高分辨率表面粒子检测器的制作方法

相关申请

本申请要求2017年6月20日提出的美国临时申请第62/522,611号和2018年6月5日提出的美国专利申请第16/000,499号的权益。

本发明总体上涉及粒子计数，用于洁净室应用，并且更特别地涉及改进装置，用于将粒子从表面移动离开并且到粒子计数器中，为了确定小粒子的污染水平的目的。

背景技术：

污染检测和定量要求已变得越来越重要，特别是随着高科技行业的迅速进展。例如，半导体行业已开发了用于精确生产微电子装置的技术。为了可靠地生产此类产品，必须在生产设施中维持高度严格的污染标准。

为了在生产过程的关键阶段中控制和最小化污染，通常使用“洁净室”。洁净室是其中指定和调节空气过滤、空气分布、公用设施、构造材料、装备和操作过程的室，以控制气载粒子浓度满足适当气载微粒清洁度分类。

重要的是监测洁净室中的清洁度/污染水平，尤其是对于检测洁净室表面上的粒子。视觉检查技术已与紫外或斜射白光使用。采用紫外光，以利用某些有机粒子产生荧光的优点。可选地，白光以一定角度照射朝向测试表面，从而产生可被可视化的反射。虽然白光技术比紫外技术稍微更灵敏，但是其两者受到相同限制。这些视觉检查技术仅允许表面状况的粗略检查。其不提供定量数据。而且，视觉检查技术最多仅检测大于20微米的粒子。通常期望检测小于1微米的粒子。

另一检查技术涉及例如通过向测试表面施加一条胶带而从测试表面移除粒子。而后通过将胶带放置在显微镜下并且视觉计数粒子而手动定量胶带上的粒子。此技术允许约5微米或更大的粒子的检测。此技术的主要缺点在于，其非常耗时，并且对于操作员之间的可变性高度敏感。

在美国专利第5,253,538号中公开了第三检查技术。'538专利公开了包括扫描仪探针的装置，所述扫描仪探针具有至少一个开口，用于从样品表面接收粒子。扫描仪探针连接到具有第一和第二端部的管。管的第一端部连接到扫描仪探针，并且管的第二端部连接到采用光学激光技术的粒子计数器。粒子计数器包括真空发生器，所述真空发生器导致空气从样品表面流动通过扫描仪探针，通过管，并且到粒子计数器中，其中，空气流中包括的粒子被计数。'538专利公开了涉及使用粒子计数装置的检查方法。通过使扫描仪探针保持在洁净室供应空气附近并且进行重复读数，或通过将可选零-计数过滤器安装在粒子计数器中，首先建立了为零的背景粒子水平。接下来，在预先确定的测试周期内使手持式扫描仪探针以恒定速率穿越样品表面。通过推动位于扫描仪探针上的运行开关，开始测试循环。粒子计数器计数并且读取出对应于每单位面积的平均粒子数的数字。所述过程通常沿着相邻表面区域重复若干次，每次产生“测试读数”。

‘538专利中公开的技术的改进是美国专利第7,010,991号中公开的改进，所述美国专利第7,010,991号为了所有目的通过引用并入本文。’991专利描述了用于计数样品表面上的粒子的装置。所述装置包括：扫描仪探针，具有至少一个开口，用于从样品表面接收粒子；粒子计数器，用于计数穿过其的粒子；管道，具有连接到扫描仪探针的第一端部和连接到粒子计数器的第二端部，其中，所述管道包括第一和第二管、传感器和控制器。粒子计数器包括泵，用于产生空气流，所述空气流从扫描仪探针开口流动通过第一管，通过粒子计数器，并且经由第二管返回到扫描仪探针，用于将粒子载运到粒子计数器，用于定量。传感器测量空气流的流率。控制器响应于空气流的所测量流率而控制泵的速度，以在粒子计数器定量空气流中的粒子时将空气流维持在恒定流率。

