本申請案主張美國臨時專利申請案第62/035,988號(2014年8月11日申請)及第62/100,285號(2015年1月6日申請)的權(quán)益，所述臨時專利申請案的內(nèi)容以全文引用的方式并入。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明大致上涉及聲波傳感器，且更特定地說，涉及用于感測處理媒介中的組分濃度等級的聲波傳感器。

背景技術(shù)：

聲波傳感器可用于化學(xué)汽相沉積(CVD)系統(tǒng)，以確定所選組分的濃度。這些設(shè)備的基本操作原則為由一聲波信號穿過測試媒介的飛行時間與純載波穿過測試媒介的飛行時間相比較的差，來推斷所選組分的濃度。舉例來說，在有機金屬CVD(MOCVD)系統(tǒng)當(dāng)中，聲波傳感器在雙環(huán)戊二烯基鎂(CP2Mg)的濃度的確定中得以使用。聲波傳感器在CVD應(yīng)用上的使用大致上在例如美國專利第6,116,080號、第6,192,739號、第6,199,423號及第6,279,379號與美國專利申請案第13/705,650號處描述，這些申請案的揭露內(nèi)容除了本身所含有的表述定義以外特此以引用方式并入本文中。

當(dāng)需要精確檢測組分的低濃度時可能會產(chǎn)生問題。因而需要一個系統(tǒng)，其調(diào)整為能夠應(yīng)付聲波感測系統(tǒng)中低濃度檢測的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在本發(fā)明的各種實施例中，聲波傳感器中的聲波路徑長度增加，從而增加了穿過測試媒介的飛行時間，并使得純載波與標(biāo)稱源/載體混合物(例如Cp2Mg與N₂的混合物)之間的飛行時間差的時間延遲測量得到較小百分比的標(biāo)準(zhǔn)差。在一個實施例中，聲波路徑長度較傳統(tǒng)聲波傳感器中發(fā)現(xiàn)的路徑長度增加了三倍。在特定的實施例中，采取測量是為避免另行壓縮到測試氣流之外的組成蒸氣的寄生損失。在其它的實施例中，時間延遲測量的標(biāo)準(zhǔn)差通過所發(fā)射信號的循環(huán)數(shù)量的增加而得以降低，因而增加整體信號能量。

在相關(guān)方面中，除了增加聲波路徑長度以及減少寄生凝結(jié)損失之外，測量系統(tǒng)系被包圍在一加熱罩殼中。加熱罩殼可大體上具有升高的溫度，使得引導(dǎo)滑動氣流到聲波傳感器中的線路仍在組成/載氣混合物的凝結(jié)點之上。以此方式，沒有組分被壓縮到混合物之外，使得聲波傳感器能夠獲取可從氣體源獲得的完整濃度。

防止組成氣體的凝結(jié)的既有的嘗試致力于使用耦合到將進(jìn)入的滑動氣流送到聲波傳感器的配管的熱追蹤。熱追蹤方法造成了至少兩種問題：(1)因追蹤的包覆不均勻(例如，在彎曲部處或是圍繞支撐結(jié)構(gòu))或是追蹤與配管的接觸少于理想值的關(guān)系，可能導(dǎo)致冷點(cold spots)發(fā)展于配管上(2)能量遞送的氣體可使離開配管并進(jìn)入聲波傳感器的溫度大于或小于聲波傳感器，因此導(dǎo)致聲波傳感器內(nèi)的熱梯度。

在本文中所揭露的各種實施例中，加熱罩殼內(nèi)的入口與聲波傳感器之間的配管的尺寸調(diào)整到可隨著氣體到達(dá)聲波傳感器的時間，使得進(jìn)入氣體的溫度與加熱罩殼中組件的溫度有效地處于熱平衡。因此，進(jìn)入混合物與聲波傳感器的差異，以及伴隨系統(tǒng)中的溫度梯度的引人，都可以被減少或消除。此外，加熱罩殼可消除存于熱追蹤系統(tǒng)中的冷點，因而減少或消除凝結(jié)的行成。

當(dāng)增加聲波信號被發(fā)射穿過的路徑長度時，會有一個問題發(fā)生，那就是因熱梯度引起變形所導(dǎo)致的增加的敏感度。聲波傳感器內(nèi)的熱梯度可引起發(fā)射器與接收器的聲波變換器(即，換能器transducer)之間的另一平行關(guān)系變得輕微地歪斜或?qū)е伦儞Q器變得輕微地非平面。聲波傳感器的路徑長度的增加也增加了這些變形的對于所接收到的信號的質(zhì)量的影響。據(jù)此，為了經(jīng)由增加聲波傳感器的路徑長度而獲得更多的益處，設(shè)計了幾個特定所揭露實施例來減少系統(tǒng)中的熱梯度。

熱梯度的起因之一為“熱分層(thermal stratification)”。熱分層為加熱罩殼中自然發(fā)生的自然現(xiàn)象，較溫暖的氣體在罩殼內(nèi)有上升的傾向，所以罩殼頂部的空氣溫度比罩殼底部的空氣溫度還要溫暖。此分層可引入熱梯度沿著聲波傳感器的垂直長度。

