CN101990630A - 具有设计用于高压操作的操作参数和几何形状的电离计 - Google Patents

Abstract

一种用以测量压力和减少溅射产量的电离计包括产生电子的至少一个电子源。所述电离计还包括收集由所述电子与气体分子之间的碰撞所形成的离子的集极电极。所述电离计还包括阳极。相对于集极电极的偏置电压的阳极偏置电压经配置以在预定压力下切换以使溅射碰撞的产量减小。

Description

具有设计用于高压操作的操作参数和几何形状的电离计

相关申请案

本申请案主张2008年2月21日申请的第61/066,631号美国临时申请案的权利。上述申请案的全部教导以引用方式并入本文中。

背景技术

电离计(更具体来说，贝阿德-阿尔珀特(BA)电离计)是测量极低压力的最常用非磁性构件。所述电离计在全世界已得到广泛使用。这些电离计揭示于1952年的第2,605,431号美国专利中，所述专利以全文引用方式并入本文中。典型电离计包括电子源、阳极和离子集极电极。对于BA电离计来说，电子源位于由圆柱形阳极筛网界定的离子化空间或阳极容积外部。离子集极电极安置在阳极容积内。电子从电子源行进到阳极并穿过阳极、来回循环穿过阳极，且因此保留在阳极内或阳极附近。

在电子的行进过程中，其与气体的分子和原子碰撞，所述气体构成希望对其压力进行测量的大气。电子与气体之间的此接触产生离子。所述离子被吸引到离子集极电极，离子集极电极通常连接到接地。可通过公式P＝(1/S)(I_ion/I_electron)根据离子和电子电流来计算气氛内气体的压力，其中S为具有单位1/托的系数且为特定电离计几何形状、电参数和压力范围的特征。

发明内容

在典型电离计是在良好环境中操作时，其操作寿命为约十年。然而，这些相同的电离计和电子源(阴极)在过高压力下操作时或在使电子源的发射特性降级的气体类型中操作期间，会在数分钟或数小时内发生故障。阴极与电离计环境的相互作用可导致操作寿命缩短。阴极上的氧化物涂层在曝露于水蒸汽时可能降级。氧化物涂层的降级使阴极所产生的电子数目急剧减少。曝露于水蒸汽导致钨阴极完全烧尽。

在例如高于10^-4托的高压下操作电离计时，溅射也成为问题。这是在高压下出现的问题，因为需要使更多的气体离子化。如已由发明人所演示的，此溅射是通过离子与电离计的组件之间的高冲击能来引起。具有高能量的离子可冲击形成电离计的集极柱的钨材料。这导致原子从集极柱和包封表面喷射。此喷射载有相当多的内在动能。所喷射出的材料可自由行进到在所述材料的视线内的其它表面，且可通过涂布阴极或通过涂布电离计的馈通绝缘体(此可导致漏电)而造成电离计故障。

在贝阿德-阿尔珀特电离计中产生的离子的动能是通过阳极栅与集极柱电极之间的偏置电压的差异来确定。阴极的偏置电压通常为30伏，且阳极栅的偏置电压传统上是在180伏下操作。集极电压通常固定在接地电位，或为接近接地电位的电压。这些电压差经配置以为电子提供150电子伏(eV)的能量。此量能够有效地离子化电离计离子化容积中所存在的所有气体物质。此电位差也确保将电子从阴极有效地输送到阳极容积。需要有效离子化以确保在低气体密度级下来自集极的足够信噪比。

阳极栅在+180伏下的操作致使高能离子在操作期间到达接地集极柱。所述离子以0到180eV之间的动能来冲击集极表面。此扩散的大能量结果与大溅射产量一致。

举例来说，已针对以200eV的动能冲击钨目标的Ar⁺离子来演示达0.2原子/离子冲击的溅射产量。还在阳极栅外部产生的离子也可以达180eV的动能到达包封壁。此大动能也增加溅射产量，且这些冲击从包封壁和邻近结构去除材料。

本发明在高压力级下使阳极栅电压降低以便使溅射冲击的产量减小。本发明的电离计提供使阳极栅电压向下降低到约80伏，以针对冲击钨集极表面的Ar⁺离子提供使溅射产量减小为约五分之一。降低阴极电位允许阳极与阴极电压差仍提供能够使原子和分子足够离子化的电子。

