JP2899360B2 - 流体中の粒子計測方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、流体中の粒子計測装置、さらに詳細には測
定セル中を流れる粒子を含んだ流体にレーザー光を照射
し、粒子からの散乱光を受光してその散乱光強度から粒
子径と粒度分布等の粒子特性を求める流体中の粒子計測
方法及びその装置に関する。

［従来の技術］ 現在、半導体製造過程において使用される超純水や薬
液は、4Mビット、16MビットとLSIの高密度化が進むにつ
れて不純物が含まれていない高品質なものが要求されて
いる。その中で特に超純水や薬液の中の微粒子を管理す
ることはLSIの歩留まりに大きく影響するため重要であ
る。

これまでは、超純水中や薬液中の微粒子を計測するた
めに走査型電子顕微鏡が使用されてきたが、多大なコス
トがかかり、リアルタイム性に欠けるという問題点があ
った。この問題点を解決するために、レーザー光散乱法
による微粒子計測法が普及してきている。この計測法
は、レーザー光を照射された微粒子からの散乱光強度が
微粒子の直径に依存することを応用したものである。

液体中の球形粒子からの散乱光強度はMieによって理
論的に計算されている。レーザー光の波長の1/10より小
さい粒子からの散乱光強度は、粒子径の５〜６乗に比例
することが知られている。したがって、粒子径が小さく
なるにつれて、その粒子からの散乱光強度が微弱になる
ので、このような微弱光を検出するためにはS/Nのよい
光検出装置を用いなければならない。微弱光検出に有効
な手段として知られている方法に単一光子計数法があ
る。

まず、このように単一光子計数法を用いた従来の装置
を第５図を用いて説明する。第５図において、レーザー
光源１から放出されたレーザー光は、レンズ２によって
測定セル３中の測定領域４に集光される。測定領域４内
を粒子が通過すると、粒子はレザー光を散乱する。粒子
によって散乱させられた光をレンズ５で集光し、スリッ
ト６に結像させる。スリット６を通過した粒子からの散
乱光は光電子増倍管７に到達し、電気信号に変換され、
光電子パルスとして出力される。前置増幅器８によって
増幅された電気信号は、波高弁別器９とパルス波形整形
回路10でデジタル信号に変換され、パルス計数回路11で
デジタル信号をカウントし、メモリー回路12に時系列的
に記憶させる。そして演算装置13でメモリー回路12に記
憶されている時系列データを解析し、その散乱光強度か
ら粒子径が算出され、粒子数密度を算出していた。

［発明が解決しようとする課題］ 単一光子計数法では、光電子増倍管のノイズの原因と
なる暗電流や増倍率のゆらぎを除去することができるの
で、普通のアナログ法と比較するとS/Nを３〜５倍向上
させることができる。単一光子計数法による光強度の測
定は、単位時間当りの光電子パルスの数をカウントする
ことによって行なうことができる。しかし、単位時間に
カウントできる光電子パルスの数にも限界がある。この
原因は、光電子パルスの時間幅と、光子計数回路を構成
する電気系の周波数特性によるものである。光電子増倍
管の光電面に光が当たると、光電効果によって光電面か
ら電子が飛び出す。光電面から飛び出した電子は光電子
増倍管の内部で順次増倍され、光電面から飛び出した電
子１個当り、10の６乗個程度に増倍される。光電子増倍
管で電子が増倍されていく過程の中で、電子の走行距離
にばらつきが生じるため、光電面から飛び出した電子１
個に対する出力パルスが時間幅を持つようになる。

この時間幅は通常、サイドオン型の光電子増倍管では
2ns程度である。したがって、光電面から電子が2nsより
短い時間間隔で飛び出した場合、光電子増倍管から出力
された光電子パルスは重なり合ってしまい、もはや単一
光子計数はできなくなってしまう。また、たとえ光電子
パルスの時間幅より長い時間間隔で光電面から電子が飛
び出したとしても、単一光子計数回路を構成する電気系
の周波数特性によっても単位時間当りのカウント数の上
限が決ってしまう。

このように単一光子計数法を用いるとアナログ法に比
較してS/N比を３〜５倍向上させることができるので、
より微小な粒子を測定することができるが、単一光子計
数法では光電子パルスの時間幅や光子計数回路を構成す
る素子の周波数特性によってダイナミックレンジが制限
され、これまでの装置では計数率は10の８乗カウント／
秒程度が限界であり、大きな粒子からの強い散乱光の強
度を正確に求めることができなかった。

