CN101194339B - 气体监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的气体控制装置(1)，其包括由气密且导磁的外周壁(6)限定的轴向凸起(5)，其与密闭空间如制程腔(11)相连，制程腔(11)中具有用于监测的气体。光辐射传感器(3)被放置在连接密闭空间的轴向凸起(5)的端部，且使得光通过光纤(4a)传输到光谱仪(4)。等离子体发生器(17，18)在连接该密闭空间的轴向凸起(5)的内部空间(8)产生监测等离子体(16)。在连接该密闭空间的轴向凸起(5)的外周壁(6)的外部放置一个或多个磁体(7，7a)，以在传感器(3)附近产生磁场(9)而形成阻止该监测等离子体(16)的电离粒子向传感器(3)传播的磁壁垒。这样防止了该传感器(3)和该密闭空间被阻塞。

Description

气体监测装置
技术领域
本发明涉及一种利用光学发光光谱法来监测气体物质，如密封空间内包括的种类的装置。
背景技术
公知的，这种装置通过光学发光光谱法来进行监测，用存在于气体中的等离子体发射的光辐射来进行分析，测量等离子体发射的所述辐射的光谱，然后分析光谱以从其推导出存在何种气体。
例如，文献US6643014中描述了一种公知的检测器，检测器包括气密壁，该气密壁限定激发腔，其与密封空间所包括的气体直接连通，希望检测所述密封空间中存在的气体物质。通过利用由电力发电机供电的激发天线进行电磁激发，在分枝激发腔中产生等离子体。可选择的，利用微波发生器来实施激发。靠近产生等离子体的区域放置辐射传感器，该辐射传感器包括连接光谱仪的光纤。
这种装置存在的缺点是，当它们被用来监测气体物质时，形成等离子体使得在激发腔的壁上形成沉积物。形成的等离子体使得粒子不仅沉积在激发腔的壁上而且还沉积在辐射传感器上。这导致光传输到光谱仪的累积退化。形成在辐射传感器上的沉积物形成一选择性过滤器，其改变了传输光的谱线，因此当监测气体物质时产生了错误。
因此有必要周期性的打断监测装置的运行以清洁辐射传感器的内表面。例如，当用于真空刻蚀工艺时，有必要打开气体的密封空间并且通过使用酸或溶剂的湿清洁技术清洁它的壁。清洁之后，密封空间需要两到三小时的重新抽空以提取洁净的气体和蒸汽，因此在最终可以重新开始操作正常的刻蚀工艺之前，需要在测试衬底上执行一系列的刻蚀操作。可以理解，这些操作显著减少了这个工艺的整体效率，并且显著的增加了制造成本。
其它文件公开了可以减少制程腔中的透明窗上的沉积风险或速率的多种溶液，所述制程腔通过光学发光光谱法监测该腔中包括的气体物质。
特别是，文献US6390019和US6712927描述了利用在制程腔内的气体中放置永磁体或电磁体，其位于透明窗的上游，且位于具有小孔径的掩模的下游，并用于产生强横向磁场以接收等离子体中的入射电离粒子，以从透明窗的上游束缚它们。然而该装置存在多个缺点，特别是制程腔中放置的磁体形成不可接受的附加污染源。迟早，磁场中接收的带电粒子会沉积在磁体上，从而在磁体的组成材料和接收的活性物质之间产生化学污染。以这样的方式形成的这些新粒子组成该工艺本身的污染源。并且当被放置在真空中时，磁体本身通过脱气放出污染物。进而，如果沉积物过量，需要更换或者清洁磁体。
为了避免该缺点，文献US6503364描述的装置具有中空管，管的一端通过开口与具有产生等离子体的装置的制程腔连通，从而测量所述产生等离子体的装置的光发射。中空管的另一端设有透明材质的测量窗。在连通制程腔的开口附近形成磁场以阻止等离子体渗透进中空管。这样分子粘附在开口附近的腔壁上。这篇文献所描述的装置存在增加制程腔中污染物的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过光学发光光谱法监测混合气体的装置，该装置不仅可以耐受长时间的操作而不需要经常清洁光辐射传感器，同时还避免在密闭空间中产生任何污染。当密闭空间为制程腔时，这种污染物很可能会扰乱工艺。