在实验室里通过长期研究来用实验法测试出离子能量和电子发射电流对集极溅射率的影响，所述研究追踪了一大群Micro-

电离计在35mTorr的氩气中的操作达几个月。所有受测试的电离计含有小初始直径的双钨集极。如所预期，集极直径腐蚀(也就是，归因于高能氩离子与钨壁之间的溅射冲击)的速率与电子发射电流成比例且与离子能量有高相依性。栅电压从180V改变到80V(表示离子能量从180eV降低到80eV)致使溅射产量减小到约十五分之一，超过基于当前溅射模型的理论计算的预测。在减少的发射电流和减少的离子能量下操作的电离计展现出几乎察觉不到的集极腐蚀，没有检测到邻近电极结构金属化的迹象且细丝操作参数随时间过去仅有极小改变。在低电子发射电流和低离子能量下操作的优点由此受认真监视的测试充分演示。

提供一种电离计以测量压力，同时在高压下操作时减少溅射。所述电离计包括：至少一个电子源，其产生电子；和集极电极，其收集由电子与气体分子之间的碰撞所形成的离子。所述电离计还包括阳极。所述阳极经配置以在预定压力下相对于集极电极的偏置电压来切换偏置电压以使溅射冲击的产量减小。

在一个实施例中，所述电离计经配置以使得阳极在一个压力范围下(例如，低于约10^-4托)以初始偏置电压操作。接着，在高压(例如，高于约10^-4托的压力)下，阳极在减少的偏置电压下操作。

所述电离计也可具有控制器。所述控制器基于电离计中压力的压力范围来改变阳极的偏置电压。阳极可切换偏置电压，使得阳极与集极之间的电位差小于90伏。在另一实施例中，阳极的偏置电压可切换，使得阳极与集极之间的电位差为约80伏。在再一实施例中，电离计可具有在小于20伏下操作或在约10伏下操作的电子源。

在本发明的另外实施例中，电离计具有阳极栅，且阳极偏置电压可从约180伏切换到80伏。或者，偏置电压从约180伏切换到另一阳极偏置电压。阳极可在高于约10^-4托的压力下以减少的偏置电压操作。

所述电离计可进一步包括环绕阳极的集极电极，作为三极管电离计。或者，集极电极可位于阳极外部。所述电离计可进一步包括第二集极电极。第二集极电极可位于阳极外部以收集在高压下形成的离子。所述电离计可为贝阿德-阿尔珀特型的。所述电离计也可包括冷阴极电子源。

在本发明的再一方面中，提供一种从气体分子和原子测量气体压力的方法。所述方法包括从至少一个电子源产生电子且将电子传输到阳极以形成离子。由电子与气体分子和原子之间的碰撞形成的离子收集在集极电极上。切换相对于集极电极偏置电压的阳极偏置电压以减少离子集极上离子的冲击能。

离子集极电位优选地经选择以处于较低的接近接地电位以避免漏电流接地，尤其对于在离子集极电流相对小时的低压来说。阴极细丝电位通常经选择以相对于接地且也相对于离子集极电位为约30伏电位以避免电子以预定能量到达离子集极电极，且此与高发射电流与低离子集极电流的组合有关。阳极电位通常经选择以相对于接地为约180伏。

阳极与阴极之间的电位差确定电子在到达阳极时的能量。电位差通常经选择以为约150伏。阳极相对来说高于阴极，使得可用于气体离子化的电子的能量为约150电子伏。对于多数气体，150eV为处于离子化概率对电子能量曲线的相当低的斜率。因此，在150eV时，电离计对电子能量的灵敏度变化最小。应了解，此情形可取决于特定气体物质。电子从阴极以约150eV的能量加速到阳极。应了解，此电位差的大体较低的值开始允许发起对来自阴极的电子发射的空间电荷限制。空间电荷限制对从阴极发射电子施加限制且可引致阴极的高温操作和故障，这是因为典型控制电路试图向阴极供应电力直到实现所要的指定电子发射电流为止。降低阴极电位允许较低阳极电位以在无空间电荷限制的情况下仍实现可接受的阳极与阴极电位差。

其次，阳极与离子集极之间的电位差确定离子在到达离子集极时的最大能量。在阳极附近形成的离子将具有最大能量，且在相对较接近于离子集极处所形成的离子将具有相对少的能量。阳极与阴极或电离计包封之间的电位差通常约180伏，且此指示离子化原子和分子在到达离子集极的表面时的能量，且因此指示其在到达离子集极的表面时的冲击。阳极中的电位分布具有某形状，以使得阳极容积的大部分是接近阳极的电位，且到达离子集极的离子的大部分具有最大能量。阳极与阴极或电离计包封的电位差也指示在阳极容积外所形成的离子在最后到达任何相对较低电位表面(例如，阴极、集极屏蔽物或电离计包封)时的能量。