’991专利进一步描述了装置，所述装置包括：扫描仪探针，具有至少一个开口，用于从样品表面接收粒子；管道，具有连接到扫描仪探针的第一端部和终止在第一连接器中的第二端部，其中，所述管道包括第一和第二管、粒子计数器、电子标记和控制器。粒子计数器计数穿过其的粒子，并且包括用于接收第一连接器的端口和用于产生空气流的泵，所述空气流从扫描仪探针开口流动通过第一管，通过粒子计数器，并且经由第二管返回到扫描仪探针，用于将粒子载运到粒子计数器，用于定量。电子标记被设置在第一连接器、管道和扫描仪探针中的至少一个中，用于标识扫描仪探针的至少一个特征。控制器经由端口和第一连接器检测电子标记，并且响应于所检测的电子标记而控制粒子计数器。

’991专利进一步描述了装置，所述装置包括：扫描仪探针，具有至少一个开口，用于从样品表面接收粒子；粒子计数器，用于分析穿过其的粒子；以及管道，具有连接到扫描仪探针的第一端部和连接到粒子计数器的第二端部。管道包括第一和第二管。粒子计数器包括泵，用于产生空气流，所述空气流从扫描仪探针开口流动通过第一管，通过粒子计数器，并且经由第二管返回到扫描仪探针，用于将粒子载运到粒子计数器。粒子计数器还包括：粒子检测器，用于计数来自扫描仪探针的空气流中的粒子；过滤器滤筒端口，空气流在穿过粒子检测器之后流动通过所述过滤器滤筒端口；以及过滤器滤筒，可移除地连接到过滤器滤筒端口，用于在由粒子检测器计数之后捕获空气流中的粒子。

利用上文相对于’991专利描述的粒子计数装置配置，已知的是，使用光学传感器作为粒子计数器。光学传感器采用光学激光技术，所述光学激光技术能够从扫描仪探针接收整个空气流动，并且对于具有在300nm至10000nm或甚至更大的尺寸范围中的尺寸的粒子检测/计数该空气流动中的粒子。然而，随着半导体行业继续缩小所生产产品中的关键尺寸，也需要检测具有小于300nm的尺寸的粒子。

技术实现要素：

上述问题和需要通过用于计数样品表面上的粒子的装置解决，所述装置包括：扫描仪探针，具有用于从样品表面接收粒子的第一开口以及一个或多个第二开口；一个或多个泵，用于产生从第一开口流动的第一空气流和流动到一个或多个第二开口的第二空气流；流动装置，用于将所述第一空气流分成第三空气流和第四空气流；第一粒子检测器，用于接收和检测第三空气流中的粒子，其中，第一粒子检测器能够检测第一粒子尺寸范围内的粒子；第二粒子检测器，用于接收和检测第四空气流中的粒子，其中，第二粒子检测器能够检测不同于第一粒子尺寸范围的第二粒子尺寸范围内的粒子；以及控制电路系统，用于控制流动装置和一个或多个泵，以提供第三空气流的第一流率和第四空气流的第二流率，其中，第一流率小于第二流率。

用于计数样品表面上的粒子的装置包括：扫描仪探针，具有用于从样品表面接收粒子的第一开口以及一个或多个第二开口；一个或多个泵，用于产生从第一开口流动的第一空气流和流动到一个或多个第二开口的第二空气流；流动装置，用于将第一空气流分成第三空气流和第四空气流；粒子检测器，用于接收和检测第三空气流中的粒子；以及控制电路系统，用于控制流动装置和一个或多个泵，以提供第三空气流的第一流率和第四空气流的第二流率。

通过查阅说明书、权利要求和附图，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。

附图说明

图1是示出粒子检测器系统的第一实施例的部件的图示。

图2a是扫描仪探针的顶部透视图。

图2b是扫描仪探针的底部透视图。

图3是示出粒子检测器系统的第二实施例的部件的图示。

图4是示出粒子检测器系统的第三实施例的部件的图示。

图5是示出粒子检测器系统的第四实施例的部件的图示。

具体实施方式

随着技术行业（例如，半导体逻辑和存储器、显示器、磁盘驱动器以及其它）移动到越来越小的几何形状，理解和控制产品在制造期间所暴露到的表面上的粒子水平对于其制造过程的成功和产量变得至关重要。当前制造发生在14nm节点处，其中，继续进展到更小的几何形状。本发明提供在10nm和以上水平处的表面粒子数据，这比仅实现100nm和以上灵敏度的常规表面粒子检测系统优越。