该发明的监测装置对其中进行的工艺必须完全清洁和透明。
该发明提供利用光学发光光谱法监测密闭空间中包括气体物质的监测装置，该装置包括：
通过开口端连接所述密闭空间的轴向凸起，该凸起由可透过磁场和射频波的气密性外周壁所限定；
在轴向凸起的内部空间的用于产生监测等离子体的装置，该等离子体发射用于分析的光；
至少一个位于轴向凸起的壁上的传感器以用于接收由所述监测等离子体发射的光辐射；
位于气密性壁的外部的发光光谱分析器装置，并接收由监测等离子体发射的、以及由传感器接收的光；和
场发生器装置，用来产生在轴向凸起的内部空间中的场，该场相对于朝向传感器传播的光通量的方向I-I横向取向，用来使监测等离子体的电离粒子和电子通量偏转而离开传感器，所述装置被放置在靠近轴向凸起的气密性外周壁且在其外部，以在轴向凸起的与开口端相反且接近传感器的端部产生场。
用于接收由监测等离子体发出的光辐射的传感器可以，例如，包括对于等离子体发射的光透明的轴向凸起的壁的部分，并且特别的，它可以包括闭合轴向凸起的一个端部的壁的部分。因为该传感器被放置在轴向凸起的远离通向密闭空间的开口的端部，因此该场发生器装置被放置在轴向凸起的外部，仍然接近轴向凸起的内部空间的区域，该区域在等离子体的电离粒子和光线发出的方向上位于传感器的上游。结果，该场发生器装置可以在传感器上游产生场，以保证等离子体中的电离粒子和电子的流偏转，由此阻止电离粒子到达传感器并沉积在其上。这里在场和联系密闭空间的开口之间需要留下足够的轴向凸起的壁的区域，以保证电离粒子沉积在轴向凸起的壁上而不会污染密闭空间。
该等离子体发生器装置被设计来电离管内部空间的用来监测的气体物质。为了产生等离子体，可能提供通过高频发电器供电的外部激发天线，来产生高频电磁激发场。该场由密闭空间穿过轴向凸起的外壁，优选的其由不导电的物质如石英、玻璃、BK7、蓝宝石、或者陶瓷(ZrO2，Cr2O3，...)制成。
本发明的第一实施例中，该场发生器装置是用来产生电磁场的装置。使粒子电离的等离子体中的电子被电磁场束缚并且不能够穿过该由横向磁场组成的磁壁垒。它们因此不能在磁壁垒之外电离粒子。
用足够地非磁化从而可以透过磁场的材料制成的轴向凸起的外壁。
在一有利的实施例中，提供了两个磁体，它们被分别放置在连接密闭空间的轴向凸起的相对侧，并且相互吸引。所述磁体产生的磁场在连接密闭空间的轴向凸起的内部区域中相互叠加，且位于传感器的上游。
在该实施例中，磁体可以放置为靠在连接密闭空间的轴向凸起的外周壁的外表面上，由它们自己相互吸引的磁力保持在位。
结果是，磁体可以容易地移动，例如，为了拆开密闭空间的组成连接密闭空间的轴向凸起的部分，例如，为了清洗的目的。
通过利用非磁性材料的环形外部部分外部包围磁体从而起到机械支持的作用、或者通过利用磁性材料的外部环形部分以同时起到机械支持作用和通过围绕连接密闭空间的轴向凸起闭合磁力线的磁屏蔽作用，可以获得改进。
所述或者每个磁体可以是永磁体。可选的是，所述或者每个磁体可以是电磁体。
在本发明的第二实施例中，该磁场发生器装置用于产生电磁场。
优选但不必须的是，所述轴向凸起以轴向管形式制成，以安装到密闭空间并与其连通，该密闭空间中存在用于监测的气体物质，该管的一端被壁部分闭合，它的相对端与密闭空间连接，提供等离子体发生器装置以电离管内空间中用来监测的气体物质。
该装置适合用来分析密闭空间中含有的混合气体，特别是，无论该工艺的实施是否利用等离子体，该密闭空间可以是一制程腔，或者该密闭空间可以为管道，或者任何其它容器，其中的气体是希望被分析的气体。
优选的轴向凸起中的开口被形成为穿过所述密闭空间的壁。
本发明还提供处理半导体衬底的装置，所述装置包括如上所述的监测装置，所述监测装置与制程腔相连通，从而监测装置适于自身监测制程腔内的气体物质。
本发明还提供处理半导体衬底的装置，该装置包括上述与真空管路相连通的监测装置。
附图说明
通过下面的参考附图的特定实施例的描述示出本发明的其他目的、特征和优点，其中：
