本發(fā)明涉及材料的輻射致氣體滲透測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光輻射薄膜、金屬和非金屬薄片致氣體滲透的測試裝置和方法。

背景技術(shù)：

極紫外光刻(EUVL)技術(shù)是10nm及以下光刻節(jié)點最有前景的光刻技術(shù)之一。由于空氣及絕大多數(shù)材料對13.5nm的EUV光具有強(qiáng)烈的吸收，因此EUV光束需置于真空中。在這種真空環(huán)境下，一些氣體可導(dǎo)致反射鏡的嚴(yán)重失效，如水蒸汽(H₂O)導(dǎo)致其發(fā)生氧化，碳?xì)浠衔?CxHy)導(dǎo)致其表面沉積碳層，因此需控制真空中污染性氣體的含量。EUV光刻機(jī)內(nèi)部具有大量的光電器件，必須采用密封殼體封裝起來，以防止釋放出污染性氣體直接進(jìn)入光刻機(jī)主腔室。在EUV光的直接或間接輻射下，一些封裝材料的氣體滲透率還可能會發(fā)生變化，因此有必要研究材料的輻射致氣體滲透率變化情況。

目前國內(nèi)外主要集中于食品、藥品和電子產(chǎn)品等包裝材料氣體滲透率的阻隔性研究，采用的方法很多，如稱重法、傳感器法、鈣反應(yīng)法、放射性示蹤法、氦質(zhì)譜檢漏法和質(zhì)譜法，其中前五種方法中有的測量靈敏度不高，有的局限了測量氣體種類。而質(zhì)譜法由于靈敏度高、測量速度快和對測試氣體種類無限制，近年來逐漸推廣起來，見美國專利US 4944180A、中國專利ZL 200810045129.9和ZL201310026422.1。但方便快捷的質(zhì)譜計校準(zhǔn)和分壓精確測量一直都是質(zhì)譜法的一個難點。

需要解決的技術(shù)問題為:

(1)采用便捷的方式校準(zhǔn)質(zhì)譜計和系統(tǒng)有效抽速；

(2)準(zhǔn)確真實地和在線實時地測量材料氣體滲透率；

(3)準(zhǔn)確真實地和在線實時地測量光輻射下材料的氣體滲透率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種用于測試材料輻射致氣體滲透的裝置，該裝置包括：真空腔室系統(tǒng)、輻射系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述真空腔室系統(tǒng)包括左腔室1和右腔室2，所述左腔室1和右腔室2是大小相同的圓柱體，通過刀口法蘭連接成一體，所述刀口法蘭間放置有待測材料，支撐網(wǎng)格焊接在右腔室2上，用于支撐待測材料；左腔室1與右腔室2合為一體時，其極限真空為1×10^-7Pa。

優(yōu)選地，所述輻射系統(tǒng)包括光源5及照明系統(tǒng)，用于產(chǎn)生輻射到待測材料3表面上的均勻光束。

優(yōu)選地，所述抽氣系統(tǒng)包括三個抽氣通道，第一抽氣通道的主抽泵為300L/s的磁懸浮分子泵8，用于左腔室抽真空；第二抽氣通道采用兩級分子泵串聯(lián)組成的磁懸浮分子泵組9對右腔室抽真空，抽速分別為600L/s和300L/s；第一抽氣通道和第二抽氣通道共用第一干式機(jī)械泵7作為前級泵；第三抽氣通道采用第二干式機(jī)械泵對金屬密封圈24和橡膠密封圈23之間的空隙抽真空。

優(yōu)選地，所述供氣系統(tǒng)包括順次連接的氣瓶16、減壓閥17、截止閥18和流量控制器19，用于向真空腔室直接充入氣體或流量可調(diào)且已知的氣體，其中流量控制器19經(jīng)過精確校準(zhǔn)。

優(yōu)選地，所述檢測系統(tǒng)包括第一真空計20、第二真空計21和質(zhì)譜計22，其中第一真空計20、第二真空計21分別用于測試左腔室和右腔室的壓力，第二真空計21經(jīng)過精確校準(zhǔn)，質(zhì)譜計22用于測量右腔室的氣體組分和分壓。

一種采用測試材料輻射致氣體滲透的裝置來測試材料輻射致氣體滲透的方法，其用于測試材料的氣體滲透率，包括如下步驟：

步驟S1：放入待測材料樣品3，將左腔室1和右腔室2連接為一體，通過第一抽氣通道和第二抽氣通道，分別將左腔室1和右腔室2抽至極限真空；步驟S2：采用第二真空計21測量右腔室2的氣體壓力；步驟S3：調(diào)節(jié)供氣系統(tǒng)的流量控制器19向左腔室1充入高純氣體i，使達(dá)到一定壓力下的動態(tài)平衡；步驟S4：采用質(zhì)譜計22記錄右腔室2中氣體i的分壓增量ΔP_i；該材料對氣體i在該壓力下的滲透率K_i(g·m^-2·day^-1)為：

