專利名稱：用諧波測定光譜靈敏檢測真空中分子種類的方法和裝置的制作方法
本申請是申請日為1996年10月9日、申請?zhí)枮?6112703.1、發(fā)明名稱為“用諧波測定光譜靈敏檢測真空中分子種類的方法和裝置”申請的分案申請，本申請要求1995年10月10日提出的申請?zhí)枮?0/005，013的美國在先申請的優(yōu)先權(quán)。
本發(fā)明涉及用諧波測定吸收光譜檢測試樣中氣相分子種類的方法，而且涉及檢測半導體工藝設(shè)備中相同情況的方法。本發(fā)明也涉及檢測試樣中氣相分子種類的裝置，而且涉及包含同樣情況的半導體工藝設(shè)備。
半導體集成電路是經(jīng)由一系列的工藝來制造。許多工藝涉及使用氣相材料，包括在這樣工藝中的有刻蝕、擴散、化學氣相沉積(CVD)、離子注入、濺射和快速熱處理。在這些工藝中半導體襯底和氣相中的各種分子種類進行接觸。由于集成電路器件的非常優(yōu)良的性能，為了把成品率下降減小到最低程度通常必須考慮使慮接觸半導體襯底的氣體中各種雜質(zhì)濃度為十億分之幾(ppb)或更低。在各種分子雜質(zhì)中間，水氣是很難除去，而有害地影響許多半導體制作工藝。
紅外吸收光譜是眾所周知的一種檢測分子種類的方法。這種方法是基于對在某種分子的固有頻率特征上出現(xiàn)紅外光吸收的測量。然而，當這種方法用來測量真空室內(nèi)微量的各種分子種類時，測量精確度常常受由于在容器外面設(shè)置光源和探測器處存在相同的分子種類所引起的光吸收的限制。
提出了減輕上述問題的三種方法。第一種方法就是使真空室外面的光程較之里面的光程盡可能短，第二種方法是用純凈氣體吸洗真空室外面的光程和第三種方法是使該光程處于真空下。在這里使用的術(shù)語“純氣”指水氣含量基本上為零的氣體。用測量之前抽氣的方法也能把第二種方法和第三種方法結(jié)合起來。
然而，這些方法效果有限，例如，如果在真空室內(nèi)所關(guān)心的分子種類分壓非常低，盡管使用這些方法但是仍能出現(xiàn)顯著的干擾。特別，當所關(guān)心的分子種類是水時，在真空室外的部件常常釋放在密度上足以干擾測量的水氣。除放氣外，漏氣和由容器室外面光程的幾何形狀所覆蓋的體積吹洗不足也能成為引起干擾的原因。這些不希望有的分子種類源是很難或者不可能完全去除，因此妨礙了精確測量進行。
在紅外吸收光譜中，隨壓力線性增大，光吸收在中心吸收頻率附近逐漸展寬。所以，由于在真空室外的較高壓力區(qū)域中的分子引起光吸收的寬度比由于在真空室內(nèi)的較低壓力區(qū)域中的分子引起光吸收的寬度大。此外，在中心頻率上的最大光吸收與所關(guān)心的分子種類的分壓成正比，而與擴展寬度成反比。因此，隨著真空室外氣體總壓增大，擴展寬度也增大。
在采用簡單的紅外光吸收測量時，通過增加真空室外的壓力雖然增大由于在這區(qū)域中分子引起信號的寬度，但是得不到好處，因為所關(guān)心的分子種類的分壓成比例地增大(假定分子種類的濃度保持不變)，由于二種效果抵消，所以由真空室外的分子引起的信號沒有排除。事實上，應當有稍微展寬，展寬的尺寸取決于多普線勒譜寬度。因此，在真空室外的光程中不可能不存在分子種類。紅外光吸收光譜不適用于精確檢測真空室里面微量的分子種類。
根據(jù)另一種大家知道的光譜法，諧波測定光譜法，可以方便地應用由于真空室外的分子引起的較大的擴展寬度。下面更一般性地討論可以在“C.R.Wenlster et al.Infrared Laser Remote Chemical Analysis，Wiley，New York(1988).”中尋查。
水氣在1大氣壓或更高氣壓的空氣或氮混合氣體內(nèi)的情況中，吸收特征的形狀由眾所周知的勞倫茨(Lorentz)分布描述如下I0(v)-I(v)=1πPcISrπ(v-v0)2+γ2]]>此處I0(v)為在頻率v處入射光強度，I(v)為在v處透射光強度，P為壓力，C為水氣體積濃度，I為通過試樣的光程長度，S為已得出的吸收特征特有的譜線強度，r為吸收特征的半寬和V0為其中心頻率。這個公式給出最大光吸收I0(v0)-I(v0)=1πPcISγ]]>當入射光頻率為V0時。
在真空條件下由水氣引起的紅外光吸收的情況中，也就是在很低的分壓時(例如，低于約0.1毫米汞柱，在容器室中氣體總壓不大于約0.5毫米汞柱時)，吸收特征是非常窄的。用多普勒效應首先測定吸收特征的寬度，吸收特征寬度由分子相對于入射光無規(guī)則運動引起，并用下列公式描述(高斯譜線形狀)I0(v)-I(v)=1γEDπPcISexp(v-v0γED)2]]>在上述等式中，γEDIn(2)]]>為在上述條件下吸收特征的半寬，并隨吸收頻率的中心頻率、分子質(zhì)量和溫度而定。由下列公式得出譜線中心信號I0(v0)-I(v0)=PcISγEDπ]]>對于在真空條件下并處于室溫，即約25℃的水氣，相對于頻率接近7100cm-1的紅外光的吸收，γED近似等于0.01cm-1(在這里通過找出合適的近紅外二極管激光光源可以達到比較強的吸收特征)。對于一個大氣壓的空氣或氮氣混合氣中的水氣，γ的典型值為0.1cm-1。γ值取決于氣體試樣的壓力和溫度以及吸收特征的中心頻率。