图1为示出了第一实施例中与制程腔连接的独立装置形式的监测装置的图解示图；
图2示出图1实施例中的监测装置，其适于控制真空管路中的气体，所述真空管路又与制程腔相连；
图3为本发明监测装置的放大的部分侧视纵向截面图；
图4为图3中A-A面上的横截面；
图5示出了图4中装置的放大的部分俯视截面图，示出电离粒子的偏转；
图6示出通过现有技术的装置获得的空气的光谱；以及
图7示出通过本发明的装置获得的空气的光谱。
具体实施方式
在图6和图7中，以任意单位(a.u.)的光谱线密度是以纵坐标绘出，以纳米为单位的波长沿横坐标绘出。图6和7中的光谱是用同样的光谱测量仪获得的。
在图1和2中示出的实施例中，本发明的监测装置1通过光学发光光谱法监测被气密壁2与外界隔绝的密闭空间中包含的气体物质。壁2包括至少一传感器3，传感器3具有相对于等离子体发射光透明且气密的壁部分6。
发光光谱分析装置4被放置在气密壁2的外部，接收由等离子体发射的、且穿过传感器3的光。该发射光连续穿过壁6的末端部分，然后穿过传输装置比如光纤4a，该例中的传感器3包括透光壁6的末端部分和光纤4a。
在这些实施例中，该传感器3被放置在可透过磁场的气密外壁6所限定的轴向突起5的末端，所述轴向凸起沿轴I-I延伸远离密闭空间的气密壁2的主要部分。
轴向凸起5的外壁6可以有利地用具有令人满意的非磁性性质的材料制成，以透过磁场，以及透过射频(RF)波。该壁6优选用不导电的材料制成，如石英、玻璃、BK7、蓝宝石、或者陶瓷(ZrO2，Cr2O3，...)。
该轴向凸起5为管状，但它也可以有其他等同的形状。在图中示出的例子中，管5在第一端被壁6的形成传感器3的部分闭合，并且管5在第二端5a开口以通过用来检测的气体。
该监测装置1还进一步包括，被放置在接近轴向凸起5的气密外壁6的外部的至少一个场发生器装置，用于产生可以是磁场或电场的场，如磁体7在轴向凸起5的内面8产生磁场9，该场的相对于光通量到传感器3的传播方向横向地取向。有用的光通量传播方向用轴向凸起5的纵向轴I-I来表示。该横向磁场9用来偏转等离子体中电离粒子的通量，保持其远离传感器3。
在图1和2中示出的实施例中，该监测装置1有两个磁体7和7a用于在轴向凸起5的内部空间8中产生横向磁场9，该场使得电离例子远离传感器3。磁体7和7a被分别放置在轴向凸起5的每边，它们相互吸引。
通过实施例这种方式，磁体7和7a仅仅是放置为靠在轴向凸起5的外壁6的外表面上，通过它们自身的相互吸引的磁力保持其位置。
为了集中轴向凸起6的内部空间8的磁场9，以使得带电粒子偏离传感器3，有利的是，且如图3和4所示，可以提供由磁性材料制成的环形外片10覆盖磁体7和7a的外部，形成执行磁屏蔽功能的磁轭，并且绕轴向凸起5使磁力线成环。
更多的特别参考图1所述的实施例。
在该实施例中，监测装置1被安装在制程腔11上，在该制程腔中进行处理基片12的工艺。该制程腔11一般含有低气压的处理气体，希望的是检测所述气体的存在和浓度。
本发明的该监测装置1，为可移动的轴向管的形式，安装到密闭空间并与其连通，该密闭空间由制程腔11组成，在制程腔11中存在用于监测的气体物质。该监测装置1，本身包括用于产生监测等离子体16的装置，所述等离子体发出光以通过发光光谱分析装置4分析。该监测装置1还具有由发电机18供电的激发天线17，其可激发存在于该密闭空间轴向凸起5的内部空间8中的充电气体粒子以产生监测等离子体16。该监测等离子体16发出的光沿传感器3的轴I-I通过光纤4a传播到发光光谱分析装置4。
下面给出图2所示装置的说明。
这里可以看到图1所示实施例的监测装置1，其安装在由真空管路19组成的密闭空间上，其自身与制程腔11相连。
这里可以看到用于产生轴向凸起5的内部空间8中的监测等离子体16的装置，即，激发天线17和发电机18。
这里可以看到其他组成监测装置1的装置，如上面图1中所示，这些同样的装置为相同的数字表示。
图2中，监测装置1适于监测真空管路19中包括的气体物质。