習(xí)知地，熱分層的解決方式為用風(fēng)扇來混合空氣。此類風(fēng)扇為本領(lǐng)域所周知的“除層風(fēng)扇(destratification fans)”。然而，由于爆炸物或是可燃劑的存在可使得在CVD環(huán)境中，風(fēng)扇的使用被排除；驅(qū)動風(fēng)扇的馬達(dá)提供了可引起危險的點火源。

因此，本發(fā)明的特定實施例經(jīng)配置為再不用風(fēng)扇的情況下在加熱罩殼中引入氣體的混合。在一個實施例中，通過使得罩殼中一垂直部件的至少一部分(在本文中稱作“未加熱部分”或“未加熱表面”)不受熱來完成混合。未加熱部分傾向于比罩殼加熱部分要冷，因此其接觸的氣體相對于罩殼內(nèi)氣體的平均溫度也得到冷卻。較冷、密度較大的氣體往下流竄經(jīng)未加熱表面并且進(jìn)人罩殼的中心部分。于此，氣體再度被加熱并且升高到遠(yuǎn)離未加熱部分的罩殼頂部。通過此機制，自然的對流建立于罩殼內(nèi)，而罩殼混合氣體并且提供了除層作用。通過自然對流循環(huán)所引入的梯度，大體上比熱分層所引入的梯度要小，使得罩殼內(nèi)的空氣溫度較為熱均勻。

結(jié)構(gòu)上，一個實施例揭露了一種裝置，其用于聲學(xué)地確定測試媒介的屬性，所述裝置包括：包含基部以及蓋部的罩殼，所述基部以及所述蓋部相配合界定出腔室。在此實施例中，聲波傳感器安裝到所述基部，所述聲波傳感器包含界定第一暴露面的第一聲波變換器以及界定第二暴露面的第二聲波變換器。所述第一暴露面以及所述第二暴露面大體上平行，并且適于與所述測試媒介接觸并且界定在其間的間隙。至少一個加熱元件與所述罩殼可操作地耦合。在此實施例中，所述罩殼的第一部分直接與所述至少一個加熱元件耦合，所述第一部分為垂直定向。所述至少一個加熱元件可大體上圍繞所述聲波傳感器。所述罩殼的第二部分未直接與所述至少一個加熱元件耦合，所述第二部分為垂直定向，且與所述罩殼的所述第一部分對置。在一個實施例中，所述罩殼的所述“第一部分”為所述基部。

在一個實施例中，所述罩殼的所述第二部分可以可操作地耦合到冷卻器件(例如多個冷卻風(fēng)扇)；在其它實施例中，所述罩殼的所述第二部分通過流到周圍環(huán)境的自然對流冷卻。

在各種實施例中，所述罩殼大體上界定矩形盒，所述蓋部界定頂部部分、底部部分、第一側(cè)部分、第二側(cè)部分以及第三側(cè)部分，所述第二側(cè)部分鄰近所述第一側(cè)部分與所述第三側(cè)部分且安置于所述第一側(cè)部分與所述第三側(cè)部分之間。在一個實施例中，所述罩殼的所述第二部分為所述第二側(cè)部分。所述聲波傳感器可經(jīng)定向使得所述第一聲波變換器的所述第一暴露面與所述第二聲波變換器的所述第二暴露面為水平面對。

在一些實施例中，所述間隙大于12mm并且小于50mm。在一個實施例中，所述溝槽約為15mm，在另一實施例中，所述溝槽約為30mm。

在本發(fā)明的各種實施例中，一種將聲波傳感器度保持在大體上均勻溫度下的方法，其包括：

·提供安裝于罩殼內(nèi)的聲波傳感器，所述聲波傳感器包含第一聲波變換器以及第二聲波變換器，此兩者大體上互相平行且適于與測試媒介接觸，所述第一聲波變換器與所述第二聲波變換器界定在其間的間隙；

·提供適于對所述罩殼的部分施加熱的加熱系統(tǒng)，所述部分大體上圍繞所述聲波傳感器；以及

·在有形媒體上提供的一組指令，所述指令包括：

·加熱大體上圍繞所述聲波傳感器的所述罩殼的部分；

·冷卻所述罩殼的大體上垂直部分，以誘發(fā)所述罩殼中氣體的再循環(huán)，所述再循環(huán)引起所述罩殼內(nèi)所述氣體的除層作用。

在一個實施例中，冷卻所述罩殼的大體上垂直部分的步驟包含所述罩殼的所屬大體上垂直部分與周圍環(huán)境之間的自由對流。加熱所述罩殼的部分的步驟包含將所述部分的溫度控制為設(shè)置點，所述設(shè)置點至少比圍繞所述罩殼的周圍溫度高20℃。

在特定的實施例中，所述氣體的所述除層作用使得所述罩殼內(nèi)所述氣體的空間上溫度變化在預(yù)定值內(nèi)。在一個實施例中，所述罩殼內(nèi)所述氣體的所述空間上變化的所述預(yù)定值小于0.5℃。