對于在恒定溫度時得出的吸收特征，用下列公式近似地描述rγ=γED+Pb此處b為常數(shù)。雖然Olivero和Longbotham提供了更精確的公式，但是對這樣的討論來說，上述公式足夠了。為了進行諧波測定，調(diào)制入射光源的頻率，由于幅度2和頻率w的正弦調(diào)制以致在時間t時光的頻率由下列公式給出Vmod(t)=v+αcosω對于一次諧波測定，選出在探測器上具有頻率ω并且具有與激光調(diào)制同樣相位的信號成分。例如，通過使用一個鎖相放大器或者通過使用一個把探測器輸出與頻率為ω的正弦信號混合起來的混頻器，使用相位移相器適當調(diào)整其相位，并使混頻器輸出通過一個合適的低通濾波器，能夠?qū)崿F(xiàn)這種情況。在Horowitz和Hill的“Art of Electronics”中可以找到詳細的描述。這種技術(shù)是眾所周知的，而且常常用來從信號中除去具有頻率小于ω的噪聲成分。
在二次諧波測定中，選出具有頻率2ω的信號成分，在三次諧波測定中，選出具有頻3ω的信號成分，等等。
對于在一個大氣壓的氮氣或空氣中的水氣情況，由下列公式給出在V0(譜線中心)上二次諧波信號Signal(v0)=2πPClSγ0,π∫cos(2θ)αθ(αcosθγ)2+1]]>同樣，對于在真空條件下的水氣情況，Signal(v0)=2πPclSγED∫0πcos(2θ)αθexp(acosθγED)2]]>由G.V.H.Wilson，在“J.Appl.Phy.Vol.34 No.11 P3276(1963)”中導出這些公式，對于這二種情況，G.V.H.Hilson也說明了當α/γ(或α/γED)=2．2時得到Signal(V0)的最大值。
或是通過使由光源發(fā)射光的頻率V等于吸收特征的中心頻率V0或是通過反復掃描包括V0區(qū)段上的頻率可以實現(xiàn)二次諧波光譜。如果光源是激光二極管，以前的方法通常要求光源的主動反饋調(diào)整。在現(xiàn)在的情況中，得到在所關(guān)心的整個吸收特征的掃描。不論那一種情況，如果V0上的信號主要是由于所關(guān)心的在試樣區(qū)域內(nèi)的水分子吸收產(chǎn)生，這是非常有利的。


圖1是Signalj的曲線圖，通過設(shè)定γ=0.1 PIS=1(由于所關(guān)心的僅是相對值，為了計算方便)，C=10-6以及α=modj，此處modj在0和1之間變化，根據(jù)Signal(V0)獲得圖1。從圖1能夠看到當modj=0.22(也就是2.2·0.1)時Signalj為最大值，而且能夠看到，對于較小的調(diào)制幅度，信號變得較小。由此得出，對于真空下的試樣，在那里真空室外面的環(huán)境處于大氣壓狀態(tài)，如果調(diào)制幅度調(diào)整到由于在真空室內(nèi)所關(guān)心的分子種類引起的吸收寬度的2.2倍，這樣的調(diào)制幅度將必定比容器外相同的各種分子種類的最佳值小得多。
然而，實際上，當希望查明真空室內(nèi)分子種類例如水的低分壓，和在容器外的光程中存在這種分子種類時，采用比檢測容器內(nèi)分子的最佳值小得多的調(diào)制幅度。當他們進一步抑止由于真空室外的較高壓的分子引起的信號時，故意選擇亞最佳的調(diào)制幅度。
Mucha在“ISA Transactions Vol.25，NO.3P.25(1986)中辨明諧波光譜關(guān)于抑止由于容器外的光程中處于大氣壓的分子引起的信號方面的上述優(yōu)點。Mucha進一步指出，使大氣壓力信號的抑止和由于真空室里面分子引起信號的最佳值的選定均衡的一個最佳調(diào)制幅度的存在。在這一點，不久前在署名Inman等發(fā)明人的以前的著作“Application ofTumable Diode Laser Absorption Spectroscopy to Trace MoistureMeasurements in Gases(應用可調(diào)二極管激光器測量氣體中微量水氣)Anal.Chem.Vol.66 NO.15，P.2471-2479(1994)”中，使調(diào)制幅度調(diào)整由于容器里面分子種類引起的譜線寬度的1.3到1.8倍，實現(xiàn)了Mucha的技術(shù)。
然而，由于采用亞最佳調(diào)制幅度，使這種技術(shù)遇到重要的信號與理論上獲得的信號相比損失最高可到四分之一的不利情況，導致測量真空室里面微量分子種類的靈敏度和能力欠佳。
為了滿足半導體工藝生產(chǎn)的要求和為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種根據(jù)便于在原來位置上精確測定試樣中密度至少低至ppb范圍內(nèi)的氣相分子種類的諧波測定光譜檢測試樣中氣相分子種類的新穎方法。
本發(fā)明進一步的目的是提供一種通過采用本發(fā)明的方法的諧波測定光譜檢測半導體工藝設(shè)備中氣相分子種類的方法。
本發(fā)明進一步的目的是為了實施本發(fā)明的方法提供一種通過諧波測定光譜檢測試樣中氣相分子種類的裝置。
本發(fā)明進一步的目的是提供一種包含通過諧波測定光譜檢測試樣中氣相分子種類的本發(fā)明裝置的半導體工藝設(shè)備。