本发明是对于先前描述的扫描仪探针装置的改进。粒子检测器系统2包括主单元10，所述主单元10具有壳体12，所述壳体12分别由供应和返回管16和18连接到扫描仪探针14，如图1中显示的。优选地，供应/返回管16/18可移除地连接到探针14和/或主单元10的探针接口20。系统的探针14保持在所测试表面4上或附近，其中，由供应管16提供的供应空气逐出并且流体化表面上的粒子。返回管18中的真空将包括流体化粒子的样品空气输送到主单元10，用于计数粒子。

如图1中显示的，在主单元10的壳体12内部，主泵22以恒定速率（例如，1.1立方英尺/分钟–cfm）提供供应空气源。供应空气流行进通过过滤器24，通过探针接口20，通过供应管16，并且到探针14。探针14将供应空气引导到测试表面4上，以逐出并且悬浮测试表面上的粒子。下文更详细地描述了扫描仪探针14、其互连以及其自动检测。来自所测试表面的空气（即，包括逐出粒子的样品空气流）被吸入通过返回管18，通过探针接口20并且到流动装置26。样品空气流优选地包括与供应空气流相同的流率(1.1cfm)。

流动装置26是主动分流器，所述主动分流器将样品空气流分别分成具有固定空气流率的空气流28和30。空气流28具有相对低的空气流率（例如，0.1cfm），并且被引导到高分辨率检测器32。空气流30具有相对高的空气流率（例如，1.0cfm），并且被引导到低分辨率检测器34。流动装置26在控制器36中的控制电路系统的控制下操作，以维持空气流28/30之间的适当分流比。

高分辨率检测器32优选地包括流动传感器38，所述流动传感器38测量通过检测器32的空气流28的流率，并且将其输出信号提供到控制器36。应注意的是，在附图中，电线连接总体上被显示为虚线，并且使空气流动定路线的管线总体上被显示为实线，其中，箭头指示气流方向。离开流动传感器38的空气流穿过检测器40，所述检测器40检测和测量空气流中的粒子数目。优选地，检测器32包括泵42，以帮助空气流流动通过检测器40。泵42在控制器36的控制下操作，以维持空气流的适当流率。离开泵42的空气流穿过可选过滤器44，并且而后通过输出端口46从单元排出。

检测器40的一个示例是冷凝粒子计数器(cpc)，所述冷凝粒子计数器包括特殊流体和激光光学传感器。特殊液体（其可基于水或酒精）被汽化和冷凝在空气流中的任何粒子上，这使粒子“生长”到可利用激光光学技术计数的尺寸（即，冷凝到粒子上的汽化流体粒子的组合使得组合足够大，以使用激光光学传感器检测）。检测器40能够检测/测量具有10nm至1000nm的尺寸的粒子。由于其更高分辨率测量技术，其可仅处理低速率的空气流动（例如，0.1cfm）。高分辨率检测器32的输出信号被提供到控制器36。

低分辨率检测器34是检测/测量空气流30中的粒子数目的常规光学检测器。低分辨率检测器34优选地是基于常规光学激光的检测器，并且能够检测/测量具有小至300nm和大至10000nm或更大的尺寸的粒子。此更低分辨率测量技术可处理更高速率的空气流动（例如，1.0cfm）。低分辨率检测器34的输出信号被提供到控制器36。

离开低分辨率检测器34的空气流30被提供到流动装置48，所述流动装置48将来自空气源50（例如，空气输入端口）的空气流动（例如，0.1cfm）添加到空气流（以将空气流中的空气流动增加返回到来自探针14的供应空气蒸汽的原始流率–以补偿空气流转向到检测器32的部分）。可使用流动传感器52，以测量、控制和验证在流动装置48之后空气流中的适当量的空气流动。而后空气流被提供到主泵22，其中，其被驱动返回通过过滤器24（其从所述空气流移除所有粒子），并且经由供应管16返回到探针14作为供应空气，以逐出附加粒子，用于提取、检测和测量。