又、Mieの散乱理論によれば、薬液中の粒子からの散
乱光強度は薬液の屈折率にも依存することが知られてい
る。粒子を含んだ薬液等の流体（溶媒）の種類ごとに屈
折率が異なれば、粒子径や屈折率が同じ粒子径であって
も、粒子からの散乱光強度は流体ごとに異なる。従っ
て、粒径の判定には、測定すべき粒子を含んだ流体の屈
折率も考慮しなければならない。

従って、本発明は、このような従来の問題点を解決す
るためになされたもので、粒子の大きさやその粒子を含
んだ薬液等の流体の屈折率に関係なく精度よく流体中の
粒子の特性を測定することが可能な流体中の粒子計測方
法及びその装置を提供することをその課題とする。

［課題を解決するための手段］ 以上の問題点を解決するために、本発明においては、
測定セル中を流れる粒子を含んだ流体にレーザー光を照
射し、粒子からの散乱光を受光してその錯乱光強度から
粒子径と粒度分布を求める流体中の粒子計測方法におい
て、粒子からの散乱光を検出する光電子増倍管からの信
号に従って粒子が測定値以下の微小粒子であるか否かを
判別し、光電子パルス数が所定値以下で微小粒子と判別
された場合は単一光子計数法を用いて、また所定値以下
と判別された場合はアナログ的に信号を処理して粒子径
と粒度分布を求め、前記アナログ的に信号を処理する場
合粒子を含んだ流体の屈折率に従って粒子径を判別する
しきい値を変化させる構成を採用した。

又、本発明では、測定セル中を流れる粒子を含んだ流
体にレーザー光を照射し、粒子からの散乱光を受光して
その散乱光強度から粒子径と粒度分布を求める流体中の
粒子計測装置において、粒子からの散乱光を検出する光
電子増倍管と、前記光電子増倍管からの信号に従って光
電子パルスを計数する第１の計数手段と、前記光電子増
倍管からの信号を増幅してその波高を所定しきい値と比
較する波高比較手段と、前記所定しきい値より大きな波
高値を有する信号を計数する第２の計数手段と、光電子
パルスの数が所定値以下で測定粒子が微小粒子であるか
否かを判別する手段と、前記第１あるいは第２の計数手
段からの信号から粒子径と粒度分布を演算する手段と、
流体の屈折率を入力する手段とを設け、前記演算手段
は、光電子パルス数が所定値以下で微小粒子と判別され
た場合は第１の計数手段からの信号を計数することによ
り、また所定値以上と判別された場合は第２の計数手段
からの信号を計数することにより粒子径と粒度分布を求
め、前記波高比較手段のしきい値を入力された流体の屈
折率に従って変化させる構成も採用した。

［作用］ このような構成では、粒子の散乱光強度から粒径判定
を行う際、薬液等の流体の屈折率に依存する粒子からの
散乱光強度に対して、粒径判定のためのしきい値を流体
の屈折率ごとに決定できるので、より正確な粒径判定が
できる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。

第１図には、本発明の一実施例が図示されている。同
図において第５図と同一部分には同一の参照符号を付し
その説明は省略する。

第１図では前置増幅器８で増幅された光電子増倍管７
からの信号が二つに分けられ、一方は従来の単一光子計
数法による信号処理がなされ、もう一方では散乱光が強
いときに単一光子計数が不可能な場合にアナログ法によ
る信号処理ができるように増幅器21と波高分析器22が付
加されている。前置増幅器８は光電子パルスの時間幅
（約10の−９乗秒）に対応する周波数特性が要求される
が、増幅器21は粒子がレーザービームを通過する時間幅
（約10の−３乗秒）に対応する周波数特性でよい。単一
光子計数法による信号の処理方法は従来の方法と同様で
ある。増幅器21で増幅されたレーザービームを粒子が通
過する時間幅を持つ信号は、波高分析器22で信号の波高
分析がなされ、演算装置13で粒度分布が求められる。

また、演算装置13は、パルス計数回路11からの信号に
よりカウントされた計数値が所定値以下であるか否かを
判別し、所定値以下であるときは、測定粒子が微粒子で
あると判断して、単一光子計数法を用いて粒子径と粒度
分布を演算し、また所定値以下であった場合は、波高分
析器22からの信号に基づきアナログ法を用いて粒子径と
粒度分布を演算する。