通過回顧、詳細說明、附圖和附加在本文中的權(quán)利要求，對一個一般精通技術(shù)的人來說本發(fā)明的其他目的和情況是顯而易見的。
用本發(fā)明的方法、裝置和設(shè)備達到上述目的。根據(jù)本發(fā)明的第一種情況，提供一種用諧波測定光譜檢測試樣中氣相分子種類的新穎方法。該方法包括設(shè)置一個具有用至少一道圍壁確定試樣區(qū)域的小室。該小室具有至少一個光入/出口，每個入/出口裝有一個表面面向試樣區(qū)域的透光窗，并配置在圓周方位上以便密封小室。試樣氣體以平行小室中心軸的方向流過試樣區(qū)域，而且小室在小于大氣壓條件下工作。
為使光束透過至少一個透光窗中的一個透光窗進入小室，裝備一個頻率(或波長)調(diào)制光源。使光源調(diào)制幅度調(diào)整到由于試樣區(qū)域內(nèi)被測的氣相分子種類產(chǎn)生的吸收特征中心上的諧波信號值近似達到最大時的數(shù)值。調(diào)節(jié)光源的中心頻率以便或是被鎖定到吸收特征的中心或是在包含特征頻率范圍內(nèi)反復掃描。那時產(chǎn)生的光譜可以逐一記錄或者平均處理。
裝備有一個探測器用于測量通過至少一個透光窗中的一個透光窗從小室出射的光束。光源和探測器裝在小室外面的容器室(chamber)里并與試樣區(qū)域隔離，容器室和試樣區(qū)域被安裝成通過至少一個透光窗中的至少一個透光窗互相光傳遞。使容器里的壓力控制到較之大氣壓為正的壓力值。
本發(fā)明的第二種情況是用諧波測定光譜檢測半導體工藝設(shè)備中氣相分子種類的方法，根據(jù)本發(fā)明的第一種情況應用上述的發(fā)明方法。
為了根據(jù)本發(fā)明的第一種情況實現(xiàn)上述發(fā)明的方法，本發(fā)明的第三種情況是用諧波測定光譜檢測試樣中氣相分子種類的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的第四種情況，提供一種半導體工藝設(shè)備。為了真空室抽真空，該設(shè)備包含與真空泵連接的真空室，為了實現(xiàn)這種發(fā)明方法參閱本發(fā)明的第二種情況。
從下面的最佳實施例的詳細描述及其有關(guān)的附圖本發(fā)明的目的和優(yōu)點將更為顯而易見，在附圖中同樣的數(shù)字表示同樣的元件，而其中圖1描繪總壓為1大氣壓的吸收區(qū)域中心上二次諧波信號與調(diào)制幅度的關(guān)系曲線圖。
圖2A和圖2B分別說明按照本發(fā)明檢測氣相分子種類裝置的截面圖和透視圖。
圖3是對于三種內(nèi)部容器室的水分子分壓所描繪由于外部容器室中的水分子產(chǎn)生的二次諧波信號與由于內(nèi)部容器室中的水分子產(chǎn)生的二次諧波信號的比率對外部容器室中的壓力的關(guān)系曲線的比較圖。
圖4是對于三種內(nèi)部容器室的水分子分壓所描繪由于在外部容器室中的水分子產(chǎn)生的四次諧波信號與由于內(nèi)部容器室中的水分子產(chǎn)生的四次諧波信號的比率對外部容器室中的壓力的關(guān)系曲線的比較圖。
圖6用截面圖說明內(nèi)裝按照本發(fā)明檢測氣相分子種類裝置的半導體工藝設(shè)備。
本發(fā)明的諧波測定光譜方法包含裝有一個具有至少用一道圍壁定出的試樣區(qū)域范圍的小室。其中該小室至少有一個入/出口，而每個入/出口裝有一個表面面向試樣區(qū)域的透光窗并配置在圓周方位上以便密封小室。試樣氣體以平行小室中心軸方向流過試樣區(qū)域，而且小室在小于大氣壓時工作。
為使光束透過至少一個透光窗中的一個透光窗進入小室裝備一個頻率(或波長)調(diào)制光源。光源調(diào)制幅度調(diào)整到使整由于試樣區(qū)域里面被測氣相分子種類產(chǎn)生的吸收特整征中心上的諧波信號值近似達到最大時的數(shù)值。例如在二次諧波情況中這個數(shù)值近似為由度樣區(qū)域里面被探測的氣體分子種類產(chǎn)生的光譜特征寬度的2.2倍。對于四次諧波，這個數(shù)值近似為由試樣區(qū)域里面被探測的氣相分子種類產(chǎn)生的光譜特征區(qū)寬度的3.9倍。
光源的中心頻率，也就是該頻率出現(xiàn)在光源調(diào)制全范圍內(nèi)，或是可以鎖定到吸收特征的中心或是可以在包含特征區(qū)的頻率段上反復掃描。根據(jù)需要，形成的光譜可以逐一地記錄或是平均求值。當在所關(guān)心的光譜區(qū)域范圍內(nèi)反復掃描中心頻率時，這樣的掃描應該以較之調(diào)制頻率低的速度發(fā)生。
為測量通過至少一個透光窗中的一個透光窗從小室出射的光束裝有一個探測器。在小室外部的容器室內(nèi)裝有光源和探測器并與試樣區(qū)域隔離。容器室和試樣區(qū)域被安裝成通過至少一個透光窗中的至少一個透光窗互相光傳遞。使容器內(nèi)的壓力控制到較之大氣壓為正的壓力值。
