專利名稱：多邊形平面多路徑元件、含此元件的系統(tǒng)及使用方法
本申請(qǐng)是分案申請(qǐng)，原申請(qǐng)的申請(qǐng)日為1996年10月9日，申請(qǐng)?zhí)枮?6112704.X，發(fā)明名稱為“多邊形平面多路徑元件、含此元件的系統(tǒng)及使用方法”。
本發(fā)明涉及應(yīng)用于吸收光譜學(xué)中的多邊形平面多路徑元件。本發(fā)明還涉及在樣品中探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，以及包括上述元件的半導(dǎo)體加工裝置。
半導(dǎo)體集成電路(IC)的制造要經(jīng)過(guò)一系列的加工處理，許多加工處理中涉及到氣態(tài)材料的使用。這些加工處理包括蝕刻，擴(kuò)散，化學(xué)汽相淀積，離子注入，濺射，以及快速熱處理。在這些加工處理中，在半導(dǎo)體基片和氣相材料之間相互接觸。作為集成電路器件的最佳性能結(jié)果，通常認(rèn)為，在接觸半導(dǎo)體基片的氣體中，所有雜質(zhì)達(dá)到十億分之幾(ppb)以及更低的水平是有必要的，以使產(chǎn)品損耗達(dá)到最小。在可能存在的雜質(zhì)中，水分是最難以消除的，它對(duì)許多半導(dǎo)體制造過(guò)程起有害的作用。
在氮、氬和氫的環(huán)境中，有幾種分析技術(shù)可以對(duì)測(cè)量水分和其它雜質(zhì)提供必需的靈敏度。其中，最值得注意的是氣壓電離質(zhì)譜測(cè)定法(APIMS)，然而，APIMS對(duì)許多活性氣體并不適宜。雖然，這種方法在SiH4中的運(yùn)用已有所闡述(見(jiàn)Y.Mitsui等人的文章，IES第40屆技術(shù)年會(huì)論文集P，246～254，芝加哥1994，IES1994)，但它難以應(yīng)用于實(shí)際。存在著一種需要，即需要有適用于各種氣體的高度靈敏的技術(shù)。傅里葉變換紅外光譜學(xué)(FT-IR)是當(dāng)前許多氣體分析實(shí)驗(yàn)室對(duì)活性氣體所選用的技術(shù)。不幸的是，F(xiàn)T-IR似乎并不能提供半導(dǎo)體制造工業(yè)所要求的1ppb的靈敏度。此外，F(xiàn)T-IR所能達(dá)到的光譜分辨率也是有限的，在有其它紅外吸收分子的情況下更難以測(cè)出雜質(zhì)。同時(shí)要設(shè)計(jì)一個(gè)十分小巧的FT-IR也是困難的。
可調(diào)二極管激光吸收光譜學(xué)(TDLAS)是一種具有較大適應(yīng)性和靈敏度技術(shù)，它廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，光譜學(xué)，化學(xué)動(dòng)力學(xué)等。TDLAS適用于小型傳感器的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗牧慵赡茏龅煤苄?。在壓力和濃度不變的情況下，當(dāng)光通過(guò)樣品的光徑長(zhǎng)度增加，則用吸收光譜學(xué)探測(cè)各種氣相分子形式的靈敏度也增加。到達(dá)探測(cè)器的光照強(qiáng)度由Beer定律給出I=I0·e-αLCP其中I0是入射光的強(qiáng)度，α是吸收率，L是經(jīng)過(guò)樣品的光經(jīng)長(zhǎng)度，C是樣品中雜質(zhì)的濃度(容積計(jì)量)，P是樣品的總壓力。對(duì)于小吸收率的情況，光被吸收的數(shù)量由下式給出I-I0=αLCP為使L增大，將光源和探測(cè)器的位置遠(yuǎn)離，但這常常是難以實(shí)現(xiàn)的。因此常采用的是“折疊”光徑，用鏡子反射使光在氣體樣品中往返多次。
White100的元件是最熟知的折疊光徑元件的設(shè)計(jì)，如

圖1所示。在通常是圓柱體的氣體樣品元件中，用一個(gè)單一的曲面鏡101安裝在一端，在相對(duì)的另一端裝口一對(duì)曲面鏡102。如圖2所示的Herriott設(shè)計(jì)200是為TDLAS所常優(yōu)先采用的。這種設(shè)計(jì)，通常是在圓柱形的氣體樣品元件202中，用兩個(gè)曲面鏡201安排在相對(duì)著的兩端。此外，還存在“折疊路徑元件”，其中的光不重復(fù)地通過(guò)同一氣體空間，而是一個(gè)長(zhǎng)的單一路徑的樣品元件自己折疊起來(lái)以得到一個(gè)小型的幾何圖形，在元件中用鏡子使光繞著折疊傳輸。最后，還經(jīng)常采用簡(jiǎn)單的多路徑安排，例如，一個(gè)簡(jiǎn)易的反光鏡，它是單個(gè)的鏡子，將光返回到安裝在光源鄰近的探測(cè)器中；以及成對(duì)的平行平面鏡，使光以一個(gè)很小的角度照射到一個(gè)鏡子，并在兩個(gè)鏡子間來(lái)回反射，直到光達(dá)到一個(gè)鏡子的終端，或另一個(gè)鏡子的終端，例如美國(guó)專利號(hào)3，524，066中所述的那樣。
