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ALLGEMEINER STAND DER
TECHNIK
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1. Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von
Gasphasen-Molekülspezies
in einer Probe durch Oberwellendetektionsspektroskopie und ein Verfahren
zum Detektieren selbiger in einer Halbleiterverarbeitungsvorrichtung.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein System zum Detektieren
von Gasphasen-Molekülspezies
in einer Probe durch Oberwellendetektionsabsorptionsspektroskopie
und eine diese umfassende Halbleiterverarbeitungsvorrichtung.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Integrierte
Halbleiterschaltungen (ICs) werden über eine Reihe von Prozessen
hergestellt, und an vielen von diesen ist die Verwendung von gasförmigen Materialien
beteiligt. Zu solchen Prozessen zählen das Ätzen, die Diffusion, die chemische
Dampfabscheidung (CVD), die Ionenimplantierung, das Sputtern und
die schnelle thermische Verarbeitung. Bei diesen Prozessen wird
zwischen einem Halbleitersubstrat und Molekülspezies in der Gasphase Kontakt
hergestellt. Infolge der extrem feinen Merkmale der IC-Bauelemente
werden Teile pro Milliarde (ppb) und niedrigere Konzentrationen
an Verunreinigungen in den die Halbleitersubstrate kontaktierenden
Gasen üblicherweise
als notwendig angesehen, um den Ausbeuteverlust auf ein Minimum
zu reduzieren. Unter den molekularen Verunreinigungen ist Feuchtigkeit
extrem schwer zu eliminieren und es beeinträchtigt viele Halbleiterherstellungsprozesse.
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Ein
bekanntes Verfahren zum Detektieren von Molekülspezies ist die Infrarotabsorptionsspektroskopie.
Dieses Verfahren basiert auf der Messung der Infrarotlichtabsorption,
die bei für
ein gegebenes Molekül charakteristischen
spezifischen Frequenzen auftritt. Wenn dieses Verfahren jedoch dazu
verwendet wird, Spurenmengen an Molekülspezies in einer Vakuumkammer
zu messen, wird die Meßpräzision oftmals
durch Lichtabsorption begrenzt, die auf das Vorliegen der gleichen
Spezies außerhalb
der Kammer, wo die Lichtquelle und der Detektor angeordnet sind,
zurückzuführen ist.
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Es
sind drei Verfahren zum Mildern des oben beschriebeben Problems
vorgeschlagen worden. Bei dem ersten wird der Lichtweg außerhalb
der Vakuumkammer relativ zum Weg darin so kurz wie möglich gemacht,
bei dem zweiten wird der Lichtweg außerhalb der Vakuumkammer mit
einem reinen Gas gespült,
und beim dritten wird dieser Lichtweg unter Vakuum gesetzt. Der
Ausdruck "reines
Gas", wie er hier
verwendet wird, bezieht sich auf ein Gas mit einem Feuchtigkeitsgehalt
von im wesentlichen Null. Der zweite und dritte Vorgang können außerdem kombiniert
werden, indem vor der Messung evakuiert wird.
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Diese
Vorgehensweisen haben jedoch nur eine begrenzte Effektivität. Wenn
beispielsweise der Partialdruck der interessierenden Molekülspezies
innerhalb der Vakuumkammer sehr niedrig ist, kann es trotz dieser
Vorkehrungen immer noch zu einer signifikanten Störung kommen.
Insbesondere wenn die interessierende Molekülspezies Wasser ist, gasen
Komponenten außerhalb
der Vakuumkammer oftmals Wasser mit einer Konzentration aus, die
ausreicht, um die Messung zu stören.
Zusätzlich
zu dem Ausgasen können
auch Lecks und schlecht gespülte
Volumen, die durch die Geometrie des Wegs außerhalb der Kammer verursacht
werden, zu der Störung
beitragen. Es ist extrem schwierig oder unmöglich, diese unerwünschten
Quellen von Molekülspezies
vollständig
zu eliminieren, wodurch das Vornehmen präziser Messungen verhindert
wird.
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Bei
der Infrarotabsorptionsspektroskopie tritt die Absorption von Licht
mit einer Spreizung um die absorptionsmittende Frequenz auf, die
linear mit dem Druck zunimmt. Deshalb ist die Breite der Lichtabsorption, die
auf die Moleküle
in dem unter einem höheren
Druck stehenden Gebiet außerhalb
der Vakuumkammer zurückzuführen ist,
größer als
die Breite aufgrund der Moleküle
in dem einen geringeren Druck aufweisenden Gebiet innerhalb der
Vakuumkammer. Außerdem
ist die maximale Lichtabsorption bei der Mittenfrequenz direkt proportional
zum Partialdruck der interessierenden Spezies und umgekehrt proportional
zu der Breite des Übergangs.
Folglich steigt mit zunehmendem Gesamtdruck des Gases außerhalb
der Vakuumkammer auch die Breite des Übergangs.
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Wenn
eine einfache Infrarotabsorptionsmessung verwendet wird, erhält man durch
Erhöhen
des Drucks außerhalb
der Vakuumkammer keinen Vorteil, obwohl die Breite des auf Moleküle in diesem
Gebiet zurückzuführenden
Signals erhöht
ist, weil der Partialdruck der interessierenden Spezies proportional
zunimmt (unter der Annahme, daß die
Konzentration der Spezies konstant bleibt), das auf die Moleküle außerhalb
der Vakuumkammer zurückzuführende Signal
wird wegen der Aufhebung der beiden Effekte nicht unterdrückt. Tatsächlich würde eine
geringfügige
Verbesserung vorliegen, deren Größe von der
Doppler-Linienbreite abhängt. Dadurch
können
die Molekülspezies
im Lichtweg außerhalb
der Vakuumkammer nicht negiert werden. Die Infrarotabsorptionsspektroskopie
eignet sich deshalb nicht für
das präzise
Messen von Spurenmengen der Molekülspezies innerhalb der Vakuumkammer.