$K_i=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_i\·S_{ei}\·M_i}{A\·R\·T}$

其中，S_ei為有效抽速，單位m³/s；M_i為氣體i的摩爾質(zhì)量，單位g/mol；A為樣品的面積，單位m²；R為氣體常數(shù)，單位Pa·m³·K^-1·mol^-1；T為溫度，單位K；

其中，有效抽速S_ei通過以下方式獲得：

步驟SS1：未放入待測材料，將左腔室1和右腔室2連接為一體，通過第一抽氣通道和第二抽氣通道，將系統(tǒng)抽至極限真空；步驟SS2：關(guān)閉第一抽氣通道，調(diào)節(jié)流量控制器19向真空腔室系統(tǒng)中通入已知流量Q_i的99.99％高純氣體i；步驟SS3：達(dá)到動態(tài)平衡后，采用質(zhì)譜計22測量右腔室2的壓力P_i。則第二抽氣通道對該氣體i的有效抽速為S_ei＝Q_i/P_i。

其中，為精確測試真空腔室中氣體i的分壓P_i，需對質(zhì)譜計22進(jìn)行校準(zhǔn)：

步驟SSS1：未放入待測材料，將左腔室1和右腔室2連接為一體，通過第一抽氣通道和第二抽氣通道，將系統(tǒng)抽至極限真空；步驟SSS2：關(guān)閉第一抽氣通道，向真空腔室系統(tǒng)中通入99.99％高純氣體i，形成動態(tài)平衡；步驟SSS3：待腔室中95％以上為氣體i時，記錄第二真空計21測得的總壓P_ion和質(zhì)譜計22測得氣體i的分壓P_i。則質(zhì)譜計22測試氣體i分壓的修正因子C＝P_ion/P_i。

一種采用測試材料輻射致氣體滲透的裝置來測試材料輻射致氣體滲透的方法，其用于測試材料的輻射致氣體滲透率，包括如下步驟：

步驟S1：放入待測材料樣品3，將左腔室1和右腔室2連接為一體，通過第一抽氣通道和第二抽氣通道，分別將左腔室1和右腔室2抽至極限真空；步驟S2：采用第二真空計21測量右腔室2的氣體壓力；步驟S3：調(diào)節(jié)供氣系統(tǒng)的流量控制器19向左腔室1充入高純氣體i，使達(dá)到一定壓力下的動態(tài)平衡；步驟S4：采用質(zhì)譜計22記錄右腔室2中氣體i的分壓增量ΔP_i；該材料對氣體i在該壓力下的滲透率K_i(g·m^-2·day^-1)為：

$K_i=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_i\·S_{ei}\·M_i}{A\·R\·T}$

步驟S5：待氣體滲透達(dá)到穩(wěn)定后，打開光源5對待測樣品3進(jìn)行輻射，記錄右腔室2中氣體i的分壓增量ΔP_i’，材料在該壓力氣體下被輻射時的滲透率變化ΔK_i(g·m^-2·day^-1)為：

${\mathrm{\ΔK}}_i=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_i^{\′}\·S_{ei}\·M_i}{A\·R\·T}$

材料在該壓力氣體下被輻射時的滲透率K_i’(g·m^-2·day^-1)為：

${K_i}^{\′}=K_i+{\mathrm{\ΔK}}_i=\frac{(M+P_i^{\′})\·S_{ei}\·M_i}{A\·R\·T}$

其中，S_ei為有效抽速，單位m³/s；M_i為氣體i的摩爾質(zhì)量，單位g/mol；A為樣品的面積，單位m²；R為氣體常數(shù)，單位Pa·m³·K^-1·mol^-1；T為溫度，單位K；

其中，有效抽速S_ei通過以下方式獲得：

步驟SS1：未放入待測材料，將左腔室1和右腔室2連接為一體，通過第一抽氣通道和第二抽氣通道，將系統(tǒng)抽至極限真空；步驟SS2：關(guān)閉第一抽氣通道，調(diào)節(jié)流量控制器19向真空腔室系統(tǒng)中通入已知流量Q_i的99.99％高純氣體i；步驟SS3：達(dá)到動態(tài)平衡后，采用質(zhì)譜計22測量右腔室2的壓力P_i。則第二抽氣通道對該氣體i的有效抽速為S_ei＝Q_i/P_i。