控制器36主动操作流动装置26和48以及泵22和42，以维持通过高和低分辨率检测器32和34的期望流率。在已知通过每个检测器的相对流率以及由每个检测器检测的粒子数目的情况下，控制器36计算从探针14进入探针接口20的样品空气流中存在的粒子总数。这些计算考虑的是，来自高分辨率检测器32的粒子检测结果是来自总空气流动（其来自探针14）的相对小部分，并且来自低分辨率检测器34的粒子检测结果是来自总空气流动（其来自探针14）的相对高部分。例如，高分辨率检测器32的校正粒子计数（对于通过检测器32的流动校正）是由检测器32检测的粒子实际数目乘以总空气流动与仅通过检测器32的实际流动的比：

对于检测器32的校正粒子计数：

类似地，对于低分辨率检测器34的校正粒子计数（对于通过检测器34的流动校正）是由检测器34检测的粒子实际数目乘以总空气流动与通过检测器34的实际流动的比：

对于检测器34的校正粒子计数：

样品空气流中的对于粒子的总粒子计数是对于检测器32的校正粒子计数和对于检测器34的校正粒子计数的总和：

总粒子计数=（对于检测器32的校正粒子计数）+（对于检测器32的校正粒子计数）

通过使总校正粒子计数除以探针的面积（如果静止）或除以由探针覆盖的表面的总面积（如果移动），可计算所扫描表面的每平方面积的粒子。

不同扫描仪探针可具有不同额定流率，用于从测试表面提取粒子。用户可使用用户接口54输入探针类型，或控制器可自动检测附接到探针接口的探针的类型，如下文更详细解释的。而后，控制器36将自动驱动泵22和42以及流动装置26和48，以将理想速率的样品流动流提供到探针14，并且将期望空气流率的空气流28和30提供到两个检测器32和34，使得其在其指定空气流率内操作。而后，控制器36基于由检测器32和34的部分流粒子检测而计算样品空气流中的总粒子。例如，图1中的探针14利用1.1cfm的供应空气流动和样品空气流动操作，其中，样品空气流动由流动装置26分成为0.1cfm（对于通到检测器32的空气流28）和1.0cfm（对于通到检测器34的空气流30）的两个空气流。然而，不同的探针可具有0.8cfm的额定流率。在该情况下，控制器36将利用两者具有0.8cfm的流率的供应空气流动和样品空气流动而运行系统，其中，样品空气流动由流动装置26分成为0.1cfm（对于通到检测器32的空气流28）和0.7cfm（对于通到检测器34的空气流30）的两个空气流。因此，无论使用哪种探针，通过检测器32的空气的流率将不超过最大额定流率，但是不同探针将以其额定流率操作，并且系统将准确和自动地确定样品空气流中的粒子总数。

用户接口54可包括触摸屏，以允许用户设置系统，并且向用户提供操作和诊断数据连同粒子计数结果和其它关键信息。数据将被存储，用于通过usb、蓝牙或以太网连接下载。测量数据可以若干方式表达，例如，每探针面面积的粒子、每采样时间长度的粒子或每样品的粒子。

图2a和图2b示出了扫描仪探针14，所述扫描仪探针14包括基本平坦基座112。扫描仪基座112具有底侧114，用于与样品表面接合。扫描仪基座112垂直连接到扫描仪手柄116，所述扫描仪手柄116包括控制部段118，所述控制部段118具有用于激活粒子检测器的运行开关120和指示粒子计数正在进行的led灯148。连接在扫描仪手柄116和探针接口20之间的管道包括供应和返回管16/18以及将探针14电连接到主单元10的电气布线58。探针或其相关联电气布线（或涉及其的电连接）可包括标识探针14的类型或配置的电子标记。控制器36可检测此电子标记，以标识附接到主单元10的探针14的类型/配置，并且相应地操作系统。