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Gemäß einem
weiteren bekannten spektroskopischen Verfahren, der Oberwellendetektionsspektroskopie,
kann die auf Moleküle
außerhalb
der Vakuumkammer zurückzuführende größere Breite
des Übergangs vorteilhaft
verwendet werden. Eine allgemeinere Erörterung des folgenden findet
man in C.R. Webster et al. Infrared Laser Absorption: Theory and
Applications in Laser Remote Chemical Analysis, Wiley, New York,
USA (1988).
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In
dem Fall, daß sich
der Wasserdampf in einer Luft- oder
Stickstoffmatrix mit einem Druck von 1 Atmosphäre oder darüber befindet, wird die Form
des Absorptionsmerkmals durch das wohlbekannte Lorentz-Profil wie folgt
beschrieben:
wobei I
0(v)
die Intensität
des einfallenden Lichts bei der Frequenz v ist, I(v) die Intensität des übertragenen Lichts
bei v, P der Druck, c die Volumenkonzentration von Wasserdampf,
I die Länge
des Lichtwegs durch die Probe, S die Linienstärkencharakteristik des gegebenen
Absorptionsmerkmals, γ die
Halbwertsbreite des Absorptionsmerkmals und v
0 seine
Mittenfrequenz ist. Durch diesen Ausdruck ergibt sich eine maximale
Lichtabsorption:
wenn die Frequenz des einfallenden
Lichts v
0 ist.
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Bei
Infrarotlichtabsorption durch Wasserdampf unter Vakuumbedingungen,
d.h. bei einem sehr niedrigen Partialdruck (z.B. unter etwa 13,33
Pa (0,1 Torr) sind bei einem Gesamtgasdruck in der Kammer von höchstens
etwa 66,66 Pa (0,5 Torr) die Absorptionsmerkmale viel schmaler.
Die Absorptionsmerkmalsbreite wird in erster Linie durch den Doppler-Effekt
bestimmt und ergibt sich aus der Zufallsbewegung von Molekülen bezüglich des einfallenden
Lichts und wird durch den folgenden Ausdruck beschrieben (Gauß'sche Linienform):
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Bei
der obigen Gleichung ist γED√ln(2) die Halbwertsbreite
des Absorptionsmerkmals unter den obigen Bedingungen und hängt von
der Mittenfrequenz der Absorptionsfrequenz, der Molekülmasse und
der Temperatur ab. Das Linienmittensignal ist gegeben durch die
Formel:
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Bei
Wasserdampf unter Vakuumbedingungen und bei Raumtemperatur, d.h.
etwa 25°C,
ist γ
ED etwa gleich 0,01 cm
–1 für die Absorption
von Infrarotlicht bei Frequenzen in der Nähe von 7100 cm
–1 (wo
relativ starke Absorptionsmerkmale liegen, die durch zweckmäßige Nahinfrarot-Diodenlaserquellen
zugänglich
sind). Bei Wasserdampf in einer Matrix aus Luft oder Stickstoff
bei einem Druck von 1 Atmosphäre
beträgt
ein typischer Wert für γ 0,1 cm
–1.
Der Wert für γ hängt von
dem Druck und der Temperatur der gasförmigen Probe und der Mittenfrequenz
des Absorptionsmerkmals ab. Für
ein gegebenes Absorptionsmerkmal bei konstanter Temperatur wird γ ungefähr durch
die folgende Formel beschrieben:
wobei b eine Konstante ist.
Eine präzisere
Gleichung wurde von Olivero und Longbotham geliefert, jedoch reicht
obige Gleichung für
die Zwecke dieser Erörterung
aus.
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Um
eine Oberwellendetektion durchzuführen, wird die Frequenz der
einfallenden Lichtquelle mit einer sinusförmigen Modulation der Amplitude
a und der Frequenz ω moduliert,
so daß die
Frequenz des Lichts zum Zeitpunkt t gegeben ist durch den Ausdruck:
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Bei
einer Detektion der ersten Oberwelle wird jene Komponente des Signals
beim Detektor ausgewählt,
das eine Frequenz ω und
die gleiche Phase wie die Lasermodulation aufweist. Dies kann man
beispielsweise dadurch erzielen, daß man einen Lock-in-Verstärker oder
eine Mischstufe zum Kombinieren des Detektorausgangssignals mit
einem sinusförmigen
Signal der Frequenz ω verwendet,
dessen Phase unter Verwendung eines Phasenschiebers auf geeignete
Weise justiert wird, und das Mischstufenausgangssignal durch ein geeignetes
Tiefpaßfilter
schickt. Eine ausführliche
Beschreibung findet man in The Art of Electronics von Horowitz und
Hill. Diese Technik ist wohlbekannt und wird dazu verwendet, Rauschkomponenten
mit einer Frequenz unter ω aus
dem Signal zu entfernen.
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Bei
der Detektion der zweiten Oberwelle wird die Komponente des Signals
mit der Frequenz 2ω ausgewählt, bei
der Detektion der dritten Oberwelle wird die Komponente des Signals
mit der Frequenz 3ω ausgewählt usw.
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Für den Fall
von Wasserdampf in Stickstoff oder Luft bei einem Druck von 1 Atmosphäre ist das
zweite Oberwellensignal bei v0 (Linienmitte)
gegeben durch die Formel:
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Analog
für den
Fall von Wasserdampf unter Vakuumbedingungen
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Diese
Ausdrücke
wurden von G.V.H. Wilson, J. Appl. Phys., Band 34, Nr. 11, S. 3276
(1963), abgeleitet, der auch zeigte, daß man den Höchstwert von Signal (v0) erhält,
wenn a/γ (oder
a/γED) = 2,2 für beide Fälle.
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Die
Spektroskopie der zweiten Oberwelle kann implementiert werden, indem
entweder die Frequenz des von der Lichtquelle emittierten Lichts
v gleich der Mittenfrequenz des Absorptionsmerkmals v0 gesetzt
wird oder indem die Frequenz wiederholt über ein Gebiet abgelenkt wird,
das v0 enthält. Das erste Verfahren erfordert üblicherweise
eine aktive Rückkopplungssteuerung
der Lichtquelle, falls dies eine Laserdiode ist. In letzterem Fall
erhält
man Scans über
das ganze interessierende Absorptionsmerkmal. In beiden Fällen ist
es höchst
vorteilhaft, wenn das Signal bei v0 in erster
Linie auf die Absorption durch Wassermoleküle im interessierenden Probengebiet
zurückzuführen ist.