本發(fā)明的方法和裝置非常適合解決與真空容器內(nèi)各種分子種類的光譜測量有關(guān)的問題。這些問題部分歸因于由于真空室外部光程中存在的相同的分子種類引起的光吸收產(chǎn)生的干擾。特別是，根據(jù)本發(fā)明，申請人由于把位于真空室/測量小室外面的光程部分裝在增壓容器室內(nèi)，防止或最大程度地減小由于這種干擾引起的有害影響。增壓容器室適用于比大氣壓為正的壓力下工作。
參閱圖2A和圖2B，現(xiàn)在將討論本發(fā)明的一種情況，圖2A和圖2B分別用截面圖和透視圖說明檢測氣相分子種類的裝置。
本發(fā)明裝置200包括便于在原來位置上檢測氣體試樣中分子形式的吸收光譜的小室201。小室201具有裝被測試樣的試樣區(qū)域202。用一道或多道圍壁定出試樣區(qū)域的范圍。小室201進一步裝有沿縱向軸204延伸并由此延伸通過小室的開口通道。這樣的構(gòu)造使試樣可以在平行小室中心軸的方向通過小室(用箭頭表示)。在小的圍壁里包含一個或多個光入/出口205，每個入/出口裝有一個面向試樣區(qū)域的透光窗206。同時，小室圍壁和透光窗在環(huán)繞范圍內(nèi)密封小室。為了形成密封適用于真空環(huán)境，可以使用O型圈或其他一般的真空密封材料。
小室進一步包含一個在小室201內(nèi)反射光束的光反射面207例如反射鏡。光源208使光束209通過透光窗206進入小室度樣區(qū)域202，在那里光束從光反射面207反射。
只要使用合適的光源，就可以檢測所關(guān)心的任何雜質(zhì)分子。例如，通過測量從發(fā)射雜質(zhì)特有波長的光的二極管激光光源出射光的衰減可以檢測水氣、一氧化一氮、一氧化碳和甲烷或其他碳氫化合物。
發(fā)射所關(guān)心的分子吸收最強的光譜區(qū)域內(nèi)的光的激光光源導致測量靈敏度上的改善。特別是，最好用發(fā)射波長約長于2μm的光源，因為許多所關(guān)心的雜質(zhì)分子在這個區(qū)域具有強吸收頻帶。
可以使用任何合適的波長可調(diào)的光源。在目前可用的光源中間，因為二極管激光光源的窄波長(約小于10-3cm…1)以及在發(fā)射波長上較高的強度(約0.1到幾毫瓦)所以最好的是二極管激光光源。
二極管激光器的例子包括Pb-鹽二極管激光器和GaAs型二極管激光器。Pb-鹽型激光器在低溫下工作并發(fā)射紅外光(即波長大于3μm)，而GaAs型二極管激光器能在接近室溫下工作并在近紅外區(qū)(0.8-2μm)發(fā)射。
近來，除GaAs(或其他Ⅲ-Ⅴ族化合物對例如GaInAsP、AsP)外還注意到含Sb的二極管激光器(見“Mid-infrared Wavelengthsenhance frace gas”〔“中紅外波長增強微量氣體檢測”〕R.Martinelli，Laser Focus World，March 1996，P.77)。這些二極管在-87.8℃下工作時發(fā)射波長大于2μm的光。盡管這樣的低溫是不方便的，但是比Pb-鹽激光器要求的低溫(小于-170℃)則方便。也報導過同類的激光器在4μm和12℃時工作(見Lasers and Optronics，March 1996)。上述的二極管激光器在溫度至少為-40℃的環(huán)境下將非常好地工作。在這樣的溫度情況下用溫控熱電冷卻器使光光源比用二極管降溫裝置少一些麻煩。為了使這些激光器的使用更合乎要求，在電流密度范圍內(nèi)的光學性質(zhì)上的改進是重要的。例如單模二極管(即，在一定的溫度和驅(qū)動電流時以單一波長發(fā)射而以其他波長的發(fā)射沒有那么強至少為40分貝(dB)的二極管)應該是可以用的。
適合在本發(fā)明使用的光源不局限于上述的二極管激光器。例如，設(shè)想同樣大小和同樣用簡單電學方法可調(diào)的其他類型激光器，諸如纖維激光器和量于級聯(lián)激光器。預計當這樣的激光器大批供應時會使用它們。
光源調(diào)制幅度被調(diào)整到使由于試樣區(qū)域內(nèi)被測的氣相分子種類產(chǎn)生的吸收特征中心上的諧波信號值接近達到最大時的數(shù)值。對于二次諧波，這個數(shù)值是由于試樣區(qū)域內(nèi)被探測的氣相分子種類引起的光譜特征的寬度的2.2倍。對于四次諧波，這個數(shù)值是光譜特征寬度的3.9倍。
光源的中心頻率，也就是，該頻率出現(xiàn)在光源調(diào)制全范圍內(nèi)，或是可以鎖定到吸收特征的中心或是可以在包含特征的頻率范圍內(nèi)反復掃描。根據(jù)需要，形成的光譜可以逐一地記錄或是平均求值。當在所關(guān)心的光譜區(qū)域范圍內(nèi)反復掃描中心頻率時，這樣的掃描應該以較之調(diào)制頻率為低的速度發(fā)生。
為了測定在光束透過透光窗通過試樣區(qū)域并通過透光窗從小室出射后的光束209，裝有探測器210，最好是一個光電二極管。
本領(lǐng)域一般技術(shù)人員能不費力地設(shè)計適合進行頻率調(diào)制的方法，調(diào)節(jié)光源的中心頻率的方法和應用大家知道的設(shè)備、電路和/或處理裝置產(chǎn)生光譜的方法及其控制的方法。省略了簡化頻率調(diào)制和/或控制以及光譜形成的進一步討論，因為相信這是在一般技術(shù)人員的范圍內(nèi)的事。