探针14的基座部分112具有两个硬币形部分130和132，所述硬币形部分130和132由螺钉134紧固在一起。图2a和图2b中显示的扫描仪实施例主要被设计成用于从基本平坦表面拾取粒子。然而，还可使用被具体设计成符合非平坦样品表面的其它形状的扫描仪探针。扫描仪基座112的硬币形部分130也被称为面板，并且优选地由浸渍有限制摩擦的非微粒物质的材料制成，例如，具有特氟隆浸渍的硬质黑色阳极化铝，第3类，第2级，军用规格a8625d。扫描仪手柄116具有两个孔洞136和138，用于接收供应和返回管16/18。另一孔140被提供在手柄116中，用于从管道接收电气布线58。

扫描仪基座底侧114被设计成与样品表面接合。在此实施例中，底侧114具有孔142（即，第一开口），所述孔142大致位于基座板底侧114的中心中。孔142连接到扫描仪手柄116中的孔洞136，所述孔洞136连接到返回管18。来自样品表面的粒子被吸取通过面板孔142，为了在粒子计数器主单元10中计数粒子的目的。基座板底侧114还具有多个更小孔144（即，第二开口），所述更小孔144汇聚到扫描仪手柄孔洞138中，所述扫描仪手柄孔洞138连接到空气供应管16。空气从主单元10被供应，并且被递送通过面板孔144到样品表面上，用于逐出和流体化粒子，使得其可被吸取通过面板孔142，用于计数。面板底侧114还具有相交凹槽146，用于将所逐出粒子引导到面板孔142中。

探针14可附加地包括光源，由此脉冲光被引导在表面处，以在其共振振率处或附近激发其上的污染粒子，以由此帮助使粒子从测试表面分离。光源优选地可改变脉冲频率和入射角，并且利用在美国专利5,950,071和5,023,424中描述的光学提取机制，所述专利通过引用并入本文。

基于单个样品空气流利用具有不同分辨率和两个流率的两个检测器具有许多优点。首先，可使用高分辨率检测器32，以检测更小粒子，并且可使用低分辨率检测器34，以同时从单个样品空气流检测更大粒子。其次，控制器36可监测和控制通到两个检测器的相对流率，并且基于那些相对流率和来自检测器的检测结果而计算样品空气流中的粒子数目。第三，可使用低流动检测器（例如，检测器32），以使用显著比从测试表面提取粒子所需的流率和/或由探针提供的流率更低的流率而检测小粒子。

图3示出了第一可选实施例。这些装置的效率可被分类为从样品表面提取并且由装置捕获/计数的粒子数目除以样品表面上的粒子总数。为了提取粒子，由扫描仪探针形成的跨越样品表面的空气流动必须足以克服粒子和样品表面之间的粘附力。然而，常规扫描仪探针的一个已知问题在于，随着气流速率增加，以试图更好地克服更多粒子的粘附力，更多所逐出粒子可从扫描仪探针被吹送离开，在所述情况下，其从不由装置捕获和计数。此问题被称为粒子喷射，其中，由扫描仪探针逐出的粒子从扫描仪探针下方的区域喷射，其中，粒子不可被捕获和检测。因此，仅增加到扫描仪探针中的气流的速度可由于粒子喷射而导致更低效率，并且因此，不可简单地通过增加气流的速度而完全最大化扫描仪探针效率。

已由本发明人发现的是，调制供应空气的空气流率导致更大峰值空气速度，以逐出更多粒子，但是还导致通过从扫描仪探针吹送出和吹送离开而失去的更少粒子（即，更低粒子喷射）。还已发现的是，空气流动调制的频率影响系统的效率。频率被优选地选择成最大化对于粒子位移的表面剪切力，以避免（优选地超过）扫描仪探针面的固有共振频率，以避免由扫描仪探针面产生粒子，并且通过使粒子从表面共振（即，使用在粒子的固有频率附近或固有频率处的空气流动频率），以最大化从所探测表面的粒子逐出（也被称为“再悬浮”）。