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1 ist
eine graphische Darstellung von Signal, die aus Signal (v0) erhalten wird, indem γ = 0,1, PlS = 1 (zur leichteren
Berechnung, weil nur relative Werte von Interesse sind), c = 10–6 und
a = modj gesetzt wird, wobei modj zwischen 0 und 1 variiert. Aus 1 kann
man erkennen, daß Signalj ein Maximum ist bei modj 0,22
(d.h. 2,2.0,1) und daß das
Signal für
kleinere Werte der Modulationsamplitude kleiner wird. Daraus folgt dann,
daß bei
einer Probe im Vakuum, wobei die Umgebung außerhalb der Vakuumkammer sich
auf atmosphärischem
Druck befindet, falls die Modulationsamplitude auf das 2,2fache
der Breite der auf die interessierende Molekülspezies innerhalb der Vakuumkammer
zurückzuführenden
Absorption gesetzt wird, diese Modulationsamplitude notwendigerweise
viel kleiner ist als der optimale Wert für die gleiche Molekülspezies
außerhalb
der Kammer.
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Wenn
jedoch in der Praxis gewünscht
wird, einen kleinen Partialdruck einer Molekülspezies wie etwa Wasser in
einer Vakuumkammer zu detektieren und diese Spezies in dem Lichtweg
außerhalb
der Kammer vorliegt, ist eine Modulationsamplitude verwendet worden,
die kleiner ist als der optimale Wert für die Detektion von Molekülen innerhalb
der Kammer. Unter dem Optimum liegende Modulationsamplituden werden
absichtlich gewählt,
da sie das Signal weiter unterdrücken,
das auf unter einem höheren
Druck vorliegende Moleküle außerhalb
der Vakuumkammer zurückzuführen ist.
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Die
obigen Vorteile der Oberwellenspektroskopie für das Unterdrücken von
Signalen, die auf Moleküle bei
atmosphärischem
Druck im Lichtweg außerhalb
der Kammer zurückzuführen sind,
wurde von Mucha, ISA Transactions, Band 25, Nr. 3, S. 25 (1986),
erkannt. Mucha erwähnt
außerdem
die Existenz einer optimalen Modulationsamplitude, die die Unterdrückung von
Signalen bei atmosphärischem
Druck gegen die Optimierung der Signale aufgrund von Molekülen innerhalb
der Vakuumkammer abwägt.
In dieser Hinsicht wurde in vorausgegangener Arbeit der vorliegend
benannten Erfinder, Inman et al., Application of Tunable Diode Laser Absorption
Spectroscopy to Trace Moisture Measurements in Gases, Anal. Chem.,
Band 66, Nr. 15, S. 2471–2479
(1994), die Technik von Mucha implementiert, indem Modulationsamplituden
zwischen dem 1,3- und dem 1,8fachen der auf Spezies innerhalb der
Kammer zurückzuführenden
Linienbreite angewendet wird.
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Podolska
J. et al. Applied Optics, Band 32, Nr. 27, 20. September 1993, Seiten
5324–5333,
beschreibt die Verwendung von Laserwellenlängenmodulation und Detektion
der zweiten Oberwelle in einem Laserabsorptionsspekrometer für die in-situ-Spurengasmessung
in der unteren Stratosphäre.
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Durch
Verwendung von unter dem Optimum liegenden Modulationsamplituden
jedoch ist diese Technik mit dem Nachteil eines erheblichen Signalverlustes
bis zu einem Faktor von 4 im Vergleich zu dem theoretisch erhältlichen
Signal behaftet, was zu mangelnder Empfindlichkeit und Fähigkeit
zum Messen von Spurenmengen von Molekülspezies in einer Vakuumkammer
führt.
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Um
die Anforderungen der Halbleiterverarbeitungsindustrie zu erfüllen und
die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, besteht eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines neuartigen
Verfahrens zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies in einer Probe durch
Oberwellendetektionsspektroskopie, die eine präzise in-situ-Bestimmung von Gasphasen-Molekülspezies
in einer Probe mit einer Konzentration gestattet, die mindestens
so niedrig ist wie im ppb-Bereich.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Verfahrens zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies
in einer Halbleiterverarbeitungsvorrichtung durch Oberwellendetektionsspektroskopie
unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Systems zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies
in einer Probe durch Oberwellendetektionsspektroskopie zum Ausüben des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Halbleiterverarbeitungs vorrichtung, die das erfindungsgemäße System
zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies in einer Probe durch
Oberwellendetektionsspektroskopie enthält.
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Dem
Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ergeben sich bei Betrachtung
der Patentschrift, der Zeichnungen und der daran angehängten Ansprüche weitere
Aufgaben und Aspekte der vorliegenden Erfindung.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
obigen Aufgaben werden durch das Verfahren nach Anspruch 1 und das
System nach Anspruch 16 gelöst.
Dementsprechend wird ein neuartiges Verfahren zum Detektieren von
Gasphasen-Molekülspezies in
einer Probe durch Oberwellendetektionsspektroskopie bereitgestellt.
Das Verfahren umfaßt
das Bereitstellen einer Zelle mit einem Probengebiet, das von mindestens
einer Wand umschrieben wird. Die Zelle weist mindestens einen Lichteintritts-/-austrittskanal
auf, wobei jeder Eintritts-/Austrittskanal ein lichtdurchlässiges Fenster
mit einer Oberfläche
aufweist, die dem Probengebiet zugewandt ist und so angeordnet ist,
daß sie
die Zelle in Umfangsrichtung abdichtet. Ein Probengas strömt durch
das Probengebiet in einer Richtung parallel zu einer Zellenmittelachse,
und die Zelle arbeitet bei einem unter dem atmosphärischen
Druck liegenden Druck.
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Eine
frequenz- (oder wellenlängen-)
-modulierte Lichtquelle ist bereitgestellt zum Lenken eines Lichtstrahls
durch eines des mindestens einen lichtdurchlässigen Fensters in die Zelle.