在本發(fā)明的相關(guān)方面中，提供一種用于聲學(xué)地確定測試媒介屬性的裝置，其中第一聲波換能器與發(fā)射器電路電耦合，所述發(fā)射器電路經(jīng)建構(gòu)為以頻率為2MHz與3MHz之間且持續(xù)時間介于15與50循環(huán)之間的的第一產(chǎn)生信號致動所述第一聲波換能器，以產(chǎn)生第一聲波信號，所述第一聲波信號被導(dǎo)向以行進(jìn)穿過所述換能器之間的所述間隙。在一個特定實施例中，使用30循環(huán)的持續(xù)時間。所述第二聲波換能器與接收器電路電耦合，所述接收器電路經(jīng)建構(gòu)為從第一聲波信號產(chǎn)生第一接收信號。所述接收器電路與數(shù)字化電路電耦合，所述數(shù)字化電路經(jīng)配置為以每循環(huán)20與100之間的取樣率對所述第一接收信號進(jìn)行取樣，以產(chǎn)生第一接收數(shù)字信號。在特定的實施例中，采用每循環(huán)32樣本的取樣率。

所述數(shù)字化電路電耦合到控制器電路，所述控制器電路包含：處理器與非暫時性數(shù)據(jù)存儲媒體，所述非暫時性數(shù)據(jù)存儲媒體含有指令，所述指令在執(zhí)行時使所述處理器將最大似然函數(shù)應(yīng)用到所述第一接收數(shù)位信號以及參考數(shù)字信號，并且確定所述第一接收數(shù)字信號的特征與所述參考數(shù)字信號的特征之間的時間延遲。所述接收數(shù)字信號與所述參考數(shù)字信號被比較的特征可為這些數(shù)字信號的相應(yīng)最大似然函數(shù)的峰值。所述時間延遲指示被分析的所述測試媒介的屬性。所述特性可為材料濃度、壓力或是測量屬性。

在一種測量布置類型中，所述參考數(shù)字信號從所述第一產(chǎn)生信號產(chǎn)生。在另一測量布置中，所述參考數(shù)字信號通過數(shù)字化所述第一聲波信號的較前面部分而產(chǎn)生，而所述第一接收信號實際上從所述第一聲波信號的較后面接收部分所述較前面部分的回波)而產(chǎn)生。

根據(jù)關(guān)于本發(fā)明相關(guān)方面的一種用于聲波感測布置的一示范實施例涉及一質(zhì)量傳遞率控制布置。所述布置包含：載氣源；以及經(jīng)布置為調(diào)節(jié)來自載氣源的載氣的流率的載氣質(zhì)流調(diào)節(jié)器。還包括制程前驅(qū)物源，所述制程前驅(qū)物源包含前驅(qū)物容器，所述前驅(qū)物容器具有經(jīng)由載氣質(zhì)流調(diào)節(jié)器與所述載氣源流體連通的入口，以及經(jīng)布置為輸送所述制程前驅(qū)物與所述載氣的混合物的出口。聲波傳感器與所述出口流體連通，并且包含腔室，所述腔室經(jīng)布置為輸送所述混合物的流使其穿過所述腔室。所述聲波傳感器進(jìn)一步包括電氣信號產(chǎn)生器，其經(jīng)建構(gòu)為產(chǎn)生表示流經(jīng)所述腔室的所述混合物中存在的所述制程前驅(qū)物的量的電信號。

所述布置進(jìn)一步包含稀釋氣體源；以及稀釋氣體質(zhì)流調(diào)節(jié)器，所述稀釋氣體質(zhì)流調(diào)節(jié)器經(jīng)布置為調(diào)節(jié)來自稀釋氣體源的稀釋氣體的流率。所述稀釋氣體源經(jīng)由稀釋氣體質(zhì)流調(diào)節(jié)器與所述前驅(qū)物容器的所述出口流體連通，且所述稀釋氣體源與所述前驅(qū)物容器的所述出口的所述流體連通包含實現(xiàn)所述稀釋氣體與所述制程前驅(qū)物-載氣混合物的稀釋混合物的稀釋點。

控制器與所述載氣質(zhì)流調(diào)節(jié)器、所述稀釋氣體質(zhì)流調(diào)節(jié)器、所述聲波傳感器中的至少一者電耦合，所述控制器經(jīng)配置為響應(yīng)于來自所述聲波傳感器的所述電信號調(diào)整所述載氣質(zhì)流調(diào)節(jié)器與所述稀釋氣體質(zhì)流調(diào)節(jié)器中的至少一者，使得所述稀釋點處的所述稀釋混合物具有所規(guī)定質(zhì)量傳遞率。

