する第一凹反射面を有し、前記第二反射面が第二対称軸を規定する第一焦点と第二焦点を有し、前記第二反射面が第一対称軸と第二対称軸が同軸である凹型楕円体形状である請求項１に記載の粒子センサー。
【請求項１２】
前記第二反射面の第一焦点に微粒子のガス流を導入する方法と、前記第二反射面の第一焦点に光を投影する方法を更に含む請求項１１に記載の粒子センサー。
【請求項１３】
前記第二反射面の前記第二焦点が前記第一対主軸の前記第一凹反射面に位置する請求項１２に記載の粒子センサー。
【請求項１４】
前記第一凹反射面の前記第一焦点が前記第二鏡の前記第一焦点と一致する請求項１２に記載の粒子センサー。
【請求項１５】
前記第一凹反射面の前記第二焦点が前記第一対称軸の前記第二反射面と一致する請求項１２に記載の粒子センサー。
【請求項１６】
前記光検出装置が、前記第一対称軸と一致する前記第一凹反射面上に位置する請求項１２に記載の粒子センサー。
【請求項１７】
前記第一凹反射面が球形で、前記光検出装置が前記第一対称軸の中心に位置し、前記第一凹反射面の曲率半径が前記第一対称軸に位置する前記光検出装置と前記第二反射面の前記第一焦点の間の距離に等しい請求項１２に記載の装置。
【請求項１８】
前記第一凹反射面が第一主軸に関して球形であり、前記第一主軸と前記第二主軸が同軸である第二主軸を持つ第二反射面と、前記第二反射面の前記第二主軸に微粒子のガス流を導入する方法と、第一交点を規定する微粒子の前記ガス流と交差する前記第二反射面の前記第二主軸に光を投影する方法を更に含み、前記第一交点の前記第二反射面像が前記光検出装置の中心に位置し、前記第一凹反射鏡の曲率半径が前記第一交点と前記第一主軸と交差する前記第一凹反射面の間の距離に等しい請求項１に記載の粒子センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
流体中粒子検出用の光利用装置で、二個の鏡を用いて屈折光を光検出装置へ反射し、鏡の内の一つは光検出装置ハウジングを形成する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造時に半導体の大きさが小さいためにその工程で粒子汚染されないことが重要である。１ミクロン或いはそれ以下の小さな粒子により工程は汚染される。第一世代の半導体製造工場は所謂開放型大部屋という概念で建設された。そこでは全工場で粒子が全くないように保つことが試みられた。それに続く世代の各製造工場のデザインでは粒子が除去すされた清浄スペースはどんどん小さくなった。最近の製造工場のデザインはミニエンバイロメントと云われものを有する。これらのエンバイロメントはシリコンウエハーに対して作業するツールを収容するのに十分な大きさである。シリコンウエハーは二つの宇宙船のドッキングと同様のプロセスでそのツール所属容器中のツールからツールへと移動する。その目的は粒子がウエハー移動容器かツールのミニエンバイロメントのいずれかに入り込む可能性を無くすことである。
【０００３】
高価なシリコンウエハーが粒子汚染されるのを防ぐためツールのミニエンバイロメントを常時監視する必要がある。ツールのミニエンバイロメントは実質的にそのツールを収容するに必要なだけの大きさである。これらミニエンバイロメントにスペースを追加するのは高価であり半導体が絶えずより小さくなるため、粒子検出装置もどんどん小さくなる粒子検出のためにさらに小さい必要がある。
【０００４】
粒子検出装置の基本的デザインを図１に示す。構成要素をその相互関係を理解しやすくするため空間で宙づりに示す。三つの基本構成要素は光源（１０）、光検出装置（２０）及び粒子流源（３０）である。これら三つの構成要素は互いに直角であることを示す三軸（１，２、３）を示す。これらの軸はユークリッド幾何のように互いに直角でもよいがその必要はない。矢印（３１）は粒子流の方向を示す。矢印（１１）は光の方向（１５）を示す。従来技術では光源（１０）はレーザーであり、光検出装置（２０）は光ダイオードであり、粒子流（３０）は従来型のポンプ（図示していない）により軸（３）に沿って前後に送られる。