このように構成された装置の動作を以下に説明する。

レーザー光源１は、第２図（Ａ）に図示したような空
間強度分布を有するレーザー光を発光する。このレーザ
ー光は、測定セル３の測定領域４を流れる粒子を照射す
る。このレーザー光の空間強度分布は、TEM00モードで
はガウス分布となっている。このようなレーザービーム
をある速度をもった粒子が通過すると、その粒子からの
散乱光強度の時間的な包絡線はレーザー光の空間強度分
布を反映したものとなる。

第２図（Ｂ）は微小な粒子がレーザー光を通過したと
きの光電子増倍管７からの出力信号の時間変化を示す。
微小な粒子からの散乱光は微弱であるため、光電子パル
スは離散的となり、重なりは生じていない。第２図
（Ｃ）は、波高弁別器９により第２図（Ｂ）において破
線で表されるレベルより大きい信号をデジタル信号とし
たものである。破線のレベルより小さい暗電流成分が除
去されているとともに、光電子増倍管の増倍率のゆらぎ
もデジタル化によって除去できる。このように波高弁別
されたパルスをパルス計数回路11で計数し、メモリー回
路12に時系列的に測定データを格納する。

第２図（Ｄ）は大きな粒子がレーザー光を通過したと
きの光電子増倍管７からの出力信号の時間変化を示す。
大きな粒子がレーザー光を通過したときは、粒子からの
散乱光が強くなるため、特にレーザー光の中心部を通過
した場合に光電子パルスの重なり合いが生じてしまう。
このような光電子パルスは、パルス計数回路11による計
数値が大きくなるので、演算装置13では、パルス計数回
路11によるパルス計数値が所定値以下であるか否かを判
別する。演算装置13は、測定粒子が微小粒子でありパル
ス計数値が所定値以下になっていると判断した場合は、
メモリー回路12に格納されているデータをもとに単一光
子計数法を用いて粒子径と粒度分布を演算する。

一方、パルス計数回路11による計数値が所定値以上の
ときは、第２図（Ｄ）に示したように測定粒子が大きい
場合であるので、波高分析器22からの信号をもとにアナ
ログ法により所定の演算式を用いて粒子径と粒度分布を
求める。すなわち、演算装置13は、粒子径に応じて種々
なしきい値を有した比較回路を内蔵しており、これらの
しきい値より大きな波高値を有する信号を計数すること
によりその粒子径を有した粒子を求めて粒度分布を求め
る。

上述した実施例では、演算装置により光電子パルスの
計数値が所定値以下であるか否かの判別を行なっている
が、演算装置とことなる独自の判別回路を設けて行なう
ようにしてもいよい。

上述したように、Mieの散乱理論によれば、薬液等の
流体（溶媒）中の粒子からの散乱光強度は流体の屈折率
にも依存するので、流体の種類ごとに屈折率が異なれ
ば、粒子径や屈折率が同じ粒子径であっても、粒子から
の散乱光強度は流体ごとに異なる。従って、粒径判定の
ためのしきい値が固定されていると粒径判定に誤差を生
じることになる。

これを解決するための実施例が第３図に図示されてい
る。

単一光子計数法による信号処理のための装置は第１図
と同一であり、その説明は省略する。一方、アナログ法
による信号処理に於ては、増幅器21までは第１図と同一
であるが、第１図における波高分析器22が波高比較器23
に置きかえられているとともに、第１図の回路のほかに
粒子計数回路24、しきい値電圧設定回路25、屈折率入力
装置26が付加されている。第１図の実施例では、波高比
較器23、粒子計数回路24は、演算装置13内に設けられて
いたが、第３図の実施例では、これらの回路は演算装置
13の外部に設けられている。

屈折率入力装置26に薬液等の流体の屈折率が入力され
ると、演算装置13によって流体の屈折率が読みとられ、
その流体の屈折率に対する粒子の散乱光強度が計算され
る。そして、その散乱光強度比をもとに演算装置13から
しきい値電圧設定回路25にデータが送られ、しきい値電
圧設定回路25のしきい値電圧を設定する。しきい値電圧
設定回路25から波高比較器23に送られるしきい値電圧
と、増幅器21から波高比較器23に送られる散乱光強度か
ら、散乱光の強度が粒子からの散乱光であると認識され
た場合には、波高比較器23から粒子計数回路24に信号が
送られ、粒子数をカウントし、演算装置13によって粒子
数を読みとり、粒度分布を計測する。