在本發(fā)明的相關(guān)方面中，一種用于于處理氣體混合物中控制質(zhì)量傳遞率的方法包含：提供載氣；提供制程前驅(qū)物氣體；以及產(chǎn)生制程前驅(qū)物混合物，其含有所述載氣以及制程前驅(qū)物氣體。此外，此方法包含聲學(xué)地感測所述制程前驅(qū)物混合物中存在的所述制程前驅(qū)物的量，以產(chǎn)生傳感器輸出。提供稀釋氣體。根據(jù)此方法，單獨地將所述制程前驅(qū)物混合物與所述稀釋氣體輸送到實現(xiàn)所述稀釋氣體與所述制程前驅(qū)物混合物的稀釋混合物的稀釋點。響應(yīng)于所述傳感器輸出自動控制所述載氣與所述稀釋氣體的相對流率，使得所述稀釋點處的所述稀釋混合物具有所述前驅(qū)物氣體的所規(guī)定質(zhì)量傳遞率。

附圖說明

鑒于本發(fā)明的各種實施例的以下詳細(xì)描述并結(jié)合隨附圖式，本發(fā)明將得以更完整地理解，其中：

圖1為本發(fā)明的一實施例中的加熱罩殼以及除層系統(tǒng)的示意圖；

圖2為本發(fā)明的一實施例中的圖1的加熱罩殼的半分解圖；且

圖3為本發(fā)明的一實施例中的圖2的加熱罩殼內(nèi)多種組件的溫度預(yù)測。

圖4為穿過腔室的信號傳播的圖表，其根據(jù)一個實施例所確定的發(fā)射及接收信號之間的時間延遲的測量布置，并以時間與位置函數(shù)描繪。

圖5為穿過腔室的信號傳播的圖表，其根據(jù)一個實施例所確定的第一接收信號及第二接收信號之間(其為所述第一接收信號的回波)的時間延遲的另一測量布置，并以時間與位置函數(shù)描繪。

圖6為一方塊圖，其說明根據(jù)一個實施例的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)經(jīng)建構(gòu)以實施上文關(guān)于圖4及圖5所述的測量布置。

圖7為一示意圖，其說明根據(jù)一個實施例的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)將低濃度組分的所規(guī)定質(zhì)量傳遞率遞送到制程腔室。

雖然本發(fā)明可適用于各種修改及替代形式，但其具體細(xì)節(jié)已在圖式中借助于實例展示且將予以詳細(xì)描述。然而，應(yīng)理解，本發(fā)明的意圖并非將本發(fā)明限于所描述的特定實施例。相反地，其意圖為涵蓋所有落入由所附權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的精神及范圍內(nèi)的所有修改、等效物及替代物。

具體實施方式

參看圖1，本發(fā)明的實施例中描繪除層系統(tǒng)10。除層系統(tǒng)10包含含有聲波傳感器14的罩殼12，以及可操作地耦合到罩殼12的多個加熱元件16。加熱元件可由控制系統(tǒng)18來控制。在一個實施例中，控制系統(tǒng)18包含輸入-輸出(I/O)接口22，其由如計算機等基于微處理器的控制器24所控制。I/O接口22可包含用于控制加熱元件16溫度的一或多個溫度控制器(未示出)，且還可包含用于獲取溫度讀數(shù)的溫度傳感器信號調(diào)節(jié)器(未示出)，所述溫度讀數(shù)用于通過控制系統(tǒng)18的監(jiān)視及/或記錄。

參看圖2，所揭露實施例中描繪罩殼12。罩殼12可包括基部26以及蓋部28，基部26用作安裝板，用于聲波變換器14，也用于控制及調(diào)節(jié)通過聲波變換器14的氣體30的多種附屬件。同樣在所描繪的實施例中，蓋部28的特征可為包含有鄰近于基部的周邊部分32；以及與基部26相對置的一或多個對置部分34。

多個加熱元件16與罩殼12可操作地耦合。在一個實施例中，加熱元件16包含基部加熱元件42以及蓋部加熱元件組合件44。蓋部加熱元件組合件44可包括單個加熱元件，所述加熱元件大體上形成為蓋部的周邊部分的形狀(未示出)；或可包括拼接在一起以大體上覆蓋蓋部的周邊部分的多個加熱元件(例如，44a到44e)。

罩殼的至少一個垂直部分的至少一部份，在本文中稱作“未加熱部分”，其不直接與加熱源耦合。在圖2的描繪中，未加熱部分為蓋部28的對置部分34。在一個實施例中，未加熱部分(例如，對置部分34)也并非熱絕緣，因而進(jìn)一步促進(jìn)罩殼12周圍的氣體對于未加熱部分的冷卻。

在圖2的實施例中，蓋部加熱元件組合件44經(jīng)描繪為插人蓋部28之內(nèi)，也就是與蓋部28的內(nèi)部面可操作地耦合。相反地，基部加熱元件42經(jīng)描繪為安裝到基部26的外部面。應(yīng)注意，此配置僅為說明性的而非限制性的。也就是說，本發(fā)明涵蓋用于蓋部加熱元件組合件44的加熱元件中的一或多者可安置于蓋部的(一或多個)外部面上，而基部加熱元件42可安置于基部26的內(nèi)部面上。