更改上述电位允许更多电子到达离子集极且减少所测量的离子集极电流。然而，更多电子将不改变到达离子集极的正离子电流。应了解，所测量的集极电流等于到达集极的离子减去到达集极的电子。将减少所产生的离子数目(例如，离子化概率)或减少所收集的所产生离子数目的任何电位改变将减少到离子集极的实际离子电流。

所收集的所产生离子数目取决于离子能量和离子集极直径，或离子集极几何形状。在相对低电位表面处，溅射与所产生离子数目、到达关注表面的离子数目和所述离子的能量直接相关。溅射率与每单位时间溅射的原子数目有关且与每单位时间的入射离子数目有关。溅射产量与每入射离子溅射的原子数目有关且与入射离子的能量有关。高压力引起大离子电流，且因此高压力也引起大溅射率。通过降低离子能量来使溅射产量减小，溅射产量减小可使溅射率减小，甚至在相对高压力下仍如此。

根据本发明的再一方面，提供一种工艺，其包括：提供衬底；对工具进行抽空以在所述工具中对所述衬底执行处理；和测量压力。测量压力的方法包括：电子源，其产生电子；和离子化容积，在其中电子冲击包括气体分子和原子的气态物质。阳极栅电压在高压力级下降低以便使溅射冲击的产量减小。集极电极收集由电子与气态物质之间的冲击形成的离子。

所述电离计可用在某方法中。所述方法包括在真空环境中对衬底进行操作以形成经处理的衬底。在另一实施例中，所述方法可包括选自由以下各者组成的群组的操作：与平板显示器的制造相关联的操作、磁性媒体操作、太阳能电池制造操作、光学涂层操作、半导体制造操作，和其任何组合。操作也可包括选自由以下各者组成的群组中一个或一个以上工艺：物理气相沉积、等离子气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积、等离子蚀刻操作、植入操作、氧化、扩散、真空光刻工艺、干式剥离操作、外延工艺、热处理操作、紫外线光刻操作，和其任何组合。

优选地，将来自集极电极的电流转换成压力信号以测量压力。所述工艺也可包括使用分析工具来测量工艺的参数。在一个实施例中，分析工具可测量晶片的参数。分析工具可选自由以下各者组成的群组：扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱仪、扫描式俄歇微量分析仪、辉光放电质谱仪、化学分析电子能谱仪、原子力显微镜仪器、扫描探针显微镜仪器、傅立叶变换红外光谱仪、波长色散X射线光谱仪、电感耦合等离子质谱仪、X射线荧光分析仪、中子活化分析仪、计量仪器，和其任何组合。也可使用质谱仪来测量所述过程的参数。质谱仪可为以下各者中的一者：气相色谱仪、液相色谱仪、离子阱仪、扇形磁场谱仪、双聚焦仪器、飞行时间仪器、旋转磁场仪器、离子迁移仪器、线性四极杆仪器，或其任何组合。所述方法中的电离计优选地将来自集极电极的电流转换成压力信号。

在再一实施例中，一种方法可包括制造过程步骤和接着使用分析工具测量所述方法的参数并测量压力。所述压力测量是在高压力下同时使溅射冲击的产量减少来执行。分析工具可为任何质谱仪，或先前所提及的任何仪器。

附图说明

本发明的前述目的、特征和优点与其它目的、特征和优点将从下文对本发明优选实施例的更特定描述中显见，本发明的优选实例说明在附图中，在附图中相似参考元件符号在不同视图中均指代相同部分。图式不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。

图1为本发明的一般化电离计的示意图。

图2为图1的非裸露型电离计的详细示意图。

图3为根据本发明的电离计的示意图，所述电离计包括耦合到阳极电压源的阳极以用于减少高压力下的电子冲击能。

图4到图6展示用于在高压力下使用第二集极收集离子且用于扩展电离计的测量范围的电离计的实施例的若干示意图。

图7展示本发明的舒尔茨-费尔普斯电离计。

图8展示与用于处理操作的集束工具和分析工具一起使用的图3的电离计。

具体实施方式

在下文描述本发明的优选实施例。

一般来说，如图1中所展示，本发明的电离计100具有至少一个电子源105和至少一个集极电极110。电子源105可由可选隔离材料115而与至少一个集极电极110分开，所述可选隔离材料115防止测量腔室117内的气体的分子和原子使电子源105降级。电离计100也包括离子化容积且具体来说阳极120。阳极120和集极电极110组件可具有各种不同配置，且电离计100不限于图1。在一个实施例中，电离计100为贝阿德-阿尔珀特型电离计，或使用经加热的阴极105来朝阳极栅容积120发射电子的电离计100。然而，应了解，电离计100不限于任何特定电离计配置，且本发明包含若干种不同类型的电离计。