美國(guó)專利號(hào)5，173，749還描述了用于氣體樣品光譜測(cè)量的非平面多路徑元件。這個(gè)元件包括一個(gè)圓柱測(cè)量管，管子被分割成12個(gè)30°角的部分，每個(gè)分割部分含有一個(gè)用來(lái)反射光束的非導(dǎo)電性的鏡子。一個(gè)光束的入口和一個(gè)出口安排在元件相反的兩端。測(cè)量元件內(nèi)，光束被各分割部分所反射，當(dāng)向上通過(guò)元件入口和出口之間時(shí)，利用光束模式自動(dòng)地自己重復(fù)。
White和Herriott的多路徑元件設(shè)計(jì)很適合于分析圓柱形的樣品元件，但它們要求在垂直于光徑的兩個(gè)方向土有相等尺寸的曲面鏡，這通常是不簡(jiǎn)便的，而且制造費(fèi)用昂貴。在美國(guó)專利號(hào)5，173，749中所提出的元件設(shè)計(jì)避免了由于光束路徑從元件一端延伸到相反端而使元件高度極小化的問(wèn)題。根據(jù)這些特性，現(xiàn)有技術(shù)的元件設(shè)計(jì)不適用于許多半導(dǎo)體加工設(shè)備的設(shè)計(jì)，例如，要從作為半導(dǎo)體加工裝置一部分的真空腔中排出氣體，一個(gè)真空泵連接到真空腔以使真空腔的氣體通過(guò)一個(gè)大口徑的出口排出，當(dāng)要用多路光徑探測(cè)從真空腔中排出的氣體分子時(shí)，希望能改進(jìn)傳感器。在這種裝置中，希望能在真空腔和泵之間安裝多路徑元件，而盡可能使泵的支架的移位為最小，因此，多路徑元件在氣體流經(jīng)元件的方向上應(yīng)具有層可能小的尺寸。真空泵的移位要小的這一要求是因?yàn)槠渌O(shè)備的安裝位置一般都貼近真空泵，在不重新設(shè)計(jì)整個(gè)加工設(shè)備的情況下，只有很小的空間中能移動(dòng)泵。這種多路徑元件很適合于使用TDLAS以便得到一個(gè)小型的測(cè)量系統(tǒng)。
為了滿足半導(dǎo)體加工工業(yè)的需要以及克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種應(yīng)用于吸收光譜測(cè)定法的新元件，它不需要重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有的半導(dǎo)體加工設(shè)備就能在原位置上準(zhǔn)確地測(cè)定樣品中的氣相分子雜質(zhì)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種應(yīng)用本發(fā)明元件的吸收光譜學(xué)系統(tǒng)，用于在樣品中探測(cè)各種氣相分子形式。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種半導(dǎo)體加工裝置，它包括一個(gè)在樣品中用于探測(cè)氣相分子雜質(zhì)的吸收光譜學(xué)系統(tǒng)，至少能達(dá)到ppb級(jí)的水平。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種利用本發(fā)明元件的吸收光譜測(cè)定方法以探測(cè)氣相雜質(zhì)。
對(duì)于本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在看了說(shuō)明書(shū)附圖，以及所附的權(quán)利要求之后，將會(huì)明白本發(fā)明的其它目的和有關(guān)方面。
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供一種在吸收光譜測(cè)定法中應(yīng)用的新型的多邊形平面多路徑元件。這種元件包含一個(gè)由多個(gè)薄壁限定的樣品區(qū)。每個(gè)薄壁有一個(gè)面向樣品區(qū)的光反射表面，而且每個(gè)薄壁至少和一個(gè)其它薄壁連接，以使得在橫截面實(shí)質(zhì)上形成一個(gè)多邊形。多邊形的至少一個(gè)邊上有一個(gè)光的進(jìn)/出口，每個(gè)進(jìn)/出口含有一個(gè)光傳輸窗，窗有一個(gè)面向樣品區(qū)的表面。每個(gè)窗的配置是使得在環(huán)繞的方向上將元件封閉起來(lái)。元件有一個(gè)中心軸，它平行于薄壁的光反射表面以及每個(gè)光傳輸窗面向樣品區(qū)的表面。本發(fā)明的多邊形平面多路徑元件使得在原位置上準(zhǔn)確探測(cè)樣品中的各種氣體分子形式成為可能。
根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供一個(gè)用于在樣品中探測(cè)各種氣體分子形式的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)包括一個(gè)如上所述的多邊形平面多路徑元件，可參見(jiàn)本發(fā)明第一個(gè)方面。本發(fā)明的系統(tǒng)還包括一個(gè)光源，用以導(dǎo)引光束穿過(guò)至少一個(gè)光傳輸窗進(jìn)入元件；還包括一個(gè)主探測(cè)器，用以測(cè)量穿過(guò)至少一個(gè)傳輸窗進(jìn)入元件的光束。一個(gè)樣品氣體流以平行于元件中心軸的方向通地樣品區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，提供一個(gè)半導(dǎo)體加工裝置。這個(gè)裝置包括一個(gè)真空腔，它和用來(lái)抽空此真空腔的真空泵相連接；還包括本發(fā)明的系統(tǒng)，參見(jiàn)本發(fā)明的第二個(gè)方面。