其中，為精確測試真空腔室中氣體i的分壓P_i，需對質(zhì)譜計22進(jìn)行校準(zhǔn)：

步驟SSS1：未放入待測材料，將左腔室1和右腔室2連接為一體，通過第一抽氣通道和第二抽氣通道，將系統(tǒng)抽至極限真空；步驟SSS2：關(guān)閉第一抽氣通道，向真空腔室系統(tǒng)中通入99.99％高純氣體i，形成動態(tài)平衡；步驟SSS3：待腔室中95％以上為氣體i時，記錄第二真空計21測得的總壓P_ion和質(zhì)譜計22測得氣體i的分壓P_i。則質(zhì)譜計22測試氣體i分壓的修正因子C＝P_ion/P_i。

本發(fā)明的裝置只由左右兩腔室組成一套真空腔室系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單；該裝置增加流量已知且可調(diào)的供氣通道，可校準(zhǔn)系統(tǒng)的有效抽速和質(zhì)譜計，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性；該裝置右腔室采用帶限流小孔的插板閥隔斷，增加輻射致滲透率的測量靈敏度；該裝置增加輻射系統(tǒng)，可測試材料輻射致氣體的滲透率。結(jié)合本發(fā)明裝置，本發(fā)明還分別提出用于測試材料氣體滲透率和材料輻射致氣體滲透率的方法，測量結(jié)果精準(zhǔn)可靠，并可在線測試。

附圖說明

圖1為用于測試材料輻射致氣體滲透的裝置。

圖2為用于測試材料輻射致氣體滲透的裝置中左右兩真空腔室法蘭密封結(jié)構(gòu)。

其中，1-左腔室，2-右腔室，3-待測材料，4-支撐網(wǎng)格，5-光源，6-光束，7-第一干式機(jī)械泵，8-磁懸浮分子泵，9-磁懸浮分子泵組，10-三通閥，11-角閥，12-角閥，13-插板閥，14-帶限流小孔插板閥，15-插板閥上的限流小孔，16-氣瓶，17-減壓閥，18-截止閥，19-流量控制器，20-第一真空計，21-第二真空計，22-質(zhì)譜計，23-橡膠密封圈，24-金屬密封圈，25-第三抽氣通道，26-法蘭螺栓。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作以詳細(xì)的描述：

由圖1和圖2所示，本發(fā)明的用于測試材料輻射致氣體滲透的裝置包括真空腔室系統(tǒng)、輻射系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)。

所述真空腔室系統(tǒng)包括左腔室1、右腔室2、待測材料3、支撐網(wǎng)格4、橡膠密封圈23、金屬密封圈24、第三抽氣通道25和法蘭螺栓26。其中待測材料3置于左右兩腔室法蘭間，采用橡膠圈23密封，左右兩腔室采用無氧銅金屬圈24密封，兩條密封之間的空隙采用通道25抽真空。真空腔室系統(tǒng)外壁均勻包裹有烘烤加熱帶，可對真空腔室系統(tǒng)進(jìn)行烘烤，最高溫可達(dá)200℃。未放入待測材料3時，左腔室1和右腔室2通過金屬密封可連接為一個真空腔室，其極限真空可達(dá)1×10^-7Pa。放入待測材料3后，左腔室1和右腔室2可隔斷。待測材料3可為薄膜、金屬和非金屬薄片。

所述輻射系統(tǒng)用于向真空腔室中的待測材料3進(jìn)行光輻射，包括光源5和光束6。典型的輻射光源有EUV光、準(zhǔn)分子激光和CO₂激光等，也包括其余波長的光源。

所述抽氣系統(tǒng)包括：第一干式機(jī)械泵7、磁懸浮分子泵8、磁懸浮分子泵組9、三通閥10、角閥11、角閥12、插板閥13、帶限流小孔插板閥14、限流小孔15和第三抽氣通道25，組成了三個抽氣通道。第一抽氣通道由第一干式機(jī)械泵7、磁懸浮分子泵8、三通閥10、角閥11和插板閥13構(gòu)成，用于左腔室1的抽真空，磁懸浮分子泵8的典型抽速為300L/s。第二抽氣通道由第一干式機(jī)械泵7、磁懸浮分子泵組9、三通閥10、角閥12、帶限流小孔插板閥14和限流小孔15構(gòu)成，磁懸浮分子泵組9由兩級分子泵串聯(lián)組成，典型抽速分別為600L/s和300L/s。打開插板閥14可對右腔室2抽真空，關(guān)閉插板閥14可通過限流小孔15對右腔室2抽真空，限流小孔直徑可選范圍為5～50mm。第三抽氣通道25采用第二干式機(jī)械泵對圖2的兩密封圈之間縫隙抽真空。

所述供氣系統(tǒng)由氣瓶16、減壓閥17、截止閥18和流量控制器19組成兩供氣通道，既可直接通過截止閥18供氣，也可通過流量控制器19供氣。其中流量控制器19的流量控制范圍為1×10^-2～1×10^-5Pa·m³/s，并經(jīng)過精確校準(zhǔn)，用于向真空腔室充入流量可調(diào)且已知的氣體。