【０００５】
図１，３及び５では光源（１０）から放射される光線（１５）はレイトレーシングの慣例に従い、線で表す。粒子（３５）は小円で表す。粒子（３５）の大きさは説明目的で誇張されている。粒子（３５）は粒子源（３０）からある速度で出現し、光線（１５）と交差する。視体積（４０）は粒子の流れ（３５）と光線（１５）の３次元交差に対応する。視体積（４０）は粒子検出装置を検討するのに慣例に従い球で表す。
【０００６】
粒子（３５）をいかに検出するかについての例を以下に説明する。基本操作法の説明のためにレイトレーシングが用いられるように、光（１５）の単純モデルを用いる。粒子流（３５）が視体積（４０）を通過し、光線（１５）が粒子（３５）と衝突する。図１で第一光線（１０１）、第三光線（１０３）、第四光線（１０４）及び第五光線（１０５）が粒子（３５）と衝突し散乱する。議論目的のためにこれら４つの光線（１０１，１０３，１０４，１０５）を散乱光線（１０１，１０３，１０４，１０５）と呼ぶ。第二光線（１０２）は粒子（３５）と衝突しない。大部分の光（１５）は粒子（３５）と衝突せず、単に視体積（４０）を通過し、軸１へ進む。従来技術では光線（１５）は従来の光トラップ（図示していない）に入る。第四光線（１０４）は光検出装置（２０）と衝突する。しかし第一光線（１０１）、第三光線（１０４）及び第五光線（１０５）は光検出装置（２０）と衝突しない。
【０００７】
光検出装置（２０）に衝突した第四光線（１０４）は、衝突粒子（３３）の存在を規定するのに用いられ、且つ信号強度、粒子（３３）の大きさに基づいている。粒子数と大きさを正確に知る能力はシステムのバックグランドノイズより高い信号強度に基づく。シグナル対ノイズ比が大きければ大きいほど、検出可能で大きさを決定可能な粒子は小さくなる。システムノイズは光検出装置に衝突する迷光により生ずる。
【０００８】
視球体中に散乱して光検出装置（２０）に衝突して集まった光線（１０１，１０３，１０４、１０５）が多ければ多いほど、粒子検出装置の感度はより高くなる。従来技術は光検出装置（２０）に衝突しない散乱光線（１０１，１０３、１０５）を方向転換して散乱光線（１０１，１０３，１０４，１０５）を記録できる粒子検出装置の能力に向上に関連する。この方向転換は鏡により達成される。
【０００９】
基本的原理では、光検出装置（２０）により検出可能な散乱光線（１０１，１０３，１０４，１０５）が多ければ多いほど粒子検出装置の感度はより高くなり、且つレーザー（１０）による所定感度での粒子検出装置（２０）の消費電力はより低くなる。
【００１０】
図２は改良粒子検出装置の平面図である。鏡（５０）を基本デザインに追加し光検出装置（２０）の反対側に配置する。粒子流（３５）は図２には示していないが、紙面に直角に流入する。光線（１５）は軸１に沿って進み、視体積（４０）内粒子と衝突し散乱する。鏡（５０）により光検出装置（２０）と衝突しなかった第１０光線（１１０）、第１１光線（１１１）、第１２光線（１１２）及び第１３光線（１１３）を反射し、光検出装置（２０）に向ける。これは鏡（５０）を視体積（４０）に第一焦点（５１）と光検出装置（２０）に第二焦点（５２）を持つ楕円面鏡（５０）にすることで達成できる。この配置は一焦点（５１）を起源とする光線（１５）が楕円面鏡により他焦点（５２）へ反射されるという楕円面鏡の基本的性質に依存する。
【００１１】
図２では第１６光線（１１６）と第１７光線（１１７）は粒子（３５）と衝突、散乱後、直接光検出装置（２０）に進む。散乱したが集束されない光は、鏡（５０）又は光検出装置（２０）のいずれかに衝突しないので、図示していない。鏡（５０）により光検出装置（２０）の反対側で散乱光線、第１０光線（１１０）、第１１光線（１１１）、第１２光線（１１２）及び第１３光線（１１３）を焦点に合わして光検出装置（２０）での信号強度を改善する。１９８３年１２月１７日にフロマー（Frommer）に交付された米国特許４，４２２，７６１に視体積（４０）が楕円面鏡（５０）焦点（５１，５２）の一つに位置する一つの基本的鏡デザインが示されている。