Die Modulationsamplitude der Lichtquelle ist auf einen Wert eingestellt,
der den Wert eines Oberwellensignals in der Mitte des Absorptionsmerkmals
aufgrund der detektierten Gasphasen-Molekülspezies im Probengebiet maximiert.
Die Mittenfrequenz der Lichtquelle ist so justiert, daß sie entweder
auf die Mitte des Absorptionsmerkmals synchronisiert ist oder wiederholt
den Frequenzbereich überstreicht,
der das Merkmal enthält.
Dann wird ein Spektrum erzeugt, das individuell oder gemittelt aufgezeichnet
werden kann.
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Ein
Detektor wird bereitgestellt zum Messen des durch eines des mindestens
einen lichtdurchlässigen Fensters
aus der Zelle austretenden Lichtstrahls. Die Lichtquelle und der
Detektor sind in einer Kammer enthalten, die sich außerhalb
der Zelle befindet und vom Probengebiet getrennt ist, wobei die
Kammer und das Probengebiet durch mindestens eines des mindestens
einen lichtdurchlässigen
Fensters in optische Kommunikation miteinander versetzt werden.
Der Druck in der Kammer wird auf einen Wert gesteuert, der relativ
zum atmosphärischen
Druck positiv ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
ausführlichen
Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung
mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Zahlen gleiche
Elemente bezeichnen. Es zeigen:
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1 eine
graphische Darstellung, die das Signal der zweiten Oberwelle in
der Mitte des Absorptionsgebiets bei einem Gesamtdruck von 1 Atmosphäre als Funktion
der Modulationsamplitude zeigt,
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2A und 2B eine
Querschnitts- bzw. eine Perspektivansicht eines Systems zum Detektieren von
Gasphasen-Molekülspezies
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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3 eine
vergleichende graphische Darstellung, die das Verhältnis des
Signals der zweiten Oberwelle aufgrund von Wassermolekülen in der
Außenkammer
zu dem in der Innenkammer als Funktion des Drucks in der Außenkammer
für drei
Innenkammer-Wassermolekül-Partialdrücke zeigt,
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4 eine
vergleichende graphische Darstellung, die das Verhältnis des
Signals der vierten Oberwelle aufgrund von Wassermolekülen in der
Außenkammer
zu dem in der Innenkammer als Funktion des Drucks in der Außenkammer
für drei
Innenkammer-Wassermolekül-Partialdrücke zeigt,
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5 eine
vergleichende graphische Darstellung, die das Verhältnis des
Signals aufgrund von Wassermolekülen
in der Außenkammer
zu dem in der Innenkammer als Funktion des Drucks in der Außenkammer für die Detektion
der zweiten und vierten Oberwelle und für die Detektion ohne Modulation
der Lichtquellenfrequenz zeigt,
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6 im
Querschnitt eine Halbleiterverarbeitungsvorrichtung, die das System
zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Das
Oberwellendetektionsspektroskopieverfahren der vorliegenden Erfindung
beinhaltet das Bereitstellen einer Zelle mit einem Probengebiet,
das von mindestens einer Wand umschrieben wird. In der Zelle befindet
sind mindestens ein Lichteintritts-/-austrittskanal, und jeder Eintritts-/Austrittskanal
enthält
ein lichtdurchlässiges
Fenster mit einer Oberfläche,
die dem Probengebiet zugewandt ist und so angeordnet ist, daß sie die Zelle
in Umfangsrichtung abdichtet. Ein Probengas strömt durch das Probengebiet in
einer Richtung parallel zu einer Zellenmittelachse, und die Zelle
arbeitet bei einem unter dem atmosphärischen Druck liegenden Druck.
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Eine
frequenz- (oder wellenlängen-)
-modulierte Lichtquelle ist bereitgestellt zum Lenken eines Lichtstrahls
durch eines des mindestens einen lichtdurchlässigen Fensters in die Zelle.
Die Modulationsamplitude der Lichtquelle ist auf einen Wert eingestellt,
der den Wert eines Oberwellensignals in der Mitte des Absorptionsmerkmals
aufgrund der detektierten Gasphasen-Molekülspezies im Probengebiet maximiert.
Beispielsweise im Fall der zweiten Oberwelle beträgt dieser
Wert etwa das 2,2fache der Breite des Spektralmerkmals aufgrund
der detektierten Gasphasen-Molekülspezies
innerhalb des Probengebiets. Für
die vierte Oberwelle beträgt
dieser Wert etwa das 3,9fache der Breite des Spaktralmerkmals aufgrund
der detektierten Gasphasen-Molekülspezies
innerhalb des Probengebiets.
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Die
Mittenfrequenz der Lichtquelle, d.h. jene Frequenz, um die herum
die Modulation erfolgt, kann entweder auf die Mitte des Absorptionsmerkmals
synchronisiert sein oder wiederholt den Frequenzbereich überstreichen,
der das Merkmal enthält.
Es werden Spektren erzeugt, die wie gewünscht individuell oder gemittelt aufgezeichnet
werden können.
Wenn die Mittenfrequenz wiederholt über das interessierende Spektralgebiet geführt wird,
sollten derartige Scans mit einer Rate erfolgen, die im Vergleich
zu der Modulationsfrequenz langsam ist.
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Ein
Detektor wird bereitgestellt zum Messen des durch eines des mindestens
einen lichtdurchlässigen Fensters
aus der Zelle austretenden Lichtstrahls. Die Lichtquelle und der
Detektor sind in einer Kammer enthalten, die sich außerhalb
der Zelle befindet und vom Probengebiet getrennt ist. Die Kammer
und das Probengebiet werden durch mindestens eines des mindestens
einen lichtdurchlässigen
Fensters in optische Kommunikation miteinander versetzt. Der Druck
in der Kammer wird auf einen Wert gesteuert, der relativ zum atmosphärischen
Druck positiv ist.