所述檢測系統(tǒng)包括第一真空計20、第二真空計21和質(zhì)譜計22。第一真空計20為復(fù)合規(guī)，測量范圍1.2×10⁵Pa～1×10^-8Pa，用于測量左腔室1的壓力。第二真空計21為冷陰極離子規(guī)，測量范圍1×10^-2Pa～1×10^-8Pa，用于測量右腔室2的壓力，且經(jīng)過精確校準(zhǔn)。質(zhì)譜計22用于測量右腔室2的氣體組分和分壓強(qiáng)，分壓測量下限為1×10^-10Pa。

采用上述的用于測試材料輻射致氣體滲透的裝置，本發(fā)明首先提出一種便捷校準(zhǔn)質(zhì)譜計的方法。步驟S1：未放入待測材料，將左腔室1和右腔室2連接為一體，通過第一抽氣通道和第二抽氣通道，將系統(tǒng)抽至極限真空；步驟S2：關(guān)閉第一抽氣通道，向真空腔室系統(tǒng)中通入99.99％高純氣體i(如He氣)，形成動態(tài)平衡；步驟S3：待腔室中95％以上為氣體i時(質(zhì)譜計22測得的分壓比P₁₈/P_i＜0.05)，記錄第二真空計21測得的總壓P_ion和質(zhì)譜計22測得氣體i的分壓P_i。則質(zhì)譜計22測試氣體i分壓的修正因子C＝P_ion/P_i。

采用上述的用于測試材料輻射致氣體滲透的裝置，本發(fā)明還提出一種便捷校準(zhǔn)系統(tǒng)有效抽速的方法。步驟S1：未放入待測材料，將左腔室1和右腔室2連接為一體，通過第一抽氣通道和第二抽氣通道，將系統(tǒng)抽至極限真空；步驟S2：關(guān)閉第一抽氣通道，調(diào)節(jié)流量控制器19向真空腔室系統(tǒng)中通入已知流量Q_i的99.99％高純氣體i(如He氣)；步驟S3：達(dá)到動態(tài)平衡后，采用質(zhì)譜計22測量右腔室2的壓力P_i。則第二抽氣通道對該氣體i的有效抽速為S_ei＝Q_i/P_i。

采用上述的用于測試材料輻射致氣體滲透的裝置，本發(fā)明還提出一種用于測試材料在不同壓力氣體下的滲透率的方法。步驟S1：放入待測材料樣品3，將左腔室1和右腔室2連接為一體，通過第一抽氣通道和第二抽氣通道，分別將左腔室1和右腔室2抽至極限真空；步驟S2：采用真空計21測量右腔室2的氣體壓力；步驟S3：調(diào)節(jié)供氣系統(tǒng)的流量控制器19向左腔室1充入高純氣體i，使達(dá)到一定壓力下的動態(tài)平衡；步驟S4：采用質(zhì)譜計22記錄右腔室2中氣體i的分壓增量ΔP_i。則該材料對氣體i在該壓力下的滲透率K_i(g·m^-2·day^-1)為：

$K_i=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_i\·S_{ei}\·M_i}{A\·R\·T}$

其中，M_i為氣體i的摩爾質(zhì)量，單位g/mol；A為樣品的面積，單位m²；R為氣體常數(shù)，單位Pa·m³·K^-1·mol^-1；T為溫度，單位K。

采用上述的用于測試材料輻射致氣體滲透的裝置，本發(fā)明還提出一種用于測試材料的輻射致氣體滲透率的方法。在測試材料在不同壓力氣體下的滲透率步驟的基礎(chǔ)上，即步驟S1-S4同上。步驟S5：待氣體滲透達(dá)到穩(wěn)定后，打開光源5對待測樣品3進(jìn)行輻射，記錄右腔室2中氣體i的分壓增量ΔP_i’。同理，材料在該壓力氣體下被輻射時的滲透率變化ΔK_i(g·m^-2·day^-1)為：

${\mathrm{\ΔK}}_i=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_i^{\′}\·S_{ei}\·M_i}{A\·R\·T}$

則材料在該壓力氣體下被輻射時的滲透率K_i’(g·m^-2·day^-1)為：

${K_i}^{\′}=K_i+{\mathrm{\ΔK}}_i=\frac{({\mathrm{\ΔP}}_i+{\mathrm{\ΔP}}_i^{\′})\·S_{ei}\·M_i}{A\·R\·T}$

其中，M_i為氣體i的摩爾質(zhì)量，單位g/mol；A為樣品的面積，單位m²；R為氣體常數(shù)，單位Pa·m³·K^-1·mol^-1；T為溫度，單位K。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明除了可應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻領(lǐng)域測試材料的輻射致氣體滲透率外，還可用于航天領(lǐng)域測試空間材料受光輻射產(chǎn)生的滲透率變化。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。