本發(fā)明的第四個(gè)方面是一種方法，即應(yīng)用本發(fā)明的樣品元件、系統(tǒng)和加工裝置探測(cè)氣相雜質(zhì)的方法。
下面，結(jié)合給出的附圖，對(duì)優(yōu)選的實(shí)施方式作詳細(xì)描述，這將使本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)更為明顯。在圖中，同樣的元件以同樣的數(shù)碼加以標(biāo)注。在下列附圖中圖1是根據(jù)White設(shè)計(jì)的常規(guī)吸收光譜測(cè)定的元件；圖2是根據(jù)Herriott設(shè)計(jì)的常規(guī)吸收光譜測(cè)定的元件；圖3A是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式得到的多邊形平面多路徑元件，圖示是它的橫向剖面圖；圖3B是圖3A所示多形平面多路徑元件的縱向剖面圖；圖4A是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式得到的用于在樣品中探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，圖示是它的橫向剖面圖4B是圖4A所示系統(tǒng)的縱向剖面圖；圖5是半導(dǎo)體加工裝置的側(cè)面剖視圖，裝置中包括根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式得到的用于在樣品中探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)；圖6是表示二極管激光吸收作為水蒸汽壓力的函數(shù)，這是它們的曲線圖。
參看附圖，圖3A和圖3B分別是根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選多邊形平面多路徑元件300的橫向和縱向剖面圖，元件300是用于吸收光譜測(cè)定法中的。在這種實(shí)施方式中，樣品區(qū)域301是被多個(gè)薄壁302所限定的，薄壁302有面向樣品區(qū)301的光反射表面。光反射表面是經(jīng)過(guò)很好地拋光的金屬。由于希望這些表面有高度的反射性，在表面可覆蓋一層或多層反射材料，例如金，其它金屬層，或用高度反射的非導(dǎo)電的覆蓋層。此外，為了提高反射性能，使在光反射表面上形成的沉積物的有害影響減到最小，也可設(shè)置一個(gè)或多個(gè)加熱器來(lái)加熱光反射表面。
元件的每個(gè)薄壁302至少和一個(gè)其它薄壁連接，以使得在橫截面實(shí)質(zhì)上形成一個(gè)多邊形。這個(gè)多邊形最好是有規(guī)則的多邊形，而且可以有任何數(shù)目的薄壁。八邊形是一種優(yōu)先選用的多邊形幾何圖形。多邊形的至少一個(gè)邊具有光進(jìn)/出口303，從那里使一個(gè)光束進(jìn)入元件和/或離開(kāi)元件。進(jìn)/出口303包含光傳輸窗304，它具有一個(gè)面向樣品區(qū)301的表面。穿過(guò)光傳輸窗，光束射入元件的樣品區(qū)，也是穿過(guò)光傳輸窗，光束自元件射出。由此，光束能通過(guò)相同的窗或不同的窗射入或射出元件，而且，窗可以設(shè)置在元件的相同的邊上或者不同的邊上。適用于窗的光傳輸材料，對(duì)于那些本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是熟悉的。
光傳輸窗304在環(huán)繞的方向上將元件封閉起來(lái)。為在窗和元件之間形成密封，可采用諸如O形圓環(huán)305，或其它合適的結(jié)構(gòu)作為封閉的裝置。用這種方法密封元件使得有可能在低壓力下測(cè)量氣體樣品，例如在真空狀態(tài)下。在光傳輸窗304面向樣品區(qū)表面的相反表面上，還可以另加覆蓋層，用來(lái)反射光束306的一部分。如將在下面說(shuō)明的那樣，從被傳輸?shù)墓馐糠炙鸬男盘?hào)中減去被反射的光束部分所引起的信號(hào)可得到更準(zhǔn)確的吸收測(cè)量結(jié)果。在市場(chǎng)上買得到的覆蓋材料中，金屬覆蓋層是優(yōu)先選用的。元件還有一個(gè)中心軸307，它平行于薄壁的光反射表面和光傳輸窗304的面向樣品區(qū)301的表面。