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Die
Verfahren und das System der vorliegenden Erfindung eignen sich
besonders gut zum Überwinden
der Probleme, die mit spektroskopischen Messungen von Molekülspezies
in einer Vakuumkammer verbunden sind. Diese Probleme rühren teilweise
von Störungen
aufgrund von Lichtabsorption, die durch das Vorliegen der gleichen
Molekülspezies
in dem Lichtweg außerhalb
der Vakuumkammer verursacht wird. Durch die vorliegende Erfindung
haben die Anmelder insbesondere die abträglichen Effekte, die durch
diese Störung
verursacht werden, verhindert oder auf ein Minimum reduziert, indem
sie denjenigen Teil des Lichtwegs, der sich außerhalb der Vakuumkammer/Meßzelle befindet,
in eine Druckkammer verlegt haben. Die Druckkammer eignet sich für den Betrieb
unter Überdrücken relativ
zum atmosphärischen
Druck.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf
die 2A und 2B erörtert, die
in einer Querschnitts- bzw. Perspektivansicht ein System zum Detektieren
von Gasphasen-Molekülspezies
darstellen.
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Das
erfinderische System 200 umfaßt eine Absorptionsspektroskopiezelle 201,
die eine Detektion von Molekülspezies
in einer Gasprobe vor Ort gestattet. Die Zelle 201 weist
ein Probengebiet 202 auf, das eine zu messende Probe enthält. Das
Probengebiet wird von einer Wand oder mehreren Wänden 203 umschrieben. Die
Zelle 201 enthält
weiterhin eine Öffnung,
die sich entlang ihrer Längsachse 204 erstreckt,
die sich durch die Zelle erstreckt. Durch diese Anordnung kann eine
Probe die Zelle in der Richtung parallel zu der Zellenmittelachse
passieren (durch Pfeile angezeigt).
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Ein
oder mehrere Lichteintritts-/-austrittskanäle 205 sind in den
Wänden
der Zelle enthalten, wobei jeder Eintritts-/Austrittskanal ein lichtdurchlässiges Fenster 206 enthält, das
dem Probengebiet zugewandt ist. Die Zellenwände und die lichtdurchlässigen Fenster
dichten zusammen die Zelle in der Umfangsrichtung ab. Um eine Abdichtung
zu bilden, die sich für
Vakuumumgebungen eignet, kann ein O-Ring oder ein anderes konventionelles
Vakuumabdichtungsmaterial verwendet werden.
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Die
Zelle umfaßt
weiterhin mindestens eine lichtreflektierende Oberfläche 207 wie
etwa einen Spiegel zum Reflektieren eines Lichtstrahls innerhalb
der Zelle 201. Diese lichtreflektierende Oberfläche 207 ist
bevorzugt ein poliertes Metall.
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Das
System enthält
außerdem
eine Lichtquelle 208. bei der es sich um eine frequenzmodulierte
Lichtquelle handeln kann, bevorzugt einen Diodenlaser. Die Lichtquelle 208 lenkt
einen Lichtstrahl 209 durch ein lichtdurchlässiges Fenster 206 in
das Zellenprobengebiet 202, wo der Strahl von der lichtreflektierenden
Oberfläche 207 reflektiert
wird.
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Eine
etwaige interessierende Molekülverunreinigung
kann detektiert werden, vorbehaltlich lediglich der Verfügbarkeit
einer geeigneten Lichtquelle. Beispielsweise können Wasserdampf, Stickoxid,
Kohlenmonoxid und Methan oder andere Kohlenwasserstoffe detektiert
werden, indem die Dämpfung
des Lichts von einer Diodenlaserquelle gemessen wird, die Licht
mit einer für
die Verunreinigung charakteristischen Wellenlänge emittiert.
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Laserlichtquellen,
die Licht in Spektralbereiche emittieren, in denen die interessierenden
Moleküle
am stärksten
absorbieren, führen
zu Verbesserungen bei der Meßempfindlichkeit.
Insbesondere werden Lichtquellen bevorzugt, die bei Wellenlängen von über etwa
2 μm emittieren,
da viele interessierende Molekülverunreinigungen
in diesem Bereich starke Absorptionsbanden aufweisen.
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Es
kann jede geeignete wellenlängenabstimmbare
Lichtquelle verwendet werden. Unter den gegenwärtig bevorzugten Lichtquellen
werden Diodenlaserlichtquellen wegen ihrer geringen Linienbreite
(unter etwa 10–3 cm–1)
und ihrer relativ hohen Intensität
(etwa 0,1 bis mehrere Milliwatt) bei der Emissionswellenlänge bevorzugt.
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Zu
Beispielen für
Diodenlaser zählen
Diodenlaser vom Pb-Salz- und GaAs-Typ. Der Laser vom Pb-Salz-Typ
erfordert kryogene Temperaturen für den Betrieb und emittiert
Infrarotlicht (d.h. eine Wellenlänge von über 3 μm), während der
Diodenlaser vom GaAs-Typ in der Nähe von Raumtemperatur arbeiten
kann und im Nahinfrarotbereich (0,8 – 2 μm) emittiert.
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Es
wurden jüngst
Diodenlaser beschrieben, die zusätzlich
zu GaAs Sb (oder andere Paare von III–V-Verbindungen wie AsP) enthalten (siehe „Mid-infrared
wavelengths enhance trace gas sensing", R. Martinelli, Laser Focus World,
März 1996,
S. 77). Diese Dioden emittieren Licht bei einer Wellenlänge von über 2 μm und arbeiten
bei –87,8°C. Wenngleich
eine derartig tiefe Temperatur nicht zweckmäßig ist, ist sie vergleichsweise
günstig
gegenüber
den kryogenen Temperaturen (unter –170°C), die Pb-Salz-Laser erfordern.