此外，本發(fā)明還涵蓋每一罩殼部分可由多個加熱元件(或替代地，多個加熱元件區(qū))來加熱，如圖2中所描繪的用于基部加熱元件42的42a、42b及42c。同樣的多元件布置雖未于圖中示出，但可實施于周邊部分32的加熱(例如，使用多個垂直堆疊的加熱元件，用以加熱周邊部分32)。加熱元件及/或加熱區(qū)中的每一者可由控制系統(tǒng)16控制在設(shè)置點溫度。

在一個實施例中，罩殼28內(nèi)的環(huán)境溫度被控制在一設(shè)置點。替代地，基部加熱元件42以及加熱元件組合件44本身控制在既定的溫度。在其它實施例中，可使用多輸入控制方案，其包含來自內(nèi)部氣體溫度、內(nèi)部組件溫度以及周圍溫度中的兩者或是更多者的輸入。

在圖2的描繪中，“多種附屬件”包含質(zhì)流控制器52、背壓控制器54、配管56、氣體混合器58、止回閥62、多種控制閥64以及手動隔離閥66。

在操作期間，基部加熱元件42以及加熱元件組合件44在控制器24的控制之下得到能量供給，使得腔室內(nèi)的溫度相對高于周圍環(huán)境。罩殼12的直接被加熱的部分(例如，用于圖1以及2中所描繪的實施例的周邊部分32以及基部26)在一高于罩殼12的未加熱部分(例如，罩殼的12未被直接加熱的部分，其由圖1及2中對置部分34表示)的溫度下運作。在加熱器能量供給期間，罩殼之內(nèi)與經(jīng)直接加熱表面接觸的氣體容易被加熱到高于罩殼內(nèi)平均氣體溫度的溫度。相反地，罩殼之內(nèi)與未加熱部分接觸的氣體則容易冷卻到比罩殼內(nèi)平均氣體溫度低的溫度。被加熱的氣體上升，而冷卻的氣體則往下竄流，形成了一個自然的對流循環(huán)72(圖1)。

在功能上，自然對流循環(huán)72運作以對罩殼12當(dāng)中的氣體進(jìn)行除層。若沒有此除層作用的話，罩殼12頂部處的空氣可以大體上高于罩殼12底部處的空氣的溫度來運作，而使得罩殼12內(nèi)的溫度大體上產(chǎn)生差異化。溫度差異化可引起聲波傳感器14內(nèi)的顯著熱梯度。除層的作用為混合氣體，使得溫度大體上為均勻的(±0.5℃內(nèi))。混合的、經(jīng)除層的氣體提供了均勻的溫度環(huán)境，其促進(jìn)了用于聲波傳感器14的大體上均勻溫度。

應(yīng)當(dāng)理解，“直接加熱”的表面可以是加熱元件的表面(例如，圖1及2的加熱元件44a到44e)，或為于對置面上安裝有加熱器的受到加熱的部件的對置表面(例如，外部(對置)面上直接安裝有基部加熱元件42的基部26的內(nèi)部表面)?！拔醇訜岜砻妗睘椴考募炔恢苯咏佑|加熱元件也不位于其對置面上的表面。應(yīng)注意，“未加熱表面”將易于經(jīng)由其它熱傳遞機制而受熱，例如通過罩殼的內(nèi)部氣體的對流以及通過罩殼的經(jīng)加熱部件的外圍傳導(dǎo)。

在一個實施例中，評估基部具有約為65cm(25³/₄英寸)的高度H1以及約為15cm(6英寸)的寬度W1。另外在此實施例中，評估蓋部具有約為44cm(17³/₈英寸)的高度H2；約為14cm(5³/₄英寸)的寬度W2；以及約為16cm(6¹/₄英寸)的深度D。假設(shè)蓋部被熱絕緣材料(未描繪)所覆蓋，所述熱絕緣材料為約3mm(¹/₈英寸)厚并且具有約為0.05W/m²K的導(dǎo)熱性，則評估維持罩殼內(nèi)部以及周圍環(huán)境之間30℃的差所需的穩(wěn)定狀態(tài)電源為大約50瓦，假設(shè)罩殼與周圍環(huán)境之間的自然對流耦合約為60瓦。如此尺寸與配置的罩殼可使用100瓦的最高加熱電源且仍可達(dá)到由冷開始加熱的合理的升降溫速率。對應(yīng)加熱器的瓦特密度轉(zhuǎn)到約為400W/m²。加熱器的源功率視可獲得的環(huán)境以及基礎(chǔ)設(shè)施可為24VDC到240VAC范圍的電源。

參看圖3，本發(fā)明的實施例中描繪除層系統(tǒng)10的罩殼12內(nèi)的多種組件的溫度分布80。溫度分布80由除層系統(tǒng)10的數(shù)值模擬而取得，在經(jīng)建立對流循環(huán)72的情況下呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)運作。溫度分布80呈現(xiàn)出具有約為50℃及±2℃范圍內(nèi)的中間溫度的組件溫度。應(yīng)注意，聲波傳感器的溫度呈現(xiàn)為均勻的，而聲波傳感器14的附近的配管56呈現(xiàn)約為相同。因此，數(shù)值模擬指示聲波傳感器14內(nèi)的溫度梯度為邊緣性的，而從配管56進(jìn)人聲波傳感器14的氣體的溫度基本上與聲波傳感器14處于平衡狀態(tài)。