贝阿德-阿尔珀特型电离计100是基于通过恒定电子流进行的气体分子的离子化。展示为参考元件符号125的带负电的电子是以良好受控的可选速率从经加热的阴极105发射，且可释放，或朝着带正电的阳极120加速。电子125传递到阳极120中且穿过阳极120，且接着来回循环穿过阳极120。电子125接着保留在阳极120的离子化容积内。在此空间中，电子125与气体分子碰撞以产生带正电的离子。这些离子由一个或一个以上离子集极110收集。集极110处于接地电位附近，接地电位相对于带正电的阳极120为负的。然而，此布置并非限制性的，且集极110相对于阳极120可具有各种电位差。在恒定的阴极与阳极电压和电子发射电流下，形成正离子的速率与电离计100中的气体密度直接相关。来自集极电极110的此信号由电流计135检测，电流计135按压力单位来校准(对于所有压力读数来说)。

图1的实施例展示为贝阿德-阿尔珀特型电离计100的裸露配置。也想到非裸露型电离计也为可能的。图2展示使本发明具体化的特定非裸露型电离计200。电离计200具有与上述电离计100(图1)类似的组件，但具有以下增加物。电离计200容纳于管205中。管205在一端225处敞开以允许气体的分子和原子穿过屏蔽物220进入测量腔室117。屏蔽物220和管205形成屏蔽物容积。增加可选的第二离子集极210以用于极短平均自由路程的高压力测量。

在操作过程中，气体的分子和原子穿过部分敞开的屏蔽物220进入测量腔室117中。屏蔽物220防止屏蔽物220外的电位扰乱测量腔室117内的电荷分布。屏蔽物220维持在参考电位。在一个实施例中，参考电位为接地电位。

现在转向图3，电子源(例如，阴极细丝)105在由包封113界定的腔室117内产生电子(由电子束125表示)。电子125用于在测量腔室117中使气体分子离子化。细丝105的几何形状可为线性带、线性线、直带、弯带、马蹄形线，或此项技术中所知的任何其它形状。在一个实施例中，阴极105用来自阴极加热电源113的电流经电阻式加热而炽热。热离子式发射的电子125可释放，或朝着阳极130加速或导入到测量腔室117中。电子具有的足够能量足以允许电子被传输到阳极130的离子化容积且，具有的足够能量足以进入阳极130中。

控制器105a连接到阴极偏置电源105b，且在正常操作期间阴极105接收约30伏的阴极偏置电压和来自电源113的加热电压。一旦阴极105充分加热，控制器105a便控制阴极105使之维持适当电子流。阴极偏置电压提供阴极105与阳极130的足够电压差以朝着阳极栅130传输电子125。离子化发生在能量扩展(高于和低于标称设计能量)内；见索尔·杜西曼(Saul Dushman)在1962年所著的真空技术的科学基础(Scientific Foundations of Vacuum Technique)中关于电离计的部分5.7，所述文件以引用方式全文并入本文中。

控制器105a也耦合到阳极电压源130a，阳极电压源130a将偏置电压递送给阳极线栅130。阳极130包括在高真空条件下测量压力时约180伏的阳极偏置电压。此差异(180伏减去30伏)为电子提供150eV的能量。在电子125传递穿过在阴极105与阳极栅130之间所产生的电位差时，此150eV的能量为由单个自由电子125获得的动能的量。此150eV足以在高真空条件下使电离计容积中存在的所有气体物质离子化。

这些离子化原子和分子在到达离子集极110时可具有约180eV的最大能量。这些在阳极130的离子化容积中所形成的离子将冲击集极表面110，且在高压力下操作时，此大量离子可能过多且可使单位时间内的溅射率增加。如所提及，针对以200eV动能冲击钨目标的Ar⁺离子，溅射产量可达0.2原子/离子，且此动能可损害电离计100的组件且使电离计100降级。为抵消高溅射率，电离计设计也可使溅射产量减小。