【００１２】
フロマー（Frommer）による図２に示した楕円面鏡（５０）デザインの限界は第１４光線（１１４）と第１５光線（１１５）が粒子（３５）により散乱されるが、検出装置（２０）により捕捉されないことである。これにより粒子センサーの感度は低下する。この問題の可能な一解決法は光検出装置（２０）の大きさを大きくすることである。しかしより大きな光検出装置（２０）は非常に高価で、且つ特別注文で製造する必要がある。
【００１３】
従来技術では、検出されなかった散乱光線の第１４光線（１１４）と第１５光線（１１５）を第一鏡と反対にある第二鏡で反射する方法を扱う。１９９８年６月１６日にユーファ（Yufa）に交付された米国特許５，７６７，９６７には、図２に示したように視球体（４０）が楕円面鏡の焦点に位置する二個の対向楕円面鏡の配置が示されている。しかしこの装置は第二楕円面鏡を必要とし、高価であると同時に光検出装置（２０）の背後にスペースが必要となる。更にこの装置は球形光検出装置（２０）を必要とし、その装置の製造は非常に高価である。
【００１４】
第二楕円面鏡用の追加スペースにより、小さな粒子検出装置の組み立てが困難になる。手持ち式装置を作成したり、シリコンウエハーツールのようなより大きな装置内に粒子検出装置を収容するには、小さな粒子検出装置が必要である。更に第二楕円面鏡用の光検出装置（２０）の背後に追加スペースが必要なため、この割り増し空間を収容するに十分な空間は粒子検出装置のハウジングにはなく、既存の単一鏡検出装置を改良することができない。
【００１５】
従って、その焦点の一つに製造コストが高くなく、且つ粒子検出装置収容に必要な体積の増加の必要がない第二鏡を有する視体積（４０）を有する楕円面鏡（５０）に基づく粒子検出装置の必要性が認められてきた。更にこれにより特別な光検出装置（２０）を必要としなくなる。
【発明の開示】
【００１６】
一つの焦点に位置する視球体を持つ第一楕円面鏡と第二焦点に光検出装置を用いた流体中の粒子検出装置を説明する。視球体は流体の流れと光とが交差する点である。光は従来のレーザーにより提供される。本装置の感度は視球体内の粒子により散乱され、光検出装置に到達した光のパーセントに比例する。
【００１７】
第二鏡を用いて光検出装置に到達する散乱光量を増加させる。光検出装置は粒子検出装置の収容に必要な体積を最小にするよう第二鏡と同一平面に配置する。第二鏡は第一鏡を用いて光を第一鏡の第一焦点を通過するように反射し、その結果第一鏡により光を光検出装置に反射する。
【００１８】
好ましい実施形態では第一鏡は楕円体で、第一焦点を視球体中心に第二焦点を光検出装置に有する。第二鏡は視球体中心に半径又は曲率中心を持つ球形である。この配置により第二鏡が第一鏡を用いて、散乱光を光検出装置に到達させることができ、且つ鏡を極力小型にできる。
【００１９】
好ましい実施形態では光電子ダイオードのハウジングを第二鏡面と視球体間距離に等しい半径を持つ適切な球形に機械加工し、第二鏡を安価に作成できる。光電子ダイオードのハウジングの使用により追加スペースを最小にでき、且つ非常に安価に実装できる。更に既存粒子検出装置をこの新規鏡と適合できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図３に本発明の配置を示す。ここで第一鏡（５０）の形状は楕円体である。しかし後述のように凹型楕円面鏡も使用できる。図２と同様に粒子流（３５）は示していないが、紙面に直角に入ってくる。第二鏡（５５）を図２の装置に追加する。第二鏡（５５）は光検出装置（２０）側の散乱光（１００）をより多く捕捉する。これは、第二鏡（５５）が光を第一鏡（５０）に反射し、次いでその光を第一鏡（５０）が光検出装置（２０）に再度反射できることによる。第１４光線（１１４）と第１５光線（１１５）によりこの経路を示す。第１４光線（１１４）と第１５光線（１１５）は図２に示すように、記録されることなしに光検出装置（２０）をかすめ、代わりに第一鏡（５０）に反射され次いで光検出装置（２０）に反射される。