因此，图3的实施例包括调制器56，用于调制被发送到探针14的供应空气流动。具体地，虽然供应空气的平均流动为1.1cfm，但是瞬时空气流动是脉冲式的，这改进粒子效率pe（其等于被拾取并且递送到检测器的粒子除以在扫描仪探针下方的表面上的测试开始时的总粒子）。例如，如果在扫描仪探针14下方的表面4上存在有十个粒子，并且通常使用恒定流率在返回管18中将六个粒子拾取并且输送到检测器32和34，则粒子效率pe为60%。利用已调制供应空气流动，在十个粒子在探针14下方的情况下，粒子喷射被最小化，这意味着两个附加粒子被捕获，而不是喷射，并且两个更多附加粒子被逐出和捕获，而不是保持在所探测表面上，因此将粒子效率pe增加到十分之九个粒子或90%。调制空气流动实现了减小的喷射和增加的能量两者，以破坏对于某些粒子的粘附力，所述粒子在恒定空气流动的情况下将不克服其粘附力。通过增加可增加空气动力阻力的空气剪切力（这通过使粒子接近于其共振频率振动而激发粒子移动），和/或增加粒子上方的空气流动的湍流，以增加再悬浮的机会或可能性，完成了增加的能量。因此，通过调制流动到扫描仪探针并且因此跨越扫描仪探针的空气，以使粒子共振或扰动粒子，并且克服表面上的粒子的粘附力，使得其可被移除，改进了粒子效率。

调制器56可包括以下配置中的任何：

a)临时罐，空气被泵送到所述临时罐中，并且而后被释放，以增加峰值空气流动，并且克服表面上的粒子的粘附力，使得其可被移除。

b)压电调制器，以调制空气流动。调制频率被优选地设置成避免探针共振和谐波，使得扫描仪探针不在表面上振动，和/或利用探针主体和受测表面之间的垫圈（或o形圈）抑制探针振荡。

c)阀，以调制空气，以增加空气剪切和调制。

控制器36可横扫调制频率（例如，从某一低频率到更高频率），以解决大粒子尺寸和材料阵列（即，用于逐出具有不同共振频率和/或粘附力的粒子）。上文讨论的电子标记优选地中继关于附接哪种探针的信息，使得控制器知道所附接和用于表面扫描的特定附接探针的共振频率。

应注意的是，跨越所扫描表面的空气流动调制不仅需要通过改变到扫描仪探针的供应空气流动的幅度而实现，而且还可进一步通过改变样品空气流动的幅度（即，调制来自扫描仪探针和通过返回管18的真空吸入空气）而实现。例如，这可通过将调制器放置在接口20和流动装置26之间的线路上而完成。调制真空的幅度可由自身实现，或与被供应到探针的空气的调制结合而实现。如果空气流动和真空两者被调制，则其可与彼此同相或与彼此异相地被调制，以最大化pe。

图4示出了另一可选实施例，所述实施例与图1的实施例相同，除了低分辨率检测器34被省略。1.0cfm空气流被直接提供到流动装置48。此配置对于其中仅需要检测在检测器32的尺寸范围内的粒子并且其中检测器32的最大流率小于探针14的操作流率的应用是理想的。通过提供绕过检测器32的已知流率的空气流，低流动检测器和高流动探针可一起使用。

图5示出了又一可选实施例，所述实施例与图4的实施例相同，但是添加了上文相对于图3的实施例描述的调制器56。

应理解的是，本发明不限于上文描述和本文示出的（多个）实施例，而是包括落入任何权利要求的范围内的任何和所有变型。例如，本文对于本发明的参考不旨在限制任何权利要求或权利要求项的范围，而是相反地仅参考可由一个或多个权利要求涵盖的一个或多个特征。上文描述的材料、过程和数值示例仅是示例性的，并且不应被视为限制权利要求。虽然调制器56被显示在壳体12内部，但是可选地其可被提供在壳体外部（例如，沿着供应管16，在探针14内部，沿着返回管18等等）。