在加壓容器211里不但裝有光源208而且裝有探測器210，加壓容器室211被安置在小室201的外表面。為了使光束在加壓容器室和小室試樣區(qū)域之間通過，加壓容器室和試樣區(qū)域通過至少一個透光窗互相光傳遞。然而，在加壓容器室和試樣區(qū)域內(nèi)的各自的壓力是互相隔絕的。
系統(tǒng)進一步可以包含控制加壓容器室211里面的壓力到較之大氣壓為正壓力值的裝置。不但在使用報流的情況中而且在不使用氣流的情況中可以保持加壓容器室中的壓力大小。應該采用氣流，合適的氣體包括純氣體或隋性氣體例如氮氣、氬氣和氦氣。這些氣體可以通過一條加壓氣體輸入導管212輸入加壓容器室211。加壓容器室進一步包含一條氣體排氣導管213。此外，在氣體排氣導管上可以包含一個合適的氣流閥門214，例如針孔調(diào)壓閥或回壓調(diào)節(jié)器。
在真空室和真空泵系統(tǒng)相連時小室能在低于大氣壓也就是在真空條件下工作。在這種情況中，因為加壓容器室211和小室201彼此隔開，所以加壓容器室能保持在高于大氣壓的壓力。
進一步確定，通過最佳選擇加壓容器室里壓力對小室里壓力的比率，由于內(nèi)部容器室中的分子引起的總信號相對于由于外部容器室中的分子引起的總信號的百分比率可以達到最大值。根據(jù)下列公式得到由于容器室外的分子引起的二次諧波信號對總信號的比率 分子相當于前面對由于在有一個大氣壓或在較高的空氣或氮氣壓力情況中的水氣引起的二次諧波信號得出的公式。分母是上述公式與前面對由于在真空條件下的水氣引起的二次諧波信號得出的公式之和。
同樣，由下列公式得出上述情況的四次諧波信號 根據(jù)上面所述，假設(shè)在小室外面的壓力為一個大氣壓時小室的內(nèi)外的光程長度相等而且水的分壓相等，并且假設(shè)隨著小室外面區(qū)域中的壓力增高(Pj是在大氣中)小室外面水分子的濃度保持不變。然而，對于小室內(nèi)外的光程長度不相等而且水的分壓不相等的情況，這些規(guī)定的增加部分是在一般精通技術(shù)的人的知識水平范圍內(nèi)。假設(shè)調(diào)制幅度為所使用二次諧波部位內(nèi)的多普勒寬度的2.2倍。
如圖3所示，采用合乎由于水氣引起的對波長在1400nm區(qū)域內(nèi)的光的吸收、合乎在加壓容器室內(nèi)氮氣中水氣濃度為1ppm(按體積)以及合乎在小室/真空室里面分壓為10-6、10-5和10-4毫米汞柱(分別為比率1、比率2、比率3)的系數(shù)值來計算上述公式的值。在圖3中，是把由于外部容器室中的水分子產(chǎn)生的二次諧波信號與內(nèi)部容器室中的信號的比率對三種內(nèi)部容器室分壓時的加壓容器室中的壓力作圖。
該圖說明隨著加壓容器室內(nèi)壓力的增加而比率(即，由于小室內(nèi)的水引起的信號的增加與由于加壓容器室中水分引起的信號的增加比較)減小的一般關(guān)系。例如，當容器室壓力為一個大氣壓(0表壓)和小室/真空室中的水氣壓力為10-6毫米汞柱時，總信號的80％將是由于加壓容器室中的水分子引起的。這樣的比率是不能接受的，由于這樣的比率將在測量中導致大量的干擾，除非水分子的分壓是非常穩(wěn)定的。
因此，為了采用最佳調(diào)制幅度應該使外部容器室中的壓力盡可能高，但是為了減少在那里由水引起的作用到總信號的10％至少是65表壓。此外，在小室/真空室內(nèi)水氣分壓為10-4毫米汞柱時，加壓容器室中的水僅占總信號的3％，而且在這些條件下工作是可以做得到的。然而，如圖3所示，隨著外部壓力增加到20表壓預計外部容器中水分子所起的作用顯著的減少，為總信號的0.6％。在這種情況中，進一步增加加壓容器室內(nèi)的壓力不大可能產(chǎn)生更多益處，由于其他不穩(wěn)定的原因，能夠預計在信號中產(chǎn)生大約1％的波動。雖然在小室壓力高達1大氣壓，而容器室中壓力在1大氣壓和5大氣壓之間時得到本發(fā)明的一些益處，但是小室中的壓力最好小于1毫米汞柱。
發(fā)現(xiàn)當除二次諧波外的諧波應用于本發(fā)明時獲得非常有利而又意想不到的結(jié)果。事實上，發(fā)現(xiàn)高次諧波造成加壓容器室中氣相分子種類隨其內(nèi)的壓力增加而引起的信號的有規(guī)律的較好的抑止。
圖4是根據(jù)與圖3有關(guān)二次諧波的上述討論的類似計算，描繪對于四次諧波測定獲得的結(jié)果的比較曲線圖。在圖4中，由于加壓容器室內(nèi)水分子產(chǎn)生的四次諧波信號與由于內(nèi)部容器室中水分子產(chǎn)生的四次諧波信號的比率在三種內(nèi)部容器室水分子分壓為10-6、10-5和10-4毫米汞柱(分別為比率1、比率2、和比率3)時對加壓容器室內(nèi)的壓力作圖。如同從該圖能夠看到的那樣，隨著加壓容器室壓力的增加，四次諧波通常顯示出比率上的減少。然而，在增加到超過一定的壓力時比率比較恒定，而壓力的進一步增加不會導致比率上的進一步顯著的減小。