用于測量物質(zhì)濃度及增加的飛行時間的聲波系統(tǒng)的相關(guān)方面涉及聲波信號本身以及信號的接收。圖4為以時間與位置函數(shù)來描繪信號傳播穿越腔室的圖表。圖表的頂部以及底部分別表示艙室的接收器側(cè)以及傳輸器側(cè)。

信號具有前緣(leading edge)、后緣(trailing edge)，并且由多個循環(huán)構(gòu)成于已定義的帶(band)中。在一個實施例中，信號波形為單頻率正弦波。在另一實施例中，單個信號波形包含唧聲(chirp)部分，在所述唧聲部分中，頻率以定義好的掃拂率往上或下掃拂。在一個示范性實施例中，由前緣起，信號在其大多分持續(xù)時間具有連續(xù)頻率波形，其后跟隨于一往上掃拂的唧聲部分。在特定的實施方案中，信號的頻率介于2MHz與3MHz之間。

接收信號由接收到的直接路徑信號所構(gòu)成，并傳遞穿過腔室。如圖4中所描繪，本實例中的穿過腔室的距離為30mm。信號的傳輸與接收之間的時間，其最大部分為腔室中媒介的一函數(shù)(建立聲波傳播波速度的屬性)。當(dāng)中存在著與測量電路相關(guān)聯(lián)的電子延遲，其有助于較少程度的整體延遲測量。任何這些電子延遲的變化均可促使測量誤差。穿過腔室壁的聲波傳播與其它因素相比微不足道，且通常并非隨時間改變。如圖4所舉例，測量布置比較信號發(fā)射時間與信號接收時間。呈現(xiàn)用于此給定媒介的86μs的一示范性時間延遲。此布置容易受到影響測量的發(fā)射器與接收器電路之間的任何電子延遲的影響。

圖5說明一類似的測量布置，其主要于兩方面上有所不同。一個是腔室較小(即，由一端到另一端的用于聲波的穿過的距離)，為15mm；另一個不同處是延遲測量僅由接收信號之間決定。如所說明，第一接收信號為直接路徑信號，其從發(fā)射器傳播穿過腔室。第二接收信號由同樣的發(fā)射波所構(gòu)成，所述發(fā)射波從接收器側(cè)的腔室壁，以及發(fā)射器側(cè)的腔室壁反射。因此，第二接收信號表示聲波兩次的端對端穿過腔室的行進(jìn)。因此，在被比較的信號間，示范相同的為86μs的大略時間延遲。由于排除發(fā)射器，使得此測量布置避免發(fā)射器與接收器之間的電子延遲影響。第一、第二接收信號的接收器的時間延遲皆為恒定的。與圖4的布置相較之下，此布置的一個權(quán)衡取舍為當(dāng)波傳播穿過更長距離以產(chǎn)生第二接收信號時的額外信號衰減。

圖6為根據(jù)一實施例的說明經(jīng)建構(gòu)以實施上文關(guān)于圖4以及圖5所描述的測量布置的系統(tǒng)的方塊圖。發(fā)射器102包含超音波換能器以及驅(qū)動電路。發(fā)射器102產(chǎn)生聲波信號104，其導(dǎo)向傳播穿過腔室105到達(dá)接收器106。接收器106包含換能器，所述換能器感測聲波信號104并且將其轉(zhuǎn)換為電信號，并依需要對該電子信號進(jìn)行放大、濾波處理。

接收信號被輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)112以進(jìn)行取樣、量化及編碼，以用于控制器114?？刂破?14包含基于處理器的計算機系統(tǒng)，所述計算機系統(tǒng)可包含處理器、數(shù)字信號處理器(DSP)、存儲器件、輸入/輸出硬件，以及用于控制信號產(chǎn)生器108并分析收接信號以確定傳播時間的的程序指令。

聲波信號由發(fā)射器102從由信號產(chǎn)生器108產(chǎn)生的電信號而產(chǎn)生。在所描繪的實施例中，參考信號110被提供給ADC 112而最后傳到控制器114，以用作相對于與圖4的測量布置的接收信號比較的時間參考。在圖5的測量布置中，參考信號從第一接收信號獲得。

在各種實施例中，信號產(chǎn)生器108經(jīng)配置為在特定的期間內(nèi)以特定的頻率產(chǎn)生特定的波形，例如正弦波信號或其它例如方形、梯形等適合的波形。在相關(guān)的實施例中，信號為擴(kuò)展的光譜信號，例如一直線唧聲，其中所發(fā)射的信號的頻率以5％到30％線型增加(或是減少)。在一個實例實施例中，信號頻率介于2MHz與3MHz之間，且信號持續(xù)時間設(shè)置為產(chǎn)生介于15與50之間的循環(huán)。一個特定實施例使用信號持續(xù)時間以產(chǎn)生所產(chǎn)生信號的30循環(huán)。在一相關(guān)實施例中，所產(chǎn)生信號為調(diào)制頻率的唧聲信號。舉例來說，對于至少信號的一部分，例如整個最后的幾個循環(huán)中，頻率可以是往上或往下掃拂的。