本发明的电离计100在高压力级下使阳极栅偏置电压电平相对于集极110的偏置电压而减小以使溅射碰撞的产量减小。对于冲击集极电极110的钨表面的Ar⁺离子来说，阳极栅偏置电压降低到约80伏可提供使溅射产量减小到约五分之一。尽管降低阳极栅130的偏置电压，但电子的能量仍足够高以令其与气体原子和分子的碰撞能使阳极栅130中的离子化容积中存在的所有气体物质离子化。同时，离子的动能减小以使到达集极110、包封壁和邻近接地电子结构(未图示)的离子能量减少。这发生在提供阴极105与阳极130之间的足够电位差时，使得电子125可进入阳极栅容积130，同时减少溅射产量。

显著地，偏置电压降低的副作用可为电离计100的灵敏度降低。由于此降低发生在高压力级下或高于10^-4托下，因此由集极电极110接收到的离子电流信号相对大。此由集极110接收到的信号/噪声级对于电离计100的操作为足够的。

在第一实施例中，电离计100包括控制器105a，其在高压力模式下降低阳极栅130的偏置电压。在所示的实施例中，优选地，控制器105a通过控制阳极电压源130a来充分地降低供应给阳极栅130的偏置电压。阳极栅130在小于180伏的阳极偏置电压下操作。此降低的偏置电压导致从150eV减少的电子动能，或阴极105与阳极栅130之间的电位差。

显著地，此减少到小于150eV的电子动能仍足以使电离计100容积中存在的所有气体物质离子化。不同单原子物质所需的阈值离子化能量的值可从3.88eV(Cs)到24.58eV(He)，和15eV(对于氧、氮和氢)。各种离子化能量为可能的且在本发明的范围内，此取决于希望进行测量的气体材料。

在另一实施例中，控制器105a输出控制信号给阳极电压源130a以使阳极偏置电压源从180伏降低到80伏或更低。在此实施例中，电子能或阴极105与阳极130的偏置电压之间的差为50eV。此量足以在高压力下使气体离子化而未使电离计100降级，所述降级是归因于高溅射产量。针对冲击钨集极电极110表面的Ar⁺离子，这导致溅射冲击的产量减小，且此50eV值可提供使溅射产量减小到五分之一。应了解，也可想到其它阳极偏置电压，且本发明的电离计100不限于任何特定阳极偏置电压的降低。

在一个实施例中，电离计100经配置以使得阳极130在一个压力下以初始偏置电压操作，且接着自动在高压力(例如，高于约10^-4托)下以降低的偏置电压操作。控制器105a可自动地切换偏置电压，使得阳极130与集极电极110之间的电位差小于90伏。

在另一实施例中，阳极130的偏置电压可从约180伏切换到约80伏，使得阳极130与集极电极110之间的电位差为约80伏。可给阴极细丝105供应小于20伏的电压，或可供应约10伏的电压，使得来自阴极105与阳极130的适当电压差得以维持。阳极130可在高压力下或高于约10^-4托下在减少的偏置电压下操作。

在低压力下，在高溅射产量相对于上述高压力条件并非如此重要的情况下，控制器105a可控制阳极偏置电压源130a以使阳极偏置电压源增加。电位差可增加以获得足够的离子化能量。这确保电子具有足够的能量来使极低密度的气体有效地离子化。

应了解，阴极105的偏置电压不可过低，且必须高于集极电极110和包封壁113。优选地，阴极105高于集极电极110约10伏。

本发明的电离计100不限于控制阳极栅130的偏置电压。可想到，细丝105和集极电极110的偏置电压也可由控制器105a修改。细丝105和集极电极110的偏置电压也可由控制器105a修改以使溅射产量最小化，且延长电离计100的寿命。还应了解，电离计100可配置为三极管电离计(未图示)或另一特定类型的电离计100。应了解，本发明的电离计100不限于BA电离计，且可包括冷阴极电子发射极105。

离子的能量可由离子集极110与阳极130之间的差来确定。此处，阳极130可保持恒定，且集极110可升高到接地电位以上以降低离子的能量。

现在转向图4，展示本发明的另一实施例。此处，电离计为贝阿德-阿尔珀特电离计400；然而，电离计400可或者制造为具有冷电子发射极源的冷电子发射极电离计400。电离计400包括阳极栅430、阴极细丝405和第一离子集极电极410a。阳极430环绕第一离子集极电极410a。

通常，贝阿德-阿尔珀特电离计用于在高真空和超高真空环境中测量压力。压力测量能力在高真空级或在约10^-4托下会受到危及，且在约10^-3托下变成甚至更为受限。所观测到的一个问题为在较高压力下电子在通向阳极栅430的途中分散。分散与中性物质的碰撞会危及到长电子轨道。另外，将离子有效地收集到阳极130内部的能力受到危及，因为离子密度是绕着集极柱410a来建立。