圖5說明在二次諧波測定(secharm)、四次諧波測定(fourharm)和光源頻率沒有任何調(diào)制的測定(nomod)的情況時，在外部容器室和內(nèi)部容器室中的水的分壓相等而且光程相等的情況時外部容器室加壓的有關(guān)益處。在沒有調(diào)制處可以看出，從加壓中沒有得到好處。在外部容器室為大氣壓的情況時的二次諧波測定結(jié)果是80％吸收由外部容器室中的水引起，如以前所述，這是不能接受的。增加外部容器室壓力到65表壓將產(chǎn)生由該容器室中水氣引起總信號的10％的作用，這應該是能接受的。然而，在這種情況中采用四次諧波測定是最好的，甚至在外部容器室壓力為一個大氣壓時四次諧波測定導致該容器室內(nèi)的水氣起10％的作用，而且，隨著外部容器室適度加壓為15表壓時，能夠減小由該容器室中水產(chǎn)生的作用到小于1％。
上述的新穎裝置可以供在原來位置上檢測從真空室抽出的氣體中的分子種類用，并且在高達高真空級或超高真空級時具有運作能力。如此情況，小室可以配置在真空室和真空泵系統(tǒng)之間。該裝置適合于廣范圍的材料。例如，真空室可以裝有能處于等離子態(tài)或非等離子態(tài)的反應氣體或不反應(隋性)氣體。適合于本發(fā)明裝置的反應氣體例子包括含有水分密度小于1000ppm的SiH4、HCl和Cl2。在本發(fā)明的裝置中也能適用于不反應的氣體諸如O2、N2、Ar和H2在等離子態(tài)環(huán)境中使用本發(fā)明裝置的情況中，為了最大程度地減少在窗口和小室的其他表面上形成的沉積物，最好離開等離于區(qū)約6吋或6吋以上安裝本裝置。
由于上述的與圖2A和圖2B有關(guān)的裝置能夠在各種氣氛中使用，所以該裝置特別適合用于監(jiān)測半導體工藝設(shè)備中分子種類。本裝置和半導體工藝設(shè)備一起使用便于在原來位置上實時檢測氣相分子雜質(zhì)，這在使成品率下降減至最低程度上尤為重要。
圖6中表示這種設(shè)備的一個例子。所說明的設(shè)備615包含一個真空室616，在其里面把半導體襯底617放置在襯底支座618上。當輸送一種氣體或復合氣體到真空室裝有一個工藝氣體進氣口619。通過一條在真空室里的排氣管道620使真空室抽真空。使真空室抽真空的真空泵(沒表示出)與真空室或是直接連接或是通過真空管道連接。泵排氣管可以與泵連接，可以與另一個泵連接或者可以與凈氣器連接?？梢允褂玫恼婵毡玫睦邮菣C械泵、增壓泵和旋轉(zhuǎn)式泵、擴散泵、低溫抽氣泵以及渦輪分子泵。前面已詳細地敘述了與圖2A和圖2B有關(guān)的裝置。
當說明本發(fā)明裝置600被安置在真空室下方時，精通技術(shù)的人會很快意識到安置在其他方位也是可能的。當在圖6中一般性地說明半導體工藝設(shè)備的結(jié)構(gòu)時，精通技術(shù)的人很快地意識到該裝置實際上能適用于任何使用真空系統(tǒng)的半導體工藝設(shè)備。這樣的設(shè)備的例子是刻蝕設(shè)備、擴散設(shè)備、化學氣相沉積(CVD)設(shè)備、離子注入設(shè)備、濺射設(shè)備和快速熱處理設(shè)備。
當根據(jù)本發(fā)明的特定實施例來詳細描述本發(fā)明時，對精通技術(shù)的人來說能作各種變化和變更，以及使用同等裝置，沒有脫離附加的權(quán)利要求范圍，這是顯而易見的。
權(quán)利要求
1．一種用諧波測定光譜檢測試樣中氣相分子種類的方法，包含設(shè)置一個具有至少一道圍壁定出的試樣區(qū)域范圍的小室，該小室具有至少一個光入/出口，每個入/出口裝有一個表面面向試樣區(qū)域的透光窗并配置在圓周方位上以便密封小室。其中試樣氣體以平行小室中心軸的方向流過試樣區(qū)域，小室工作于大氣壓附近或小于大氣壓。設(shè)置一個頻率和/或幅度調(diào)制光源，用于將一束光通過至少一個透光窗中的一個透光窗進入小室，并將光源的調(diào)制幅度設(shè)置到使由于試樣區(qū)域內(nèi)被測氣相分子種類產(chǎn)生的吸收特征中心上的諧波信號值近似達到最大時的數(shù)值；調(diào)整光源的中心頻率以便或是被鎖定到吸收特征的中心，或是在包含有特征的頻率范圍上反復掃描，形成的光譜根據(jù)需要可以逐一地記錄或者平均處理；裝備一個探測器，用于測量通過至少一個透光窗中的一個透光窗從小室出射的光束；其中光源和探測器裝在小室外面的容器室內(nèi)并與試樣區(qū)域隔離，容器室和試樣區(qū)域被安裝成通過至少一個透光窗中的至少一個透光窗互相光傳遞，并使容器室里面的壓力控制到較之大氣壓為正的數(shù)值。
2．根據(jù)權(quán)利要求1檢測氣相分子種類的方法，其中諧波信號是二次諧波信號，而且調(diào)制幅度被調(diào)整到由于試樣區(qū)域中的被探測氣相分子種類產(chǎn)生的光譜吸收特征寬度的近似2.2倍。
3．根據(jù)權(quán)利要求1檢測氣相分子種類的方法，其中諧波信號是四次諧波信號，而且調(diào)制幅度被調(diào)整到由于試樣區(qū)域中的氣相分子種類產(chǎn)生的光譜吸收特征寬度的近似3.9倍。
4．根據(jù)權(quán)利要求1檢測氣相分子種類的方法，進一步包含為使由于容器室中各種氣相分子種類引起的測量信號的百分比近乎地達到最大，控制容器室里面的壓力。
5．根據(jù)權(quán)利要求4檢測氣相分子種類的方法，其中采用針孔調(diào)壓閥或回壓調(diào)節(jié)器控制容器室壓力。