Es wurde auch über
den Betrieb von ähnlichen
Lasern bei 4 μm
und 12°C
berichtet (siehe Lasers and Optronics, März 1996). Diodenlaser vom oben
beschriebenen Typ arbeiten ganz besonders bevorzugt bei Temperaturen von
mindestens –40°C. Durch
die Verwendung eines thermoelektrischen Kühlers zur Temperatursteuerung
bei derartigen Temperaturen werden diese Lichtquellen weniger kompliziert
als die Diodensysteme für
niedrigere Temperaturen. Um den Einsatz dieser Laser wünschenswerter
zu machen, ist eine Verbesserung der optischen Eigenschaften im
Vergleich zum gegenwärtigen
Stand wichtig. Beispielsweise sollten Einmodendioden zur Verfügung stehen
(d.h. Dioden, deren Emission bei einer festen Temperatur und bei
einem festen Ansteuerstrom bei einer einzigen Wellenlänge liegt,
wobei die Emission bei anderen Wellenlängen um mindestens 40 dB geringer
ist).
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Geeignete
Lichtquellen zur Verwendung in der Erfindung sind nicht auf die
oben beschriebenen Diodenlaser beschränkt. Beispielsweise werden
andere Arten von Lasern in Betracht gezogen, die ähnliche
Größe aufweisen
und sich durch einfache elektrische Mittel wie etwa Faserlaser und
Quantenkaskadenlaser abstimmen lassen. Die Verwendung von solchen
Lasern wird in Betracht gezogen, wenn sie kommerziell verfügbar werden.
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Die
Lichtquellenmodulationsamplitude wird auf einen Wert gesetzt, der
den Wert eines Oberwellensignals in der Mitte des Absorptionsmerkmals
aufgrund der detektierten Gasphasen-Molekülspezies im Probengebiet etwa
maximiert. Dieser Wert ist das 2,2fache der Breite der Spektralmerkmale
aufgrund der detektierten Gasphasen-Molekülspezies im Probengebiet bei
der zweiten Oberwelle. Bei der vierten Oberwelle beträgt dieser
Wert das 3,9fache der Breite des Spektralmerkmals.
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Die
Mittenfrequenz der Lichtquelle, d.h. jene Frequenz, um die herum
die Modulation erfolgt, kann entweder auf die Mitte des Absorptionsmerkmals
synchronisiert sein oder wiederholt den Frequenzbereich überstreichen,
der das Merkmal enthält.
Es werden Spektren erzeugt, die wie gewünscht individuell oder gemittelt aufgezeichnet
werden können.
Wenn die Mittenfrequenz wiederholt über das interessierende Spektralgebiet geführt wird, sollten
derartige Scans mit einer Rate erfolgen, die im Vergleich zu der
Modulationsfrequenz langsam ist.
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Um
den Lichtstrahl 209 nach seinem Passieren des Probengebiets
und seinem Austritt aus der Zelle durch das lichtdurchlässige Fenster
zu detektieren, ist ein Detektor 210, der bevorzugt eine
Photodiode ist, bereitgestellt.
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Der
Fachmann ist ohne weiteres in der Lage, die angemessenen Mittel
zum Ausführen
einer Frequenzmodulation, die Mittel zum Justieren der Mittenfrequenz
der Lichtquelle und die Mittel zum Erzeugen von Spektren durch die
Verwendung wohlbekannter Einrichtungen, Schaltungen und/oder Prozessoren
und Mittel zu ihrer Steuerung auszulegen. Die weitere Erörterung
der Ermöglichung
der Frequenzmodulation und/oder -steuerung und Spektrenerzeugung
entfällt
hier, da davon ausgegangen wird, daß dies innerhalb des Bereichs des
Durchschnittsfachmanns liegt.
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Sowohl
die Lichtquelle 208 als auch der Detektor 210 sind
innerhalb einer Druckkammer 211 enthalten, die außerhalb
der Zelle 201 angeordnet ist. Damit der Lichtstrahl zwischen
der Druckkammer und dem Zellenprobengebiet passieren kann, befinden
sich die Druckkammer und das Probengebiet durch mindestens ein lichtdurchlässiges Fenster
in optischer Kommunikation miteinander. Die jeweiligen Atmosphären innerhalb der
Druckkammer und dem Probengebiet sind jedoch voneinander getrennt.
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Das
System kann weiterhin Mittel zum Steuern des Drucks innerhalb der
Druckkammer 211 auf einen Wert, der relativ zum atmosphärischen
Druck positiv ist, enthalten. Das Druckniveau in der Druckkammer
kann entweder mit oder ohne Verwendung einer Gasströmung aufrechterhalten
werden. Sollte eine Gasströmung verwendet
werden, so zählen
reine oder inerte Gase wie etwa z.B. Stickstoff, Argon und Helium
zu den geeigneten Gasen. Diese Gase können durch eine Druckgaseinlaßleitung 212 in
die Druckkammer 211 eingeleitet werden. Die Druckkammer
kann weiterhin eine Gasablaßleitung 213 enthalten.
Außerdem
kann an der Gasablaßleitung
ein geeignetes Gasströmungsreduzierstück 214 wie
etwa eine Öffnung
oder ein Gegendruckregler enthalten sein.
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Die
Zelle ist bei Verwendung in Reihenschaltung mit einer Vakuumkammer
und einem Vakuumpumpsystem zu einem Betrieb bei einem unter dem
atmosphärischen
Druck liegenden Druck, d.h. unter Vakuumbedingungen, in der Lage.
Weil die Druckkammer 211 und die Zelle 201 voneinander
getrennt sind, kann in diesem Fall die Druckkammer auf Drücken über atmosphärischem
Druck gehalten werden.
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Es
wurde weiterhin bestimmt, daß der
Prozentsatz des Gesamtsignals aufgrund von Molekülen in der Innenkammer relativ
zum Gesamtsignal aufgrund von Molekülen in der Außenkammer
maximiert werden kann, indem das Verhältnis des Drucks in der Druckkammer
zum Druck in der Zelle optimiert wird. Das Verhältnis des Signals der zweiten
Oberwelle aufgrund von Molekülen
außerhalb
der Kammer zum Gesamtsignal erhält
man durch die folgende Formel:
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Der
Zähler
ist gleich dem oben angegebenen Ausdruck für das Signal der zweiten Oberwelle
aufgrund von Wasserdampf bei Vorliegen von Luft oder Stickstoff
mit einem Druck von 1 Atmosphäre
oder höher.