每個(gè)薄壁302的光反射表面優(yōu)選為是平面，因?yàn)楸景l(fā)明的元件設(shè)計(jì)沒(méi)有象現(xiàn)有技術(shù)中的元件那樣要求用曲面鏡，所以相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，本發(fā)明元件的制造費(fèi)用是低廉的。此外，對(duì)薄壁的安排應(yīng)能使得進(jìn)入元件的光束在元件內(nèi)部保持在同一個(gè)平面上，因而在光傳播平面的平行方向和垂直方向上，元件可制造得任意的小，只需根據(jù)光束的直徑以及由窗所給以的幾何上的限制，而光束正是通過(guò)這窗進(jìn)出真空腔的。本發(fā)明的這一特性使它特別適用于現(xiàn)有的半導(dǎo)體加工裝置。
對(duì)薄壁的最佳安排是使進(jìn)入元件的光束從一個(gè)薄壁的光反射表面反射到另一個(gè)薄壁的光反射表面，這樣在光束通過(guò)進(jìn)/出口離開(kāi)元件之前，至少?gòu)拿總€(gè)薄壁上反射一次。光束在元件樣品區(qū)內(nèi)停留的時(shí)間和有效徑的長(zhǎng)度因而得到延長(zhǎng)。
在圖3B中，沿平行于元件中心軸方向上測(cè)量元件高度h，h大約在1至5cm的范圍內(nèi)。沿垂直于元件中心軸方向上測(cè)量元件直徑d，d可以稍大于真空泵的進(jìn)氣口，最好在大約5至40cm范圍內(nèi)。元件是一個(gè)敞口式設(shè)計(jì)，被薄壁和光傳輸窗所包圍的樣品區(qū)域最好能延伸到整個(gè)元件的高度。這種結(jié)構(gòu)使得樣品能沿站平行于元件中心軸方向通過(guò)元件，這使得這種元件特別適用于在半導(dǎo)體加工裝置中的原位置測(cè)量。
圖4A和4B分別描繪了本發(fā)明系統(tǒng)408的橫向和縱向剖面視圖。這個(gè)系統(tǒng)用于在樣品中以吸收光譜測(cè)定法探測(cè)各種氣相分子形式。本發(fā)明元件可用于任何吸收光譜學(xué)技術(shù)，最好是應(yīng)用于可調(diào)二極管激光吸收光譜學(xué)(TDLAS)。這個(gè)系統(tǒng)包括元件401，如上所述，可參見(jiàn)圖3A和3B。此外，系統(tǒng)還包括光源409，優(yōu)先采用的是二極管激光器，它用于引導(dǎo)一個(gè)光束406穿過(guò)光傳輸窗404進(jìn)入元件401。為了測(cè)量經(jīng)過(guò)光傳輸窗404離開(kāi)元件的光束406，系統(tǒng)408還包括一個(gè)主探測(cè)器410，它可以是一個(gè)光電二極管。
任何所關(guān)心的分子雜質(zhì)都能進(jìn)行探測(cè)，只需考慮可利用的合適的光源。例如，水蒸汽，氧化氮，一氧化碳，甲烷；或其它碳?xì)浠衔铮伎梢圆捎脺y(cè)量來(lái)自二極管激光源的光的衰減的方法而加以探測(cè)。二極管激光源發(fā)射具有雜質(zhì)波長(zhǎng)特性的光。
激光光源發(fā)射光的光譜范圍正是所關(guān)心的分子吸收最強(qiáng)的光譜范圍，這導(dǎo)致測(cè)量靈敏度的改進(jìn)。特別是，發(fā)射波長(zhǎng)大于2μm的光源是優(yōu)先選用的，因?yàn)樵S多所關(guān)心的分子雜質(zhì)在這個(gè)范圍內(nèi)有強(qiáng)的吸收光譜帶。
可采用任何合適的波長(zhǎng)可調(diào)的光源。在當(dāng)前可用的光源中，二極管激光光源是優(yōu)先選用的，因?yàn)樗歇M的譜線寬度(大約小于10-3cm-1)以及在發(fā)射波長(zhǎng)中有相對(duì)高的強(qiáng)度(大約0.1到幾毫瓦)。
二極管激光器的例子包括鉛鹽型(Pb-salt)的和砷化鎵型(GaAs)的。鉛鹽型激光器要求在低溫下工作，并發(fā)射紅外光(即波長(zhǎng)大于3μm)；而砷化鎵型二極管激光器可在接近室溫下工作，發(fā)射光接近紅外范圍(0.8～2μm)。
近來(lái)，在砷化鎵中加入Sb(或其它成對(duì)的Ⅲ-Ⅴ化合物，如AsP)的二極管激光器已有所敘述(見(jiàn)“Mid-infrared wavelengths en-hance trace gas sensing，”R.Martinelli，Laser Focus World，March1996，p.77)。這些二極管工作于-87.8℃時(shí)發(fā)射的光波長(zhǎng)大于2μm。雖然這樣低的溫度帶來(lái)不便，但比起鉛鹽激光器所要求的低溫(低于-170℃)來(lái)說(shuō)還是有利的。類似的激光器工作于4μm和12℃也已有報(bào)道(見(jiàn)Lasers and Optronics，March 1996)。上面所述的二極管激光器類型最好工作在至少-40℃的溫度。利用熱電冷卻裝置進(jìn)行溫度控制以達(dá)到上述溫度，比起利用低溫二極管系統(tǒng)來(lái)，可以減小這些光源的復(fù)雜性。為了使這些激光器的使用符合要求，在現(xiàn)有水平上改進(jìn)其光學(xué)特性是重要的。例如，單一型二極管(即，二極管在固定溫度和激勵(lì)電流下發(fā)射單一的波長(zhǎng)，在其它波長(zhǎng)下發(fā)射至少要有40dB的強(qiáng)度衰減)應(yīng)該加以利用。