在相關(guān)的實施例中，ADC 112經(jīng)配置為大體上過取樣(oversample)接收信號。舉例來說，使用每循環(huán)(此例當(dāng)中為尼奎斯特率的16倍的過取樣)32樣本的取樣率。在各種其它實施例中，本發(fā)明涵蓋根據(jù)控制器114的處理能力，可使用范圍在每循環(huán)20到200或更多樣本的取樣率。

在一種類型的實施例中，控制器114經(jīng)編程為實施最大似然(ML)估計算法，以確定與穿過腔室的信號傳播相關(guān)聯(lián)的時間延遲。ML估計為周知的，其已于兩處描述：費希爾,R.A(Fisher,R.A.),關(guān)于用于擬合頻率曲線的絕對準(zhǔn)則,Mess.of Math.,41,第l55-160頁,1912年以及凡特雷斯(Van Trees),哈利L.(Harry L.),檢測、估計及調(diào)制理論,第1部分，.約翰威立父子出版公司(John Wiley&Sons,Inc.),紐約,1968年，在此將此兩參考文獻(xiàn)以引用方式并入本文中。

對于圖4的測量布置，計算經(jīng)發(fā)射信號以及接收信號的ML函數(shù)，而經(jīng)測量的濃度為經(jīng)發(fā)射信號以及接收信號的ML函數(shù)中的峰值或其它特征之間的樣本數(shù)量(以及分?jǐn)?shù)樣本，若有)的函數(shù)。對于圖5的測量布置，計算第一接收信號以及第二接收信號的ML函數(shù)，而經(jīng)測量的濃度為第一接收信號與第二接收信號的ML函數(shù)中的峰值之間的樣本數(shù)量(以及分?jǐn)?shù)樣本，若有)的函數(shù)。

可以并入罩殼12中的另一系統(tǒng)為低濃度氣體遞送系統(tǒng)。對于MOCVD或原子層沉積(ALD)系統(tǒng)的一些工藝步驟，不僅需要精確地檢測例如Cp₂Mg(即，分子式(C₅H₅)₂Mg的雙環(huán)戊二烯基鎂)的組分的低濃度，另外也很重要的是遞送所規(guī)定質(zhì)量傳遞率(例如分子/秒)，其于MOCVD或ALD反應(yīng)器的低濃度組分的沉積步驟期間，有時是恒定的，但通常會發(fā)生變化，以確保當(dāng)半導(dǎo)體器件在MOCVD或ALD反應(yīng)器中生長時，發(fā)生適當(dāng)數(shù)量的摻雜或?qū)有纬伞?/p>

圖7中說明根據(jù)一個實施例用以將低濃度組分的所規(guī)定質(zhì)量傳遞率遞送到例如MOCVD或ALD反應(yīng)器的制程腔室的系統(tǒng)。如所描繪，低濃度組分遞送系統(tǒng)200具有起泡器202，其含有前驅(qū)物制程源。適合的起泡器的實例包括如US公開的專利申請案20070221127、US專利5603169及US專利6561498中展示的那些起泡器，其內(nèi)容特此以引用方式并入本文中。一般來說，起泡器202包含前驅(qū)物容器，所述前驅(qū)物容器具有用于載氣的入口；以及運載前驅(qū)物氣體-載氣的混合物的出口。

前驅(qū)物制程源可為例如：Cp₂Mg、三烷基鋁(例如，三甲基鋁)、三烷基鎵(例如，三乙基鎵、三甲基鎵)、三烷基銻二甲基聯(lián)胺、三烷基銦(例如，三甲基銦)、TDMAT(四(二甲基酰胺)鈦)、PDMAT(五(二甲基酰胺)鉭)以及通常用于MOCVD以及ALD制程中的其它有機金屬化合物。

用于前驅(qū)物制程源的惰性載氣，例如，氮、氫、氦、氬以及其它類似者從惰性氣體源250填人起泡器202，而其氣流由質(zhì)流調(diào)節(jié)器204監(jiān)控。

可具有加熱源(未示出)的起泡器202促進(jìn)前驅(qū)物制程源的蒸氣與惰性載氣的混合。接著含有前驅(qū)物制程源的情性載氣流出起泡器202外，并且流入聲波傳感器206(類似上述聲波傳感器14)中。聲波傳感器206、質(zhì)流調(diào)節(jié)器208，以及稀釋點A(其可為T型接頭或靜止混合器)放置于罩殼12之內(nèi)，其益處已于上文論述。