本发明的电离计400优选地在高压力下收集位于阳极栅430外的离子。此收集使有效压力操作范围扩展到高于10^-4托。

在此实施例中，第二离子集极410b可位于阴极细丝405附近或较接近于阴极细丝405的位置处。集极电极410b确保在高压力下位于电子源405附近的离子的有效收集。集极电极410b经配置以供用作替代的第二离子集极电极410b来收集在高压力下在阳极430外形成的离子。第二集极电极410b使电离计400的操作范围扩展到高于100毫托的级别，其中可检测到的最小压力极限低至10^-5托。这提供了在组合电离计中与热损失或电容薄膜式压力传感器的更佳重叠。这也提供了在PVD、半导体和硬盘制造过程中没有归因于处理循环期间传感器切换而损失的时间。这也保存了从电离计400预期得到且对仪器进行真空鉴定所需的基本测量能力。

电离计400也可包括第二离子集极电极410b，其位于细丝405附近且支撑在额外的细丝支撑柱(未图示)中。此情形在第二离子集极电极410b式样翻新方式安装到现有电离计的过程中为有利的。在再一替代实施例中，第二集极电极410b支撑在另一支撑结构(例如，位于阳极栅430附近的支撑柱)中。各种支撑配置为可能的。

第二离子集极电极410b可为如图4中所展示的柱410b或为电极板410c(图5)，或可形成为电极栅或壁410d(图6)。图5的第二离子集极电极410c可连接到电流计435a，或可替代操作地耦合到用以连接到电流计435的集极电极410a。第二集极410b可连接到与集极410a不同的电流计435a或相同的电流计435以测量离子，且电离计400不限于任何特定配置。

转向图6，第二离子集极可形成为中间壁410d。集极壁410d环绕阳极430与第一离子集极电极410a和阴极405。

中间壁410d可连接到开关440(图6)。开关440提供两种收集离子的模式，也就是高压力操作模式和正常(高真空)操作模式。在高压力操作模式下，电离计400使用第二离子集极栅或壁410d来收集离子。在正常(高真空)操作模式下，第一离子集极电极410a收集离子。电离计400可使用开关440来在使用集极410a或集极410d收集离子之间切换，开关440可手动控制或电子控制。使用由连接到控制器450的电流计435接收到的所检测信号来测量压力。一个集极将用在高压力下，而在不同压力下，将使用另一个集极电极来测量压力。

中间壁410d可宜以式样翻新方式安装到现有BA电离计400。在此方面中，开关440可以式样翻新方式安装并连接在现有BA电离计400中的电流计435与第一离子集极电极410a之间。

应了解，阴极发射电平可保持恒定，且阳极430上的电压偏置也保持恒定。在一个实施例中，电流计435将检测到1×10^-4托的压力，且接着输出信号给控制器450。控制器450响应上将接着从使用第一离子集极电极410a收集离子切换到使用第二离子集极410d收集离子，以收集在较接近于细丝405处所形成的离子。

在另一实施例中，离子电流测量可有效地从一个集极自我切换到另一集极，借以在压力从高于约10^-3托增加时将来自内部集极的离子电流显著减小，且接着在压力减小到低于10^-3托时将来自外部集极的离子电流显著减小。应了解，来自外部集极的离子电流在低于10^-4托下大体上并不重要。

应了解，电离计400可形成有两个以上的离子集极电极410a、410d。电离计400可包括第二离子集极410d和第三离子集极电极(未图示)，或放置在细丝405附近以在高压力下收集离子的更多集极电极。各种配置为可能且在本发明的范围内。

在图7中所示的另一实施例中，电离计100可配置成舒尔茨-费尔普斯几何形状，其中阳极115布置成平板，离子集极110布置成平行平板，且电子源105位于所述两个板110、115之间。

转向图8，电离计100优选地可与集束工具800或另一多腔室工具一同使用以进行处理操作。在一个实施例中，集束工具800可包括通过阀810a连接到转移腔室810的进样(load lock)腔室805。通过阀810b密封进样腔室805使之与周围条件隔绝。设想单腔室和多腔室集束工具800，且电离计100可用于单腔室或多腔室工具配置中。应了解，电离计100不限于用于真空腔室，而是可用于此项技术中所知的任何制造腔室。

集束工具800也可包括处理模块815。处理模块815还通过阀810c连接到转移腔室810。工具800可包括多个处理模块815和多个进样腔室805，且所展示的配置并非限制性。进样腔室805可包括粗抽泵RP1，其还通过阀V1连接到进样腔室805。进样腔室805、转移腔室810和处理模块815中的每一者可包括至少一个真空泵Vp1、Vp2和Vp3。真空泵可为低温真空泵或另一泵，例如涡轮泵或水蒸汽泵。各种泵抽配置为可能且在本发明的范围内。