在本發(fā)明中，可采用的合適光源不僅限于上述的二極管激光器，例如具有相似尺寸和可由簡(jiǎn)單的電子裝置調(diào)節(jié)的其它類型的激光器，如光纖激光器、量子級(jí)聯(lián)激光器都在預(yù)見(jiàn)之中，當(dāng)這些激光器能在市場(chǎng)上買到時(shí)，它的應(yīng)用也是可以預(yù)期的。
本系統(tǒng)還可包括至少一個(gè)第一鏡411，用于反射光束406，光束406是來(lái)自光源409穿過(guò)光傳輸窗404進(jìn)入元件401的；還可包括至少一個(gè)第二鏡415、417，它們用于反射由元件出來(lái)射向主探測(cè)器410的光束。鏡411優(yōu)先選用曲面的，為的是使光束準(zhǔn)直，因?yàn)閺亩O管激光器光源來(lái)的光是擴(kuò)散的。同樣，鏡417也優(yōu)先選用曲面的，為的是在探測(cè)器410上聚焦平行光束。在系統(tǒng)中可選擇性地提供一個(gè)第二探測(cè)器412，它也可以是一個(gè)光電二極管，用于測(cè)量從光傳輸窗404反射來(lái)的光束413的一部分；在系統(tǒng)中還可選擇性地提供一種裝置，它用于從主探測(cè)器的測(cè)量結(jié)果中減去上述這個(gè)參考信號(hào)，一種運(yùn)算放大器可用作減去這一參考信號(hào)的裝置，這種運(yùn)放的結(jié)構(gòu)在文獻(xiàn)中有所描述(例如，見(jiàn)Moore，J.H.等人的“Building ScientificApparatus”，Addison Wesley，London，1983)。
被反射的光并不能說(shuō)明在樣品區(qū)中所關(guān)心的分子吸收了什么，為此提供一個(gè)參考信號(hào)。借助于從通過(guò)元件的光的信號(hào)(它由主探測(cè)器測(cè)量)下減去參考信號(hào)，光源的變化能得以補(bǔ)償。這也考慮到在系統(tǒng)真空腔407中的分子引起對(duì)信號(hào)變化增強(qiáng)的靈敏度。雖然“雙射線”技術(shù)用于一個(gè)參考光束的扣除是為人熟知的，但通常還要求有一個(gè)專用的光束分離裝置，也即一個(gè)僅僅起分割光束作用的光學(xué)元件。根據(jù)本發(fā)明，真空腔的入口窗就能提供這種功能，不需要任何附加元件，在這個(gè)窗上，傳輸光和反射光的比率可借助于對(duì)窗采用適當(dāng)?shù)母采w層來(lái)進(jìn)行控制。
上述的新型系統(tǒng)可供在原位置上探測(cè)分子氣體雜質(zhì)之用，例如水蒸汽，關(guān)于這一點(diǎn)，圖6用圖說(shuō)明光的吸收峰值高度和水蒸汽壓力之間的函數(shù)關(guān)系。其中，光是由二極管激光器發(fā)射的，波長(zhǎng)約為1.38μm；水蒸汽壓力是在27.8℃情況下。這些數(shù)據(jù)是用二次諧波光譜學(xué)收集到的。這種技術(shù)在下列共同未決申請(qǐng)中有所討論系列號(hào)08/711，646，于同一日期申請(qǐng)，代理人案件目錄號(hào)016499-203；系列號(hào)08/711，781，于同一日期申請(qǐng)，代理人案件目錄號(hào)016499-206。
本發(fā)明的系統(tǒng)對(duì)于探測(cè)從真空腔排出的氣體中的各種分子形式有特別的適用性，在這種情況中，元件可設(shè)置在真空腔和真空泵系統(tǒng)之間。本系統(tǒng)適用于各種物質(zhì)，例如真空腔中可以包括某些活性的或非活性(惰性)的氣體種類，它們可以是等離子或非等離子狀態(tài)。適用于本發(fā)明系統(tǒng)的活性氣體的例子包括SiH4，HCl和Cl2，只要含水分的水平小于1000ppm。任何惰性氣體，例如O2，N2，Ar，以及H2都可用于本發(fā)明系統(tǒng)，當(dāng)本發(fā)明系統(tǒng)應(yīng)用于等離子環(huán)境中時(shí)，系統(tǒng)最好安裝在離開(kāi)等離子區(qū)約6英寸的地方，為的是在窗和其它元件表面所形成的沉積物能最少。
由于上面參照?qǐng)D4A和4B所描述的探測(cè)系統(tǒng)能適用于等離子或非等離子環(huán)境中，也能應(yīng)用于有惰性或活性氣體的情況下，所以本系統(tǒng)特別適合于用在半導(dǎo)體加工設(shè)備中監(jiān)測(cè)各種氣相分子形式，例如水蒸汽。半導(dǎo)體加工裝置結(jié)合探測(cè)器的采用就能實(shí)時(shí)，原地監(jiān)測(cè)氣相分子雜質(zhì)。又因?yàn)樵叨萮和直徑d(見(jiàn)圖3A，3B)能夠制造得任意的小，如前面所說(shuō)的那樣，所以元件應(yīng)用于半導(dǎo)體加工裝置將不會(huì)對(duì)裝置造成有害的影響，或者在改型時(shí)要求昂貴的更換費(fèi)用。
