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Tech
Notes
技術專文

NTA) (布朗運動)、及成像技術，
圖1、液體光學粒子計數器原理 [5] 圖2、冷凝粒子計數器原理 [7]
例如掃描電子顯微鏡(sca nni ng
electron microscopy, SEM)等。本
Laser diode Vacuum Fitting for Pressure
文將針對這些主要技術之理論及應 Laser diode driver Pump Optional External Across Ori ce ∆P
用限制進行探討與回顧，並從中分 Pump
Cylindrical lens
析未來可行的設計參考。
Variable Critical Ori ce
Ori ce 0.3 L/min
Collecting lenses (adjusts Light Stop and Heated
Exhaust bypass/ Reference Optics
Collimeter Filter make-up Photodetector 40˚C
air ow Focusing Collecting ∆P Pressure
文獻探討 Laser light Charcoal Lens Lenses Across Nozzle
Exhaust
Filter
Photo-detector Cooled
Laser
Pump
液體光學粒子計數 Flow-cell Exhaust Diode Condenser
10˚C
(Liquid Optical Particle 1.5 L/min To owmeter Photodetector Aerosol Flow
Capillary
Counters, LPC) Sample ow Flow-cell and pump Condenser Tube 0.05 L/min
Liquid-soaked Wick Heated Saturator
商用LPC 最早之偵測極限為5 0 39˚C
nm，當前UPW系統經常採用 [4] ， Sheath Flow ∆P Pressure
近兩年偵測極限可至20nm。儘管 0.25 L/min Across Capillary
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此機型有相當長的使用時間，廣泛 64倍(2 )的散射強度始能與50nm 粒物，針對此點，本法基本的出發
安裝於各行各業，也有SEMI量測規 粒子的檢測精度相當。當然，可以 點即是將原本無法被光學法偵測到 Variable
Ori ce
(adjusts
Sheath
範之專章認可，然而量測濃度需至 靠檢測波長來做一些彌補，只是效 的粒子變大，只要大到足以讓光學 sheath air) Liquid HEPA Filter Filter
50,000#/mL以上時始有可判別訊 果有限。當使用波長由紅光(波長 儀器來檢測到即可，偵測到的訊 Reservoir Water Ambient
號，明顯無法援用於UPW系統。礙 620~750nm)替換成綠光後(波長 號，再依成核發展理論去反推原本 Make-up Removal Pressure
Air Filter
Pump
於市面上無更高性能之即時量測儀 495~570nm)，僅能支援2.8倍(目 的粒子大小，就可獲得量測值，故 P
器，使用者也只能接受如此有裝機 前最先進機型)，替換成紫光後(波 此法屬於間接測量的方式，非直接 Make-up Air 3-way Valve Bypass Flow Sample Inlet Drain
0 (low) or
0.3 (low) or
1.2 (low) or
(controls
與沒裝機相同的虛設狀態 圖1 。(報 長380~450nm)最多支援7.4倍。 量測。 0 (high) L/min inlet ow) Bypass 1.2 (high) L/min 1.5 (high) L/min Bottle
Filter
表通常是一條橫線躺平，看起來系 若檢測粒子為10nm時，則需提供 讓粒子變大有很多種方法可選擇，
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統是沒問題，其實根本無法反應真 15625倍(5 )的散射強度。此情形 此法一般使用冷凝成核法，工作流
實的UPW狀態) 已經不是由改變檢測光的波長所能 體選擇正丁醇，將待測物進行汽霧
勉強。此一物理上的天然鴻溝無法 化處理後，使其流經過飽和之正丁 (S/N ratio)，即可對應至不同的顆
SEMI量測規範為廠商自行擬訂後送 圖3、聲學粒子計數器原理 [10]
跨越，要檢測到攸關製程命脈的微 醇，若待測物中含有顆粒，此類顆 粒尺寸。當時的量測能力為5微米
審提出，只要邏輯沒有問題，一般 [8]
細粒子則是難如登天。 粒即會成為成核中心，正丁醇即會 。時至今日，亦有援引此原理應
都會為大會接受。使用者於援引使 1Liter per 3/8” Flaretek [9]
包覆其上 圖2。 minute PFA 用至超純水顆粒之量測 ，Intel委
用SEMI規範時，一定要清楚應用領 雷利散射方程式(Rayleigh scat-
No Echo Yet Te on test cell 託美國大學教授開發，目前可量
[6]
域之適用性，切莫先入為主認為有 tering equation) ： 此法最大的缺點是會把非揮發殘餘
SEMI專章認可，即代表都沒問題。 物(Non-volatile Residuals)也當作是 測至20nm，濃度最小可至100#/
此案廠商所自行提報審查之測試濃 顆粒來計算，故測值往往會過大。 Microcavitation 3/8” Flaretek mL，量測一筆數值約需5~15分
PFA
鐘，尚未到即時量測。國內已有代
度非常高，為每毫升百萬顆等級， I：輻射強度；I o ：散射輻射強度； 以廠區超純水為例，20nm之粒子
於此高濃液體中，此機型確有約 R：至粒子距離；θ：散射角度； 濃度以此法施測約為1,000,000#/ 理商銷售此法所開發之產品，因量
0.3%之偵測率。然而文件中卻未 λ：波長；n：折射率；d：粒子直 mL。 drain at close to 測濃度尚未至超純水等級，故未引
Particles moving with jet of owing atmospheric 進測試。
說明吾人最為關注的UPW極稀薄液 徑。散射強度與入射光的波長四次 Sound wave the liquid water pressure
packet
體是否仍有此偵測率。 方成反比(式中綠色圖塊)，與粒子 聲學粒子計數(acoustic particle 圖3顯示當顆粒進入突擴區後產生
直徑的六次方成正比(式中紅色圖 微穴蝕，並且生成聲音脈衝，此時
廠商避重就輕的主因為儀器援引公 counter, APC) Particle detected as return echo
塊)。 尚未產生回音。下圖顯示此聲音脈
式之物理極限所致。此儀器使用雷 此法最早可追溯至1960年代使用
衝將向微穴蝕發生點的上游及下游
利散射方程式(Rayleigh scattering 於大氣科學領域，當時主要量測標
側傳遞，其中上游側即為回音的訊
equation)，此方程式說明當電磁 的為過冷雲中之冰晶。當待測物顆
冷凝粒子計數 號接受側，一旦接受到回音訊號即
波被一個小圓球散射時，其強度將 粒通過感應器後，會逐漸加速到約
(Liquid Nanoparticle Sizer, 可進行對應的顆粒尺寸解析。
與波長的四次方成反比，同時與 100m/s，感應器腔體內設有一突
LNS/ condensation particle
該圓球直徑的六次方成正比，此六 擴段，當顆粒經過此突擴段時，
counters ,CPC) Echo from the
次方即為侷限此法的最主要因子。 顆粒將產生一個壓力脈衝並發出一 microcavitation 雷射誘導擊穿檢測
以50nm的粒子為例，當相同的機 由於雷利散射方程式先天的限制， 聲音。此聲音脈衝持續2到20毫秒 (laser induced breakdown
型要檢測到25nm粒子時，需提供 光學法並無法直接量測到奈米級顆 (millisecond)，根據不同的信噪比 detection, LIBD)
30 300mm FABS FACILITY JOURNAL SEPTEMBER 2018 31