Der Nenner ist die Summe des gleichen Ausdrucks mit dem zuvor angegebenen
Ausdruck für
das Signal der zweiten Oberwelle aufgrund von Wasserdampf unter
Vakuumbedingungen.
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Das
Signal der vierten Oberwelle wird analog für den gleichen Fall durch die
folgende Formel angegeben:
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Bei
dem oben Gesagten wurde davon ausgegangen, daß die Weglänge und der Wasserpartialdruck innerhalb
und außerhalb
der Zelle gleich sind, wenn der Druck außerhalb der Zelle 1 Atmosphäre beträgt, und daß die Konzentration
des Wasserdampfs außerhalb
der Zelle konstant bleibt, wenn der Druck in diesem Gebiet zunimmt
(Pj ist in Atmosphären). Die Erweiterung dieser
Prinzipien auf den Fall jedoch, bei dem die Weglängen und der Wasserpartialdruck
verschieden sind, liegt innerhalb des Wissensbereichs des Durchschnittsfachmanns.
Es wird angenommen, daß die
Modulationsamplitude a in der Situation, in der die zweite Oberwelle
verwendet wird, das 2,2fache der Doppler-Breite ist.
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Wie
in 3 gezeigt, wurde die obige Formel mit Werten der
Parameter ausgewertet, die für
die Absorption von Licht bei Wellenlängen in dem Bereich von 1400
nm aufgrund von Wasserdampf für
eine Konzentration von Wasserdampf bei 1 ppm (nach Volumen) in Stickstoff
in der Druckkammer und für
Partialdrücke
von 1,33·10–4,
1,33·10–3 und
1,33·10–2 Pa
(10–6,
10–5 und
10–4 Torr)
(Verhältnis
1, Verhältnis
2 bzw. Verhältnis
3) innerhalb der Zelle/Vakuumkammer angebracht sind. In 3 ist
das Verhältnis
des Signals der zweiten Oberwelle aufgrund von Wassermolekülen in der
Außenkammer
zu dem Signal in der Innenkammer als Funktion des Drucks in der
Druckkammer für
die drei Innenkammerpartialdrücke
aufgetragen.
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Diese
graphische Darstellung veranschaulicht die allgemeine Beziehung
einer Verringerung des Verhältnisses
(d.h. eine Zunahme beim Signal aufgrund von Wasser innerhalb der
Zelle relativ zu jener aufgrund von Wasser in der Druckkammer) zu
einer Druckerhöhung
in der Druckkammer. Beispielsweise werden bei einem Kammerdruck
von einer Atmosphäre
(105 Pa) (0 psig) und einem Wasserdampfdruck
in der Zelle/Vakuumkammer von 1,33·10–4 Pa
(10–6 Torr)
80% des Gesamtsignals auf Wassermoleküle in der Druckkammer zurückzuführen sein.
Dieses Verhältnis
ist nicht akzeptabel, da es zu einem erheblichen Umfang an Störungen bei
der Messung führt,
es sei denn, der Partialdruck der Wassermoleküle ist außerordentlich stabil.
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Um
die optimale Modulationsamplitude zu verwenden, sollte deshalb der
Druck in der Außenkammer so
hoch wie möglich
eingestellt werden, aber mindestens 5,48·105 Pa
(65 psig), um den Beitrag von Wasser dort auf 10% des Gesamtwerts
zu reduzieren. Bei einem Wasserdampfpartialdruck von 1,33·10–2 Pa
(10–4 Torr) in
der Zelle/Vakuumkammer entfallen außerdem auf Wasser in der Druckkammer
nur etwa 3% des Gesamtsignals am atmosphärischen Druck, und ein Betrieb
kann unter diesen Bedingungen möglich
sein. Wie in 3 gezeigt, würde man jedoch bei Erhöhung des
Außendrucks
auf 2,379·105 Pa (20 psig) eine erhebliche Reduzierung
des Beitrags von Wassermolekülen
in der Außenkammer
auf 0,6% des Gesamtwerts erwarten. Es ist kaum wahrscheinlich, daß weitere
Erhöhungen
des Drucks innerhalb der Druckkammer in diesem Fall zu einem zusätzlichen
Vorteil führen
würden,
da andere Quellen der Instabilität
zu erwarten sind, die zu Schwankungen beim Signal in der Größenordnung
von 1% führen.
Der Druck in der Zelle liegt bevorzugt unter 1 Torr, wenngleich
man mit Zellendrücken
von bis zu 105 Pa (1 Atmosphäre) und
zwischen 105 und 5.105 Pa
(1 und 5 Atmosphären)
in der Kammer einen gewissen Nutzen der Erfindung erzielen kann.
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Es
hat sich herausgestellt, daß besonders
vorteilhafte und unerwartete Resultale erzielt werden können, wenn
andere Oberwellen als die zweite auf die vorliegende Erfindung angewendet
werden. Es hat sich sogar herausgestellt, daß man bei höheren Oberwellen eine noch
bessere Unterdrückung
des Signals aufgrund der Molekülspezies
in der Druckkammer erhält,
wenn der Druck darin erhöht
wird.
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4 ist
eine vergleichende graphische Darstellung, die die für die Detektion
der vierten Oberwelle aus der analogen Berechnung erhaltenen Ergebnisse
mit denen oben unter Bezugnahme auf 3 (die sich auf
die zweite Oberwelle bezieht) erörterten
zeigt. In 4 ist das Verhältnis des
Signals der vierten Oberwelle aufgrund von Wassermolekülen in der
Druckkammer zu dem in der Innenkammer als Funktion des Drucks in der
Druckkammer für
drei Innenkammer-Wassermolekül-Partialdrücke von
1,33·10–4,
1,33·10–3 und
1,33 10–2 Pa
(10–6,
10–5 und
10–4 Torr)
(Verhältnis
1, Verhältnis
2 bzw. Verhältnis
3) aufgetragen. Wie man anhand dieser Figur sehen kann, zeigt die
vierte Oberwelle im allgemeinen eine Abnahme des Verhältnisses
bei einer Druckzunahme der Druckkammer. Bei Zunahmen über einen
bestimmten Druck hinaus jedoch wird dieses Verhältnis relativ konstant, und
weitere Druckzunahmen würden
nicht zu weiteren erheblichen Reduzierungen bei dem Verhältnis führen.