【００２１】
第二鏡（５５）は、第一焦点（５６）が視体積（４０）中心にあり、第二焦点（５７）が第一鏡（５０）の中心にある凹型球面鏡である。第一焦点（５６）に対する対物位置と第二焦点（５７）に対する結像位置に関する用語をしばしば用いる。第一焦点（５６）が第二鏡（５５）の曲率半径と第二鏡（５５）の焦点間にある限り、この配置が可能となる。これは凹型球面鏡のよく知られた物理的性質である。第一鏡（５０）の第一及び第二焦点（５１，５２）は視体積（４０）中心にある第一焦点（５１）と光検出装置（２０）にある第二焦点（５２）により変化しない。これは光検出装置（２０）が実質的に第二鏡（５５）と同一平面にあることにより可能となる。この光検出装置（２０）はシステムの基本的性質を変えることなしにわずかに高くしたり、わずかに低くすることができる。
【００２２】
第二鏡（５５）の追加により本装置の光集束能をほぼ二倍にできる。本発明のデザインの重要な関心事は現粒子検出装置のサイズを大きくすることなく、且つ第二鏡（５５）を非常に安価に実装することである。更なる目的は既存粒子センサーが改良でき、その結果センサーがより小さい粒子を検出できるようにすることである。第二鏡（５５）により電力供給のような他の構成要素を改造することなしに、現行デザインの粒子検出装置でより小さな粒子を検出することができる。
【００２３】
図４に示すようにこれらの目的は好ましい実施形態において、好ましい実施形態では光電子ダイオード（２０）である光検出装置（２０）のホルダー（１５０）に第二鏡（５５）を機械加工して得られる。図４に機械加工前のホルダー（１４０）と機械加工後のホルダー（１４１）を示す。機械加工後、ホルダー（１５０）はその内面（５５）に施した鏡面を有する。従って光ダイオード（２０）は鏡面（５５）の直ぐ下に配置される。好ましい実施形態では形成鏡面は視球体（４０）中心と光ダイオード（２０）の表面ホルダー（１５）上の一点の間の距離に等しい半径を持つ球面であり、その結果第二鏡（５５）の両焦点は視球体（４）中心に位置する。これは曲率中心を起源とする光線が球面鏡の曲率中心が半径に等しい場合、曲率中心に向かって反射するという球面鏡の良好な物理的性質による。
【００２４】
図４では光電子ダイオード（２０）は第二鏡（５５）からわずかに低くなっている。この配置により光電子ダイオードのホルダー（１４０）を球面鏡（５５）として適切に利用する。光電子ダイオード（２０）の配置は以下の三個所のいずれかである。第二鏡（５５）と同一平面、第二鏡（５５）の上、又は好ましい実施形態のように第二鏡（５５）の反射面の下である。光電子ダイオードが第二鏡（５５）と同一平面の場合には、球面鏡（５５）の曲率は光電子ダイオード（２０）が第一楕円面鏡（５５）の第一焦点（５１）からどれだけ離れているにより規定される。光電子ダイオード（２０）と第二鏡（５５）との関係はホルダー（１４０）の完全利用、本装置に必要な体積、第一楕円面鏡（５０）と第二球面鏡（５５）間のギャップを最小にするというような要素を最適化することで、わずかに変化することができる。
【００２５】
図５に好ましい実施形態での焦点の配置を示す。図２と図３のように粒子流（３５）は紙面向かって流れ、視球体（４０）で光の流れ（１５）と交わる。第２０光線（１２０）、第２１光線（１２１）、第２２光線（１２２）及び第２３光線（１２３）では、鏡（５０，５５）の配置と形状により、それらの光線がとる特別な経路を示す。第２０光線（１２０）、第２１光線（１２１）、第２２光線（１２２）及び第２３光線（１２３）は視球体（４０）中の粒子により散乱し、直接この視球体（４０）を通して反射し、次いで第一鏡（５０）に反射し、最後に光検出装置（２０）に反射する。この光経路は凹型球面鏡である第二鏡（５５）が二個の焦点を有し、両者が視球体（４０）に位置し、第一鏡（５０）の第一焦点（５１）が視球体（４０）に位置し、第一鏡（５０）の第二焦点（５２）が、好ましい実施形態では光電子ダイオード（２０）である光検出装置（２０）表面に位置することにより達成される。