优选地，可将晶片(未图示)引入到进样腔室805中，且使用粗抽泵Rp1和真空泵Vp1泵抽到真空条件。使用晶片操纵机械手(未图示)，可通过阀810a将晶片操纵到转移腔室810，且接着可通过阀810c将晶片放置在处理模块815中以进行各种沉积操作。在一个实施例中，电离计100可放置在集束工具800的腔室805、810或815中+的一者中。为实现说明目的，电离计100展示为在处理模块815中，但不限于任何特定腔室或位置，且可放置在腔室或工具800外部。

电离计100优选地可测量压力，即，基础压力(高真空)和较高处理压力(多数在mTorr范围中)，然而，此并非限制性的，且各种测量操作参数为可能且在本发明的范围内。电离计100可用以在平板显示器的制造、磁性媒体操作、太阳能电池、光学涂层操作、半导体制造操作和其它制造处理操作过程中测量压力。这些工艺可包括物理气相沉积、等离子气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、等离子蚀刻操作、植入操作、氧化/扩散、氮化物的形成、真空光刻、干式剥离操作、外延操作(EPI)、快速加热处理(RTP)操作、远紫外光刻操作和其它操作。优选地，电离计100也可与一个或一个以上分析工具一同操作，例如显微镜或质谱仪。质谱仪可包括气相色谱仪(GC)、液相色谱仪(LC)、离子阱仪、扇形磁场谱仪、双聚焦仪器、飞行时间仪器(TOF)、旋转磁场仪器、离子迁移仪器、线性四极杆仪器和其它仪器。

可与电离计100且与集束工具800(或不与集束工具800)结合使用的表面分析仪器820也可包括扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱仪(EOS/XPS)、扫描式俄歇微量分析仪器(俄歇/SAM)、辉光放电质谱仪(GDMS)、化学分析电子能谱仪(ESCA)、原子力显微镜/扫描探针显微镜仪器(AFM/SPM)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、波长色散X射线光谱仪(WDS)、电感耦合等离子质谱仪(ICPMS)、X射线荧光分析仪(XRF)、中子活化分析仪(NAA)、计量仪器，和其它仪器。应了解，此列表并非详尽的，且电离计100可与上文未列举的其它仪器一起使用。

虽然已参考本发明的优选实施例来特定地展示并描述本发明，但所属领域的技术人员应理解，在未脱离由所附权利要求书所包含的本发明的范围的情况下可在形式和细节上对其进行各种改变。

Claims (38)