6．根據(jù)權(quán)利要求1檢測氣相分子種類的方法，進一步包含把加壓氣體輸入到容器室內(nèi)而且可選擇地從容器室排出氣體。
7．根據(jù)權(quán)利要求1檢測氣相分子種類的方法，其中頻率和/或幅度調(diào)制光源是二極管激光器。
8．根據(jù)權(quán)利要求1檢測氣相分子種類的方法，其中各種氣相分子種類是水氣。
9．根據(jù)權(quán)利要求1檢測氣相分子種類的方法，其中氣相分子種類在從真空室，或是從在接近大氣壓條件下工作的容器抽出的氣體中被檢測的。
10．根據(jù)權(quán)利要求9檢測氣相分子種類的方法，其中小室被安置在真空室和真空泵之間并與真空室和真空泵相連。
11．根據(jù)權(quán)利要求10檢測氣相分子種類的方法，其中真空室構(gòu)成半導體工藝設(shè)備的一部分。
12．根據(jù)權(quán)利要求11檢測氣相分子種類的方法，其中半導工藝設(shè)備是從由刻蝕設(shè)備、化學氣相沉積設(shè)備、離子注入設(shè)備、濺射設(shè)備和快速熱處理設(shè)備組成的組中挑選出來的。
13．根據(jù)權(quán)利要求12檢測氣相分子種類的方法，其中半導體工藝設(shè)備是刻蝕設(shè)備。
14．根據(jù)權(quán)利要求1檢測氣相分子種類的方法，進一步包括在真空室中產(chǎn)生等離子體。
15．根據(jù)權(quán)利要求1檢測氣相分子種類的方法，進一步包括把反應氣體輸入到真空室中。
16．用諧波測定光譜檢測半導體工藝設(shè)備中的氣相分子種類的方法，包括設(shè)置一個與真空泵相連的真空室而同時使真空室抽真空；設(shè)置一個具有用至少一道圍壁出的試樣區(qū)域范圍的小室，該小室具有至少一個光入/出口，每個入/出口裝有一個表面面向試樣區(qū)域的透光窗并配置在圓周方位上以便密封小室，小室工作于大氣壓或小于大氣壓；設(shè)置一個頻率和/或幅度調(diào)制光源用于將一束光透過至少一個透光窗中的一個透光窗進入小室，并將光源的調(diào)制幅度設(shè)置到使由于試樣區(qū)域內(nèi)被測氣相分子種類引起的吸收特征中心上的諧波信號值近似達到最大時的數(shù)值；調(diào)節(jié)光源的中心頻率以便或是被鎖定到吸收特征的中心，或是在包含有特征的頻率范圍上反復掃描，形成的光譜根據(jù)需要可以逐一地記錄或者平均處理；設(shè)置一個探測器，用于測量通過至少一個透光窗中的一個透光窗從小室出射的光束；其中光源和探測器裝在小室外面的容器室內(nèi)并與試樣區(qū)域隔離，容順室和試樣區(qū)域被安裝成通過至少一個透光窗中的至少一個透光窗互相光傳遞，并使容器室內(nèi)的壓力控制到較之大氣壓為正的數(shù)值。
17．根據(jù)權(quán)利要求16檢測氣相分子種類的方法，其中諧波信號是二次諧波信號，并且調(diào)制幅度被調(diào)整到由于試樣區(qū)域中的被探測氣相分子種類產(chǎn)生的光譜吸收特征寬度的近似2.2倍。
18．根據(jù)權(quán)利要求16檢測各種氣相分子種類的方法，其中諧波信號是四次諧波信號，并且調(diào)制幅度被調(diào)整到由于試樣區(qū)域中的被探測氣相分子種類產(chǎn)生的光譜吸收特征寬度的近似3.9倍。
19．根據(jù)權(quán)利要求16檢測氣相分子種類的方法，其中容器室內(nèi)的壓力被調(diào)節(jié)到使由于容器室內(nèi)被探測的氣相分子種類產(chǎn)生的總信號的百分比近乎達到最大。
20．用諧波測定光譜檢測試樣中氣相分子種類的方法，包括小室具有一個用至少一道圍壁定出的試樣區(qū)域，該小室具有至少一個光入/出口，每個入/出口裝有一個表面面向試樣區(qū)域的透光窗并配置在圓周方位上以便密封小室，其中試樣氣體以平行小室中心軸的方向流過試樣區(qū)域，小室能在小于大氣壓的條件下工作；一個頻率和/或幅度調(diào)制光源系統(tǒng)，包含把光束通過至少一個透光窗中的一個透光窗輸入小室的光源；及調(diào)整光源的調(diào)制幅度到使由于試樣區(qū)域內(nèi)被測的氣相分子種類產(chǎn)生的吸收特征中心上的諧波信號近似達到最大時的數(shù)值的裝置；調(diào)節(jié)光源的中心頻率以便或是被鎖定到吸收特征的中心，或是在包含特征頻率的區(qū)段內(nèi)反復掃描的裝置，用于產(chǎn)生可以逐一地記錄或者平均處理光譜的裝置；設(shè)置一個探測器用于測量通過至少一個透光窗中的一個透光窗從小室出射的光束；其中光源和探測器裝在小室外面容器室里并與試樣區(qū)域隔離、容器室和試樣區(qū)域通過至少一個透光窗中的至少一個透光窗互相光傳遞、以及使容器內(nèi)的壓力控制到較之大氣壓為正的數(shù)值的裝置。
21．根據(jù)權(quán)利要求20檢測氣相分子種類的裝置，其中諧波信號是二次諧波信號，而調(diào)制幅度近似為由于試樣區(qū)域中被探測的氣相分子種類產(chǎn)生的光譜吸收特征的寬度的2.2倍。