第４図に本実施例を実現するための回路の一例を示
す。

IC1は光電子増倍管からの信号を増幅するための前置
増幅器８であり、IC2は光子計数法による信号処理のた
めの波高弁別器９であり、デジタル信号としてIC3に送
られる。IC3はデジタルカウンタ（第１図のパルス計数
回路11に対応）であり、そのカウント値は演算装置13に
読みこまれる。IC4（増幅器21に対応）はIC1で増幅され
た信号を再度増幅し、その信号を波高比較のためのIC5
（波高比較器23）に送っている。

屈折率入力装置26に薬液等の流体の屈折率が入力され
ると、その屈折率を演算装置13で読みとり、演算装置13
からしきい値電圧に関するデジタルデータをIC7に送
る。IC7はD/Aコンバータであり、通常D/Aコンバータの
出力は電流出力であるため、IC8によって電流電圧変換
を行い、その出力はしきい値電圧としてIC5に送られ
る。IC4からの信号がIC5によって粒子からの散乱光に関
する信号であると認識されると、IC5からデジタル信号
が出力され、デジタルカウンタであるIC6（粒子計数回
路24）によって粒子数がカウントされ、そのカウント値
を演算装置13で読みとり粒度分布を求める構成となって
いる。

本実施例では、波高比較器が１個の場合について説明
したが、波高比較器を複数用いて、複数の粒径判定のた
めのしきい値を設定できることは言うまでもない。

［発明の効果］ 以上切径したように、本発明では、粒子の散乱光強度
から粒径判定を行う際、流体の屈折率に依存する粒子か
らの散乱光強度に対して、粒径判定のためのしきい値を
流体の屈折率ごとに決定できるので、より正確な粒径判
定ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明装置の一実施例の構成を示すブロック
図、第２図（Ａ）〜（Ｄ）図は、第１図装置の動作を説
明する信号波形図、第３図は、本発明装置の他の実施例
の構成を示すブロック図、第４図は、第３図の回路のさ
らに詳細な回路図、第５図は、従来装置の構成を示すブ
ロック図である。 ３…測定セル ４…測定領域 ７…光電子増倍管 11…パルス計数回路 13…演算装置 23…波高比較器 26…屈折率入力装置

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定セル中を流れる粒子を含んだ流体にレ
   ーザー光を照射し、粒子からの散乱光を受光してその散
   乱光強度から粒子径と粒度分布を求める流体中の粒子計
   測方法において、 粒子からの散乱光を検出する光電子増倍管からの信号に
   従って粒子が所定値以下の微小粒子であるか否かを判別
   し、 光電子パルス数が所定値以下で微小粒子と判別された場
   合は単一光子計数法を用いて、また所定値以上と判別さ
   れた場合はアナログ的に信号を処理して粒子径と粒度分
   布を求め、 前記アナログ的に信号を処理する場合粒子を含んだ流体
   の屈折率に従って粒子径を判別するしきい値を変化させ
   ることを特徴とする流体中の粒子計測方法。
2. 【請求項２】測定セル中を流れる粒子を含んだ流体にレ
   ーザー光を照射し、粒子からの散乱光を受光してその散
   乱光強度から粒子径と粒度分布を求める流体中の粒子計
   測装置において、 粒子からの散乱光を検出する光電子増倍管と、 前記光電子増倍管からの信号に従って光電子パルスを計
   数する第１の計数手段と、 前記光電子増倍管からの信号を増幅してその波高を所定
   しきい値と比較する波高比較手段と、 前記所定しきい値より大きな波高値を有する信号を計数
   する第２の計数手段と、 光電子パルスの数が所定値以下で測定粒子が微小粒子で
   あるか否かを判別する手段と、 前記第１あるいは第２の計数手段からの信号から粒子径
   と粒度分布を演算する手段と、 流体の屈折率を入力する手段とを設け、 前記演算手段は、光電子パルス数が所定値以下で微小粒
   子と判別された場合は第１の計数手段からの信号を計数
   することにより、また所定値以上と判別された場合は第
   ２の計数手段からの信号を計数することにより粒子径と
   粒度分布を求め、 前記波高比較手段のしきい値を入力された流体の屈折率
   に従って変化させることを特徴とする流体中の粒子計測
   装置。
3. 【請求項３】しきい値の異なる複数の波高比較手段を設
   けるようにしたことを特徴とする請求項第２項に記載の
   流体中の粒子計測装置。