【００２６】
図６は鏡（５０，５５）の焦点と形状がより見やすいように、光線（１５）を示さない好ましい実施形態のもう一つの例である。第一鏡（５０）は前の図より大きく、第一焦点（５１）が三次元形状内で如何に収容されるかが明確に示される。粒子流（３５）と光の流れ（１５）の両者は第一鏡（５０）の壁を通過せねばならず、よって第一鏡（５０）の側面に穴が必要になる。第一鏡（５０）の第二焦点は５２に位置する。従って第一鏡（５０）が視球体（４０）を起源とする光を光電子ダイオード（２０）に反射する。
【００２７】
第二鏡（５５）をその中心にある光電子ダイオード（２０）と共に示す。第二鏡は、光電子ダイオード（２０）から第一鏡（５０）の第一焦点（５１）の半径を持つ球形である。この曲率は、第二鏡（５５）から反射した光（１５）は視球体（４０）又は第一鏡（５０）の第一焦点（５１）を通して反射することを意味する。
【００２８】
第二鏡（５５）は実際には第一鏡（５０）が光線を光電子ダイオード（２０）に反射することを利用している。この配置により最小のスペースを用いて第一鏡（５０）により反射されない光線を集束できる。
【００２９】
好ましい実施形態により電力やスペースの追加の必要なしにより小さな粒子が検出でき、安価に実装できる。更に既存粒子センサーの経済的な改良に利用できる。
【００３０】
好ましい実施形態では第一鏡（５０）は楕円面鏡である。楕円体形状は視体積（４０）が位置する第一焦点（５１）の真の中心から光検出装置（２０）が位置する第二焦点（５２）に完全に焦点が合うので好ましい。一方球面鏡は固有収差があり、楕円面鏡のように光線を正確に焦点に合わせられない。これは球面鏡のよく知られた物理的性質である。しかし楕円体形状は第一焦点（５１）の真の中心位置でのみ有利になる。
【００３１】
凹型球面鏡により第一鏡（５０）を置換できる。この配置では視球体（４０）は第一鏡（５０）の焦点距離と第一鏡（５０）の曲率中心間に位置する。これは、この配置により形成された結像位置が第一鏡（５０）の曲率中心の外にあることを意味する。凹面鏡は球体の切片であり、且つ球の中心を通り且つ鏡の真の中心で球面鏡に属する線は主軸として知られている。二つの球面鏡の主軸は上述の配置で一列に並ぶ。
【００３２】
第一鏡（５０）に楕円面鏡を用いる好ましい実施形態では、第一鏡（５０）の二つの焦点（５１，５２）により軸を規定する。第一鏡（５０）の二つの焦点（５１，５２）が規定する軸は第二鏡（５５）の主軸と同軸である。
【００３３】
本発明を説明したが、種々の修正と変形が本発明の本質から離れる恐れなく実行できる。本発明は上記の実施形態に制限されず、且つ以下の特許請求の範囲内でのいずれか又は全ての実施形態であると考えられねばならない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】光使用の粒子検出装置の基本的デザインを示す。
【図２】一個の楕円面鏡を用いた粒子検出装置の基本的デザインを示す。
【図３】本発明の基本的配置を示す。
【図４】ハウジングを持つ光電子ダイオードとそのハウジングを球面鏡形状に機械加工した本発明の光電子ダイオード。
【図５】本発明の第二球面鏡と光線を示す。
【図６】光線なしの本発明の第二球面鏡を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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