22．根據(jù)權(quán)利要求20檢測各種氣相分子種類的裝置，其中諧波信號是四次諧波信號，而調(diào)制幅度近似為由于試樣區(qū)域中被探測的氣相分子種類產(chǎn)生的光譜吸收特征的寬度的3.9倍。
23．根據(jù)權(quán)利要求20檢測氣相分子種類的裝置，其中容器室內(nèi)的壓力被調(diào)節(jié)到使由于容器室內(nèi)被探測的氣相分子種類產(chǎn)生的總信號的百分比達到最大。
24．根據(jù)權(quán)利要求20檢測氣相分子種類的裝置，其中容器室壓力控制方法包含一個加壓氣體進氣口和一個與容器室連接的排氣出口。
25．根據(jù)權(quán)利要求24檢測氣相分子種類的裝置，其中容器壓力控制方法進一步包括一個針孔調(diào)壓閥或一個回壓調(diào)節(jié)器。
26．根據(jù)權(quán)利要求20檢測氣相分子種類的裝置，其中頻率和/或幅度*調(diào)制光源是二極管激光器。
27．根據(jù)權(quán)利要求20檢測氣相分子種類的裝置，其中各種分子種類是水氣。
28．根據(jù)權(quán)利要求20檢測氣相分子種類的裝置，其中小室被安置在真空室和真空泵之間并與真空室和真空泵相連。
29．根據(jù)權(quán)利要求28檢測氣相分子種類的裝置，其中真空室構(gòu)成半導體工藝設(shè)備的一部分。
30．根據(jù)權(quán)利要求29檢測氣相分子種類的裝置，其中半導體工藝設(shè)備是從刻蝕設(shè)備、化學氣相沉積設(shè)備、離子注入設(shè)備、濺射設(shè)備和快速熱處理設(shè)備組成的組中挑選出來的。
31．根據(jù)權(quán)利要求30檢測氣相分子種類的裝置，其中半導體工藝設(shè)備是刻蝕設(shè)備。
32．根據(jù)權(quán)利要求28檢測氣相分子種類的裝置，其中真空室是用來容納等離子氣氛。
33．根據(jù)權(quán)利要求28檢測氣相分子種類的裝置，其中真空室是用來容納反應氣體氣氛。
34．一種半導體工藝設(shè)備，包括真空室，與將其抽真空的真空泵相連；用諧波測定光譜檢測試樣中氣相分子種類的裝置包含具有用至少一道圍壁定出的試樣區(qū)域范圍的小室，小室具有至少一個光入/出口，每個入/出口裝有一個表面面向試樣區(qū)域的透光窗并配置在圓周方位上以便密封小室，其中試樣氣體以平行小室中心軸的方向流過試樣區(qū)域，小室能在小于大氣壓條件下工作；一個頻率和/或幅度調(diào)制光源系統(tǒng)包含把光束通過至少一個透光窗中的一個透光窗輸入小室的光源、調(diào)節(jié)光源的調(diào)制幅度到由于試樣區(qū)域內(nèi)被探測的氣相分子種類引起的吸收特征中心上的諧波信號近似達到最大時的數(shù)值的裝置、調(diào)節(jié)光源的中心頻率以便或是被鎖定到吸收特征的中心，或是在包含特征頻率范圍內(nèi)反復掃描的裝置和用于產(chǎn)生可以逐一地記錄或者平均處理光譜的裝置；設(shè)置一個探測器用于測量通過至少一個透光窗中的一個透光窗從小室出射的光束；其中光源和探測器裝在小室外面的容器室里并與試樣區(qū)域隔離，容器室和試樣區(qū)域通過至少一個透光窗中的至少一個透光窗互相光傳遞，以及使容器內(nèi)的壓力控制到較之大氣壓為正的數(shù)值的裝置。
35．根據(jù)權(quán)利要求34檢測氣相分子種類的裝置，其中諧波信號是二次諧波信號，而調(diào)制幅度近似為由于試樣區(qū)域中被測的氣相分子種類產(chǎn)生的光譜吸收特征的寬度的2.2倍。
36．根據(jù)權(quán)利要求34檢測氣相分子種類的裝置，其中諧波信號是四次諧波信號，而調(diào)制幅度近似為由于試樣區(qū)域中被測的氣相分子種類產(chǎn)生的光譜吸收特征的寬度的3.9倍。
37．根據(jù)權(quán)利要求34檢測氣相分子種類的裝置，其中容器室內(nèi)的壓力被設(shè)到使由于容器室內(nèi)被測的氣相分子種類產(chǎn)生的總信號百分比達到最大。
全文摘要
一種諧波測定光譜的新穎方法和裝置,包括裝備一確定試樣區(qū)范圍的室,該室具有至少一個光入/出口;一頻率和/或幅度調(diào)制光源。光源的幅度調(diào)整到試樣區(qū)內(nèi)被測氣相分子種類產(chǎn)生的吸收特征區(qū)中心上的諧波信號達到最大時的數(shù)值。光源的中心頻率被鎖定到吸收特征區(qū)的中心或在特征頻率的區(qū)段內(nèi)反復掃描,產(chǎn)生的光譜被記錄或平均。裝備有探測器,測量從室出射的光束。在室外面容器內(nèi)裝有光源和探測器。本方法檢測試樣中的氣相分子種類,在半導體工藝中有特定的適用范圍。
文檔編號G01N21/31GK1283788SQ0012005
公開日2001年2月14日 申請日期2000年7月5日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月10日
發(fā)明者詹姆斯·邁克安德魯, 羅納德·S·英曼 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司