1.一种用以测量压力的电离计，其包含：

至少一个电子源，其产生电子；

集极电极，其收集由所述电子与气体分子之间的冲击形成的离子；以及

阳极，其经配置以基于预定压力相对于所述集极电极的偏置电压来切换偏置电压。

2.根据权利要求1所述的电离计，其中所述阳极的所述偏置电压是相对于所述集极电极的所述偏置电压来切换以使溅射碰撞的产量减小。

3.根据权利要求1所述的电离计，其中所述阳极在低于约10^-4托的压力下以初始偏置电压操作，且其中所述阳极在高于约10^-4托的压力下以减少的偏置电压操作。

4.根据权利要求1所述的电离计，其进一步包含基于所述电离计的压力模式来改变所述阳极的所述偏置电压的控制器。

5.根据权利要求1所述的电离计，其中所述阳极偏置电压经切换以使得所述阳极与所述集极之间的电位差小于90伏。

6.根据权利要求1所述的电离计，其中所述阳极偏置电压经切换以使得所述阳极与所述集极之间的电位差为约80伏。

7.根据权利要求1所述的电离计，其中所述电子源以小于20伏的偏置电压操作。

8.根据权利要求1所述的电离计，其中所述电子源以约10伏的偏置电压操作。

9.根据权利要求1所述的电离计，其中所述阳极偏置电压是从约180伏切换到约80伏。

10.根据权利要求1所述的电离计，其中所述阳极偏置电压是切换到约80伏。

11.根据权利要求1所述的电离计，其中由所述集极电极收集到的电流形成压力信号。

12.根据权利要求1所述的电离计，其中所述阳极偏置电压是从约180伏切换。

13.根据权利要求1所述的电离计，其中所述阳极在高于约10^-4托下以减少的偏置电压操作。

14.根据权利要求1所述的电离计，其中所述电子源位于所述阳极内部，且其中所述集极电极位于所述阳极外部。

15.一种用以测量压力的电离计，其包含：

至少一个电子源，其产生电子；以及

至少一个集极电极，其收集由所述电子与气体分子之间的冲击形成的离子，其中所述至少一个集极电极位于阳极外部。

16.根据权利要求15所述的电离计，其进一步包含：

位于所述阳极内部的第二集极电极。

17.根据权利要求1所述的电离计，其中压力计为贝阿德-阿尔珀特型的。

18.根据权利要求1所述的电离计，其中离子化容积是由板状阳极与板状集极电极界定的，且其中所述产生电子的源通常介于所述板状阳极与所述板状集极电极之间。

19.一种从气体分子和原子测量气体压力的方法，其包含以下步骤：

从至少一个电子源产生电子；

将所述电子传输给阳极以形成离子；

相对于集极电极的偏置电压来切换阳极的偏置电压；以及

收集由所述电子与所述气体分子和原子之间的冲击形成的离子。

20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包含相对于所述集极电极的所述偏置电压来切换所述阳极的所述偏置电压以减少所述离子的冲击能。

21.根据权利要求19所述的方法，其进一步包含由所述收集到的离子形成压力信号。

22.根据权利要求19所述的方法，其进一步包含在低于约10^-4托的压力下以初始偏置电压操作所述阳极，且在高于约10^-4托的压力下降低所述偏置电压。

23.根据权利要求19所述的方法，其进一步包含基于电离计的压力模式来控制所述阳极的所述偏置电压。

24.根据权利要求19所述的方法，其进一步包含切换所述偏置电压以使得所述阳极与所述集极电极之间的电位差小于约90伏。

25.根据权利要求19所述的方法，其进一步包含切换所述偏置电压以使得所述阳极与所述集极电极之间的电位差为约80伏。

26.根据权利要求19所述的方法，其进一步包含在小于约20伏下操作所述电子源。

27.根据权利要求19所述的方法，其进一步包含在约10伏下操作所述电子源。

28.根据权利要求19所述的方法，其进一步包含将所述偏置电压从约180伏切换到约80伏。

29.根据权利要求19所述的方法，其进一步包含将所述偏置电压切换到约80伏。

30.一种从气体分子和原子测量气体压力的方法，其包含以下步骤：

从至少一个电子源产生电子；

将所述电子传输给阳极以形成离子；以及

通过在高于约10^-4托的压力下收集位于所述阳极外部的离子，来收集由所述电子与所述气体分子和原子之间的冲击形成的离子。

31.一种电离计，其包含：

用于产生电子的构件；

用于形成离子的构件；

用于降低所述离子的冲击能的构件；以及

用于收集由所述电子与气体分子和原子之间的冲击形成的离子的构件。

32.一种用以测量压力以减少溅射产量的电离计，所述电离计包含：

电子源，其产生电子；

集极电极，其收集由所述电子与气体分子之间的冲击形成的离子；以及

装置，其经配置以基于预定压力来控制至少一个电离计组件的偏置电压，所述装置使溅射碰撞的产量减小。

33.根据权利要求32所述的电离计，其中所述装置使所述电子源的电位降低。

34.根据权利要求1所述的电离计，其中所述阳极偏置电压经切换以使得所述阳极与所述集极之间的电位差为约70伏。

35.一种工艺，其包含：

提供衬底；

对工具进行抽空以在所述工具中对所述衬底执行处理；

通过提供以下各者来测量压力：

至少一个电子源，其产生电子；

集极电极，其收集由所述电子与气体分子之间的冲击形成的离子；和

阳极，其经配置以基于预定压力而相对于所述集极电极的偏置电压来切换偏置电压；以及

在真空环境中对所述衬底进行操作以形成经处理的衬底。

36.根据权利要求35所述的工艺，其中所述阳极经配置以基于所述预定压力而相对于所述集极电极的所述偏置电压来切换所述偏置电压，以使溅射碰撞的产量减小。

37.一种工艺，其包含：

使用分析工具来测量所述工艺的参数；以及

通过提供以下各者来测量压力：

至少一个电子源，其产生电子；

集极电极，其收集由所述电子与气体分子之间的冲击形成的离子；和

阳极，其经配置以基于预定压力而相对于所述集极电极的偏置电压来切换偏置电压。

38.根据权利要求37所述的工艺，其中所述阳极经配置以基于所述预定压力来相对于所述集极电极的所述偏置电压来切换所述偏置电压，以使溅射碰撞的产量减小。

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