下面参考图3和4，其示出的实施例中磁体7和7a被环形***部分10保持。
在第一实施例中，该环形***部分10用非磁性材料制造，例如，铝或塑料材料，以起到机械支撑磁体7和7a的作用。
在第二实施例中，该环形***部分10可以由磁性材料制造，以起到机械支撑磁体7和7a以及磁屏蔽它们以使磁力线围绕轴向凸起5闭合的作用。
在该两个实施例中，磁体7和7a可以是永磁体。
可选择的，磁体7和7a可以是电磁体，由电源供电，这在图中没有示出。
在图1和2所示实施例中，监测装置1为包括用于产生监测等离子体16的装置的附加装置，所述用于产生监测等离子体的装置包括激发天线17和发电机18。外周壁16有必要用不导电的材料制成以通过由激发天线17和发电机18产生的等离子体激发电磁波。在该构造中，有利的是，将轴向凸起5制成管状，该管的外周壁6由不导电的材料如石英、玻璃、BK7、或蓝宝石制成。
本发明的监测装置1如下所述地运行。
该发光光谱分析装置4，如光谱仪，通过光纤4a或其他任何合适的传输装置接收光线，该光线由监测等离子体16发出并被传感器3接收，该等离子体包含将被分析的气体物质。该光线沿轴向凸起5传播，到达传感器3的壁6，沿光纤4a到达光谱仪4。同时，等离子体16的存在意味着存在的电离粒子容易在传感器3上产生沉积，导致其逐渐变模糊并且导致了改变测量光谱。
图6示出通过现有技术装置的传感器测量获得的空气中等离子体的光发射谱线，所述传感器如在文献US6643014中所述的传感器，所述文献在此引用作为参考，该传感器承受电离粒子的沉积。可以看到，沉积物使得谱线明显变形。紫外线(UV)非常弱，因为其被形成于管内部、传感器内表面上的沉积物完全吸收(最大强度550a.u.)。最糟的情况是，该传感器变得完全不透明并妨碍检测器***的任何适当的操作。
图7示出了通过传感器测量的空气中等离子体的发光光谱，该传感器具有本发明中装置的壁中的透明部分，该透明部分较洁净并且不会发生任何电离粒子的沉积。由于没有任何障碍物，因此紫外线可以被清楚的看到(最大密度16000a.u.)。本发明的该装置阻止了电离粒子到达传感器，从而保持其完全清洁并保证了良好的测量灵敏度。测量灵敏度是图6所示例子的100倍。
参考图3至图5，电离粒子20存在于该轴向凸起5的内部空间8中。这些粒子向各个方向移动，特定电离粒子20在磁体7和7a的上游的区域Z1趋向于向传感器3轴向移动。产生于磁体7和7a之间的磁场9在传感器3的上游(磁体7被放置在轴向凸起5后面且用虚线画出)，产生作用在电离粒子20上的偏移力，该力趋向于在粒子上施加圆形移动21以绕横向磁力线9移动，如图5中区域Z2的图标所示。
实际中，磁体7和7a提供的磁壁垒阻止了电离粒子20和电子在磁场9所占据的区域Z2后面的区域Z3中传播。这样，任何粒子沉积22在外周壁6的磁体7和7a所在的区域Z2的上游发生。可以理解，处于区域Z2的上游的装置的部分需要具有足够的空间允许粒子在其上沉积以避免沉积物越过该装置的开口5a的可能，否则可能会污染密闭空间。因此，该磁场必须产生为尽量远离装置1的开口端5a并且同时紧邻传感器3所在的闭合端。这样电离粒子20不能到达传感器30，并且保持了发光光谱的准确测量，如图7所示。
在本发明中，该密闭空间含有被分析的气体和轴向凸起5，不包括任何外来元件，如天线，磁体等，其可能导致密闭空间中包含的气体被污染。密闭空间中包含的气体只与壁2或6接触，这样本发明中的监测装置1相对于密闭空间中发生的过程完全中性。
在图1和2的实施例中，通过移动磁体7和7a以及组成轴向凸起5的管，可以容易的拆除该监测装置1，例如用于在需要的地方进行清洗。
由于存在磁体7和7a，该传感器3不受该装置中的等离子体16的影响，也不再需要进行频繁清洗。
本发明不限于上述具体描述的实施例，而包括本领域技术人员能力所及的各种变化和概括。

Claims (17)

1.一种监测装置(1)，其使用光学发光光谱法监测密闭空间中所含的气体物质，该监测装置包括：