這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子示于圖5中。雖然在圖5中對(duì)半導(dǎo)體加工裝置的結(jié)構(gòu)只作了一般地表示，但熟練的技術(shù)人員將能理解，這個(gè)系統(tǒng)實(shí)際上能容易地適應(yīng)于任何采用真空系統(tǒng)的半導(dǎo)體加工裝置。這種裝置的例子有蝕刻，擴(kuò)散，化學(xué)氣相淀積，離子注入，濺射，快速熱處理等裝置。
圖5所示的裝置515包括真空腔516，在它內(nèi)部，半導(dǎo)體基片517放置在基片座518上。氣體入口519用于輸送一種或多種氣體進(jìn)入真空腔516，真空腔是通過(guò)腔中的排出口520來(lái)抽空的。用于抽空真空腔516的真家泵521直接地或者通過(guò)一個(gè)真空管道連接到真空腔上，一條泵排氣管道522連結(jié)到泵521，泵排氣管道522也可連接到其它的泵上，或接到所體洗滌器(圖中未示出)?？赡懿捎玫恼婵毡玫睦佑袡C(jī)械回轉(zhuǎn)和增壓泵擴(kuò)散泵，低溫抽氣泵，吸附泵，以及渦輪分子泵。用于探測(cè)氣相分子的系統(tǒng)508已在前面參照?qǐng)D4A、4B作了詳細(xì)的描述。雖然真空泵521以及探測(cè)氣相分子的系統(tǒng)508在圖中都被設(shè)置在真空腔516的下方，但對(duì)于本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，不難理解，把它們?cè)O(shè)置在其它方位也是可以的。
雖然本發(fā)明已參照特定的實(shí)施方式作了詳細(xì)描述，但對(duì)于本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，下列事實(shí)也是明顯的即在不偏離附加權(quán)利要求的范圍的情況下，可作各種變化或修改，以及等效的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1．用于吸收光譜測(cè)定法中的一種多邊形平面多路徑元件，包括一個(gè)由多個(gè)薄壁限定的樣品區(qū)，每個(gè)薄壁有一個(gè)面向樣品區(qū)的光反射表面，其中每個(gè)薄壁至少和一個(gè)其它薄壁相連接，以使得在橫截面實(shí)質(zhì)上形成一個(gè)多邊形，多邊形的至少一個(gè)邊上有一個(gè)光的進(jìn)/出口，每個(gè)進(jìn)/出口包含一個(gè)光傳輸窗，該光傳輸窗有一個(gè)面向樣品區(qū)的表面，光傳輸窗的配置是使得在環(huán)繞的方向上將元件封閉起來(lái)，元件有一中心軸，該中心軸平行于薄壁的光反射表面以及面向樣品區(qū)的每個(gè)光傳輸窗的表面。
2．按照權(quán)利要求1的多邊形平面多路徑元件，其特征在于多邊形是一規(guī)則多邊形。
3．按照權(quán)得要求2的多邊形平面多路徑元件，其特征在于規(guī)則多邊形是一八邊形。
4．按照權(quán)利要求1的多邊形平面多路徑元件，其特征在于每個(gè)薄壁的光反射表面實(shí)質(zhì)上是平面。
5．按照權(quán)利要求1的多邊形平面多路徑元件，其特征在于薄壁的安排是使得進(jìn)入元件的光束在元件內(nèi)部實(shí)質(zhì)上保持在同一個(gè)平面上。
6．按照權(quán)利要求1的多邊形平面多路徑元件，其特征在于薄壁的安排是使得進(jìn)入元件的光束從一個(gè)薄壁的光反射表面反射到另一個(gè)薄壁的光反射表面，使得在光束穿過(guò)進(jìn)/出口離開(kāi)元件以前，至少被每個(gè)薄壁反射過(guò)一次。
7．按照權(quán)利要求1的多邊形平面多路徑元件，其特征在于沿平行于元件中心軸的方向上測(cè)量元件的高度大約是在1至5cm的范圍內(nèi)。
8．按照權(quán)利要求1的多邊形平面多路徑元件，其特征在于元件的直徑大約是在5至40cm的范圍內(nèi)。
9．按照權(quán)利要求1的多邊形平面多路徑元件，其特征在于至少一個(gè)窗中的至少一個(gè)窗，它的面向樣品區(qū)表面的相反表面上有覆蓋層，用來(lái)反射光束的一部分。
10．一種用吸收光譜測(cè)定法探測(cè)樣品中各種氣相分子形式的系統(tǒng)，包括一個(gè)多邊形平面多路徑元件，包含多個(gè)薄壁限定的樣品區(qū)，每個(gè)薄壁有面向樣品區(qū)的光反射表面，其中每個(gè)薄壁至少連接到另一個(gè)薄壁使得在橫截面實(shí)質(zhì)上形成一個(gè)多邊形，多邊形的至少一個(gè)邊上有一個(gè)光進(jìn)/出口，每個(gè)進(jìn)/出口包含一個(gè)光傳輸窗，光傳輸窗有一個(gè)面向樣品區(qū)的表面，光傳輸窗的配置是使得在環(huán)繞的方向上將元件封閉起來(lái)，元件有一個(gè)中心軸，該中心軸平行于薄壁的光反射表面以及面向樣品區(qū)的每個(gè)光傳輸窗的表面；一個(gè)光源，用于引入一個(gè)光束穿過(guò)至少一個(gè)光傳輸窗進(jìn)入元件；以及一個(gè)主探測(cè)器，用于測(cè)量穿過(guò)至少一個(gè)傳輸窗而離開(kāi)元件的光束，其中一種樣品氣體流沿平行于元件中心軸的方向通過(guò)樣品區(qū)。