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5 veranschaulicht
den relativen Nutzen, wenn die Außenkammer für den Fall der Detektion der zweiten
Oberwelle (secharm) unter Druck gesetzt wird für die Detektion der vierten
Oberwelle (fourharm) und die Detektion ohne jede Modulation der
Lichtquellenfrequenz (nomod) für
den Fall, daß der
Partialdruck von Wasser und die Weglänge in der Innenkammer und
der Außenkammer
gleich sind. Man kann sehen, daß man dort,
wo keine Modulation vorliegt, durch eine Druckbeaufschlagung keinen
Vorteil erreicht. Die Detektion der zweiten Oberwelle mit atmosphärischem
Druck in der Außenkammer
führt zu
einer 80%-igen Absorption durch Wasser in der Außenkammer, was wie bereits
erwähnt
inakzeptabel ist. Den Außenkammerdruck
auf 5,48·105 Pa (65 psig) zu erhöhen, führt zu einem Beitrag von 10%
am Gesamtsignal von Wasserdampf in dieser Kammer, was akzeptabel
sein sollte. Es wird in diesem Fall jedoch bevorzugt, die Detektion
der vierten Oberwelle zu verwenden, die selbst dann, wenn der Druck
in der Außenkammer
eine Atmosphäre
beträgt,
zu einem Beitrag von 10% durch Wasserdampf in dieser Kammer führt und
bei Kopplung mit einer bescheidenen Druckbeaufschlagung von 2,03·105 Pa (15 psig) der Außenkammer den Beitrag von Wasser
in dieser Kammer auf unter 1% reduzieren kann.
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Das
oben beschriebene neuartige System gestattet eine in-situ-Detektion
von Molekülspezies
in einem aus einer Vakuumkammer abgelassenen Gas und weist die Fähigkeit
zum Betrieb bis zu hohen oder sogar ultrahohen Vakuumniveaus auf.
In einem derartigen Fall kann die Zelle zwischen einer Vakuumkammer und
dem Vakuumpumpsystem angeordnet werden. Das System ist mit einem
großen
Bereich von Materialien kompatibel. Beispielsweise kann die Vakuumkammer
reaktive oder nichtreaktive (inerte) Gase enthalten, die sich in
einem Plasmazustand oder einem Nichtplasmazustand befinden können. Zu
Beispielen für
reaktive Gase, die mit dem erfinderischen System kompatibel sind,
zählen
SiH4, HCl und Cl2,
vorausgesetzt das Feuchtigkeitsniveau liegt unter 1000 ppm. In dem
erfindungsgemäßen System
können
auch inerte Gase wie etwa O2, N2,
Ar und H2 verwendet werden. Wenn das erfindungsgemäße System
in einer Plasmaumgebung verwendet wird, ist das System bevorzugt
etwa 0,1524 m (6 Inch) oder mehr von der Plasmazone entfernt angeordnet, um
die Ausbildung von Abscheidungen an den Fenstern und anderen Zellenoberflächen auf
ein Minimum zu reduzieren.
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Weil
das oben unter Bezugnahme auf die 2A und 2B beschriebene
System in einer Vielzahl von Atmosphären verwendet werden kann,
eignet sich das System besonders gut für den Einsatz bei der Überwachung
von Molekülspezies
in einer Halbleiterverarbeitungsvorrichtung. Die Verwendung des
Systems in Verbindung mit einer Halbleiterverarbeitungsvorrichtung
gestattet die insitu-Detektion von Gasphasen-Molekülverunreinigungen
in Echtzeit, was beim Minimieren von Ausbeuteverlusten von besonderer
Wichtigkeit ist.
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Ein
Beispiel für
eine derartige Konfiguration ist in 6 gezeigt.
Die dargestellte Vorrichtung 615 umfaßt eine Vakuumkammer 616,
in der ein Halbleitersubstrat 617 auf einer Substrathalterung 618 angeordnet ist.
Ein Prozeßgaseinlaß 619 ist
zum Zuführen
eines Gases oder mehrerer Gase zu der Vakuumkammer vorgesehen. Die
Vakuumkammer wird durch eine Austrittsöffnung 620 in der
Vakuumkammer evakuiert. Eine nicht gezeigte Vakuumpumpe zum Evakuieren
der Vakuumkammer ist entweder direkt oder durch eine Vakuumleitung
an die Kammer angeschlossen. Eine Pumpaustrittsleitung kann an die
Pumpe angeschlossen werden, die an eine weitere Pumpe oder an einen
Gaswäscher
angeschlossen sein kann. Beispiele für Vakuumpumpen, die verwendet
werden können,
sind mechanische, Druckverstärkerpumpen,
Kreiselpumpen, Diffusionspumpen, kryogene Pumpen, Sorbtionspumpen
und Turbomolekularpumpen. Das System wurde oben unter Bezugnahme
auf die 2A und 2B ausführlich beschrieben.
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Wenngleich
das erfindungsgemäße System 600 so
dargestellt worden ist, daß es
unter der Vakuumkammer angeordnet ist, erkennt der Fachmann ohne
weiteres, daß auch
andere Orientierungen möglich
sind. Wenngleich die Struktur der Halbleiterverarbeitungsvorrichtung
in 6 generisch gezeigt worden ist, versteht der Fachmann
ohne weiteres, daß das
System auf praktisch alle Halbleiterverarbeitungsvorrichtungen angewendet
werden kann, die ein Vakuumsystem verwenden. Beispiele für derartige
Vorrichtungen sind Ätz-,
Diffusions-, chemische Dampfabscheidungs- (CVD), Ionenimplantierungs-,
Sputter- und schnelle thermische Verarbeitungsvorrichtungen.
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Wenngleich
die Erfindung unter Bezugnahme auf ihre spezifischen Ausführungsformen
ausführlich beschrieben
worden ist, ist dem Fachmann offensichtlich, daß zahlreiche Änderungen
und Modifikationen vorgenommen und Äquivalente verwendet werden
können,
ohne von dem Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abzuweichen.