對于例如Cp₂Mg的蒸氣壓力前驅(qū)物制程源，有利的是，將起泡器202的溫度增加到高于周圍溫度(例如，到50℃或約50℃)，以在前驅(qū)物離開起泡器202時增加前驅(qū)物濃度。增加的前驅(qū)物濃度可通過聲波傳感器206提供更具可再現(xiàn)的且精確的濃度測量。如下文所論述，接著稀釋氣體于稀釋點A處與從聲波傳感器206流出的氣體混合物混合(在離開加熱罩殼12之前)，以使輸出的混合物在周圍溫度(例如，25℃或約25℃)下被遞送到反應(yīng)器或是排氣歧管210。以此方式，隨后供給反應(yīng)器的氣體線路中的前驅(qū)物制程源的凝結(jié)可得以避免，并確保前驅(qū)物制程源的適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量傳遞率被遞送到反應(yīng)器，且因凝結(jié)造成的氣體線路的潛在損傷都能得以避免或是至少降到可忽略的程度。

稀釋氣體，例如氮、氫、氦、氬以及其它類似者從稀釋氣體源260流到質(zhì)流調(diào)節(jié)器208中。

惰性載氣含有流出聲波傳感器206的前驅(qū)物制程源，以及流出質(zhì)流調(diào)節(jié)器208的稀釋氣體，此兩者在稀釋點A處相會形成氣體混合物，而于此處適當(dāng)?shù)墓艿谰W(wǎng)路以及閥(因簡潔原則此處省略細(xì)節(jié))引導(dǎo)氣體混合物流到反應(yīng)器/排氣歧管210。

由于含有前驅(qū)物制程源的惰性載氣流經(jīng)聲波傳感器206，所以聲波傳感器206如上文參考圖6所述般測量所述前驅(qū)物制程源濃度。

接著，聲波傳感器206所確定的前驅(qū)物制程源濃度被饋入到控制器240中?？刂破?40包含致動器以及可選的額外傳感器，以上各者各自連接到基于處理器的控制系統(tǒng)，而所述控制系統(tǒng)包含：微處理器或數(shù)字信號處理器(DSP)；存儲器件；輸入/輸出硬件；及存儲器件上所存儲的程序指令，所述程序指令可于微處理器或DSP上執(zhí)行，以用于確定反應(yīng)器/排氣歧管210所需的前驅(qū)物的質(zhì)量傳遞率；以及208的程式指令，其用于致動質(zhì)流調(diào)節(jié)器204及208。

當(dāng)用于確定前驅(qū)物質(zhì)量傳遞率的程序指令被啟動時，由于含有前驅(qū)物制程源的惰性載氣的流率以及濃度為已知的，所以抵達(dá)反應(yīng)器/排氣歧管210的前驅(qū)物質(zhì)量傳遞率可通過從控制器240經(jīng)由連結(jié)246將適當(dāng)信號傳送到質(zhì)流調(diào)節(jié)器204，及/或通過從控制器240經(jīng)由連結(jié)244將適當(dāng)信號傳送到質(zhì)流調(diào)節(jié)器208的方式來調(diào)節(jié)。由控制器240傳送到質(zhì)流調(diào)節(jié)器204及/或質(zhì)流調(diào)節(jié)器208的信號控制著饋送到質(zhì)流調(diào)節(jié)器204中的載氣量，及/或饋送到質(zhì)流調(diào)節(jié)器208中的稀釋氣體量。

控制器240中的程序指令考慮到聲波傳感器206到稀釋點A的距離，以及從稀釋點A到反應(yīng)器/排氣歧管210的距離，使得前驅(qū)物質(zhì)量傳遞率對時間比保持獨立于離開起泡器的前驅(qū)物濃度的期望型態(tài)。在相關(guān)的實施例中，穿過起泡器202的流率的增加或減少的依據(jù)為：在沉積步驟期間(例如在發(fā)光二極管的制造中，生長p-GaN層時提供Cp₂Mg的梯度摻雜分布)中反應(yīng)器所需的前驅(qū)物質(zhì)量傳遞率是否存在上升或下降。

流向反應(yīng)器/排氣歧管210的氣體混合物，于元件210為反應(yīng)器的配置之中，可選擇更進(jìn)一步地與推氣(例如氮、氫、氦、氬以及其它類似者)混合，以增加氣體混合物達(dá)到反應(yīng)器210時的速度。

當(dāng)反應(yīng)器/排氣歧管210設(shè)定為排氣狀態(tài)時，通過使用適當(dāng)程序來執(zhí)行聲波傳感器206的校準(zhǔn)(其中質(zhì)流調(diào)節(jié)器208防止由稀釋氣體源260供應(yīng)的稀釋物進(jìn)入稀釋點A)。

揭露于本說明書(包含任何隨附權(quán)利要求書、摘要以及圖式)中的所有特征，及/或所有如此揭露的任何方法或制程的步驟皆可以任何組合方式(除了此類特征及/或步驟中的至少一些互相排斥的組合)組合。

揭露于本說明書(包含任何隨附權(quán)利要求書、摘要以及圖式)中的每一特征，除非另行陳述，否則都可出于相同、等效或相似目的而由替代特征來代替。因此，除非另行陳述，否則所揭露的每一特征都僅為同類系列的等效或相似特征的一個實例。