11．按照權(quán)利要求10的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，其特征在于多邊形是一規(guī)則多邊形。
12．按照權(quán)利要求10的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，其特征在于吸收光譜測(cè)法是可調(diào)二極管激光吸收光譜測(cè)定法。
13．按照權(quán)利要求10的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，其特征在于規(guī)則多邊形是一八邊形。
14．按照權(quán)利要求10的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，其特征在于每個(gè)薄壁的光反射表面實(shí)質(zhì)上是平面。
15．按照權(quán)利要求10的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，其特征在于在元件內(nèi)的光束路徑垂直于元件中心軸。
16．按照權(quán)利要求10的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，其特征在于薄壁的安排是使得在元件內(nèi)部，光束實(shí)質(zhì)上保持在同一平面上。
17．按照權(quán)利要求10的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，其特征在于薄壁的安排是使得進(jìn)入元件的光束從一個(gè)薄壁的光反射表面反射到另一個(gè)薄壁的光反射表面，使得光束在離開(kāi)元件以前至少被每個(gè)薄壁反射過(guò)一次。
18．按照權(quán)利要求10的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，其特征在于沿平行于元件中心軸方向上測(cè)量元件的高度大約是在1至5cm的范圍內(nèi)。
19．按照權(quán)利要求10的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，其特征在于沿垂直于元件中心軸方向上測(cè)量元件的直徑大約在5至40cm的范圍內(nèi)。
20．按照權(quán)利要求10用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，其特征在于至少一個(gè)窗中的至少一個(gè)窗，它的面向樣品區(qū)的相反表面上有覆蓋層，用來(lái)反射光束的一部分。
21．按照權(quán)利要求10的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，它還包括一個(gè)第一鏡，用于從光源反射光束，使之穿過(guò)光傳輸窗進(jìn)入元件；還包括一個(gè)第二鏡，用于把離開(kāi)元件的光束反射到主探測(cè)器。
22．按照權(quán)利要求10的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，它還包括一個(gè)第二探測(cè)器，用于測(cè)量一部分光束，這部分光束是被至少一個(gè)窗中的一個(gè)窗所反射的。
23．按照權(quán)利要求22的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，還包括裝置，用于從主探測(cè)器測(cè)得結(jié)果中減去第二探測(cè)器提供的參考信號(hào)。
24．按照權(quán)利要求10的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，其特征在于元件被設(shè)置在真空腔和真空泵之間，并使兩者保持連接。
25．按照權(quán)利要求24的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，其特征在于真空腔構(gòu)成半導(dǎo)體加工裝置的一個(gè)部分。
26．按照權(quán)利要求25的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，其特征在于半導(dǎo)體加工裝置選自包括蝕刻裝置、化學(xué)氣相淀積裝置、離子注入裝置、濺射裝置、以及快速熱處理裝置的組合。
27．按照權(quán)利要求26的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，其特征在于半導(dǎo)體加工裝置是一個(gè)蝕刻裝置。
28．按照權(quán)利要求10的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，其特征在于真空腔適用于包含等離子氣體的環(huán)境。
29．按照權(quán)利要求10的用于探測(cè)各種氣相分子形式的系統(tǒng)，其特征在于真空腔適用于包含活性氣體的環(huán)境。