通过开口端(5a)连接所述密闭空间的轴向凸起(5)，该凸起由可透过磁场和射频波的气密外周壁(6)所限定；
位于所述轴向凸起(5)的壁(6)上的至少一个传感器(3)，以接收由所述监测等离子体(16)发出的光辐射；以及
放置在所述气密壁(6)外部的发光光谱分析装置(4)，其接收由所述监测等离子体(16)发出且被所述传感器(3)接收的光；
场发生器装置(7)，用于在所述轴向凸起(5)的内部空间(8)中产生场(9)，该场相对于朝向所述传感器(3)的光通量的传播方向I-I横切地取向，
该监测装置的特征在于，其还包括，用于在所述轴向凸起(5)的内部空间(8)中产生监测等离子体(16)的装置(17，18)，该等离子体发出用于分析的光；所述场发生器装置(7)被放置为靠近所述轴向凸起(5)的气密外周壁(6)且位于所述气密外周壁(6)的外部，以在所述轴向凸起(5)的与其开口端(5a)相对、且邻近所述传感器(3)的端部产生场(9)，用于在所述监测等离子体(16)的电离粒子(20)和电子与所述传感器(3)之间提供传播屏障。
2.如权利要求1所述的监测装置，其中所述传感器(3)包括所述轴向凸起(5)的壁(6)的对于所述监测等离子体发出的光透明的部分。
3.如权利要求2所述的监测装置，其中所述传感器(3)包括壁(6)的闭合所述轴向凸起的一个端部的部分。
4.如权利要求1到3中任一项所述的监测装置，其中连接所述密闭空间的轴向凸起(5)的外周壁(6)由不导电的材料制成。
5.如权利要求4所述的监测装置，其中连接所述密闭空间的轴向凸起(5)的外周壁(6)的材料选自于石英、玻璃、BK7和蓝宝石。 
6.如权利要求1所述的监测装置，其中所述场发生器装置(7)用于产生磁场。
7.如权利要求6所述的监测装置，其中所述轴向凸起(5)的外周壁(6)由非磁性的材料制成，所述材料适于透过磁场。
8.如权利要求6或7所述的监测装置，所述场发生器装置(7)具有两个磁体(7，7a)，其分别置于所述轴向凸起(5)的每一侧且相互吸引。
9.如权利要求8所述的监测装置，其中所述磁体(7，7a)被压靠在所述轴向凸起(5)的外周壁(6)的外表面上，并通过它们自身的相互吸引的磁力保持在位。
10.如权利要求6所述的监测装置，其中所述磁体(7，7a)被环形外部部分(10)在外部围绕，所述环形外部部分(10)由非磁性材料制成，以起到机械支撑的作用，或者由磁性材料制成，以同时起到机械支撑的作用和使磁力线沿该轴向凸起(5)闭合的磁屏蔽作用。
11.如权利要求6所述的监测装置，其中所述或者每个磁体(7，7a)是永磁体。
12.如权利要求6所述的监测装置，其中所述或者每个磁体(7，7a)是电磁体。
13.如权利要求1到3中任一权利要求所述的监测装置，其中所述场发生器装置(7)是产生电磁场的装置。
14.如权利要求1所述的监测装置，其中连接所述密闭空间的轴向凸起(5)被形成为轴向管状以安装在密闭空间(11，19)上并与其连通，在所述密闭空间(11，19)中存在用于监测的气体物质，所述管的一端被壁部分(6)闭合，且所述管的相对的一端(5a)被开口以与所述密闭空间(11，19)相连，且设置有等离子体发生器装置(17，18)，以电离在所述管的内部空间(8)中的用于监测的气体物质。
15.如权利要求1所述的监测装置，其中朝向所述轴向凸起(5)的开口(5a)被形成在所述密闭空间(11，19)的壁中。
16.一种用于处理半导体衬底的设备，包括如权利要求1到13中任一 权利要求所述的监测装置(1)，所述监测装置(1)与制程腔(11)相连通，所述监测装置(1)从而适于自身监测所述制程腔(11)中的气体物质。
17.一种用于处理半导体衬底的设备，包括如权利要求1到13中任一权利要求所述的监测装置(1)，所述监测装置(1)与真空管路(19)相连通。 
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