30．一種半導(dǎo)體裝置，它包括一個(gè)真空腔，它和用于抽空真空腔的真空泵保持連接；一個(gè)多邊形平面多路徑元件，它用于設(shè)置在真空腔和真空泵之間的吸收光譜測(cè)定并和兩者保持連接，這個(gè)元件包括由多個(gè)薄壁環(huán)繞的一個(gè)樣品區(qū)，每個(gè)薄壁有一個(gè)面向樣品區(qū)的光反射表面，其中每個(gè)薄壁連接到至少一個(gè)其它薄壁使得在平面圖上實(shí)質(zhì)上上形成一個(gè)多邊形，多邊形的至少一個(gè)邊上具有一個(gè)光進(jìn)/出口，每個(gè)進(jìn)/出口含有一個(gè)光傳輸窗，該光傳輸窗有一個(gè)面向樣品區(qū)的表面，光傳輸窗的配置是使得在環(huán)繞的方向上將元件封閉起來(lái)，元件有一個(gè)中心軸，該中心軸平行于薄壁的光反射表面以及面向樣品區(qū)的每個(gè)光傳輸窗表面；還包括一個(gè)光源，用于引入一個(gè)光束穿過(guò)至少一個(gè)光傳輸窗進(jìn)入元件；和一個(gè)主探測(cè)器，用于測(cè)量穿過(guò)至少一個(gè)光傳輸窗離開(kāi)元件的光束，其中一種樣品氣體沿平行于元件中心軸的方向通過(guò)樣品區(qū)。
31．一種使用權(quán)利要求1的多邊形平面多路徑元件的探測(cè)各種氣相分子形式的方法，該方法包括下列步驟引入一個(gè)光束，穿過(guò)至少一個(gè)傳輸窗中的至少一個(gè)而進(jìn)入含有氣體樣品的元件樣品區(qū)，其中在元件內(nèi)部，光束實(shí)質(zhì)上保持在同一平面上；測(cè)量光束，它是穿過(guò)至少一個(gè)傳輸窗中的至少一個(gè)而離開(kāi)元件的光束。
32．按照權(quán)利要求31的用于探測(cè)各種氣相分子形式的方法，其特征在于光束被從一個(gè)薄壁的光反射表面反射到另一個(gè)薄壁的光反射表面，以使得光束穿過(guò)至少一個(gè)光傳輸窗中的一個(gè)窗而離開(kāi)元件以前，至少被每個(gè)薄壁反射過(guò)一次。
33．按照權(quán)利要求31的用于探測(cè)各種氣相分子形式的方法，其特征在于氣體樣品流通過(guò)元件。
34．按照權(quán)利要求33的用于探測(cè)各種氣相分子形式的方法，其特征在于氣體樣品包括從真空腔排出的氣體，而且其中各種氣相分子形式的探測(cè)是在原位置上進(jìn)行。
35．按照權(quán)利要求31的用于探測(cè)各種氣相分子形式的方法，其特征在于分子氣體雜質(zhì)是水蒸汽。
36．按照權(quán)利要求31的用于探測(cè)各種氣相分子形式的方法，還包括測(cè)量光束的一部分，這部分光束是被至少一個(gè)光傳輸窗中的至少一個(gè)窗所反射的，而光束正是穿過(guò)這個(gè)窗射入元件的，而且要從離開(kāi)元件的光束部分引起的信號(hào)中減去被反射光束引起的測(cè)量信號(hào)。
37．按照權(quán)利要求31的用于探測(cè)各種氣相分子形式的方法，其特征在于元件被設(shè)置在真家腔和真空泵之間，并和兩者保持連接。
38．按照權(quán)利要求37的用于探測(cè)各種氣相分子形式的方法，其特征在于真空腔構(gòu)成半導(dǎo)體加工裝置的一部分。
39．按照權(quán)利要求37的用于探測(cè)各種氣相分子形式的方法，其特征在于半導(dǎo)體加工裝置選自包括蝕刻裝置、化學(xué)氣相淀積裝置、離子注入裝置、濺射裝置以及快速熱處理裝置的組合。
40．按照權(quán)利要求38的用于探測(cè)各種氣相分子形式的方法，其特征在于半導(dǎo)體加工裝置是一個(gè)蝕刻裝置。
41．按照權(quán)利要求31的用于探測(cè)各種氣相分子形式的方法，其特征在于真空腔包含等離子環(huán)境。
42．按照權(quán)利要求31的用于探測(cè)各種氣相分子形式的方法，其特征在于真空腔包含活性氣體環(huán)境。
全文摘要
提供一種新型的多邊形平面多路徑元件,以及在吸收光譜測(cè)定中應(yīng)用的方法。元件包括被多個(gè)薄壁環(huán)繞的樣品區(qū),每個(gè)薄壁有一個(gè)面向樣品區(qū)的光反射表面。每個(gè)薄壁至少連接到另一個(gè)薄壁,使得在橫截面實(shí)質(zhì)上形成一個(gè)多邊形。多邊形的至少一個(gè)邊具有一個(gè)光進(jìn)/出口,進(jìn)/出口含有一個(gè)光傳輸窗,窗有一個(gè)面向樣品區(qū)的表面元件可用于測(cè)量樣品中分子氣體雜質(zhì),特別適用于半導(dǎo)體加工。
文檔編號(hào)G01N21/61GK1283789SQ0012005
公開(kāi)日2001年2月14日 申請(qǐng)日期2000年7月5日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月10日
發(fā)明者羅納德·S·英曼, 詹姆斯·邁克安德魯 申請(qǐng)人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司