CN102612641A - 真空质量测量系统 - Google Patents

Abstract

一种用于真空室的气体分析器包含处理电子器件，其经配置以接收质谱数据，接收所述真空室中的总压力的输入，接收来自至少一个传感器的外部输入，且使用所述质谱数据、所述真空室中的所述总压力以及来自所述至少一个传感器的所述外部输入来基于至少一个质量准则计算真空质量指数。

Description

真空质量测量系统

相关申请案

本申请案主张2009年11月9日申请的第61/280,825号美国临时申请案以及2010年4月16日申请的第61/324,992号美国临时申请案的权益。上述申请案的完整教示以引用的方式并入本文中。

背景技术

质谱仪在工业和半导体制造领域已找到其过程应用，且已成功应用于解决与泄漏检测、气体污染和气体成分控制有关的多种问题。由质谱数据提供的气体成分信息的值被充分理解；然而，质谱仪仍被视为复杂的仪器，且数据解译通常仍被移交给能够收集和解译相关数据的“专家”。与质谱仪相关联的“复杂性特征”是应得的，且在某种程度上是技术的高成本的原因所在。大多数质谱仪器是昂贵的，且因此质谱仪制造商趋向于使仪器非常灵活，因此用户可以所有可想到的模式来操作装置。

发明内容

灵活性通常是质谱专家的期望特征，但可能为对此项技术不熟的人提供一组压倒性的选择。因此，需要气体分析器，其最小化或消除上文所提到的复杂性。

在一个实施例中，用于真空室的气体分析器包含处理电子器件，其经配置以接收质谱数据，接收所述真空室中的总压力的输入，接收来自至少一个传感器的外部输入，且使用所述质谱数据、所述真空室中的所述总压力以及来自所述至少一个传感器的所述外部输入来基于至少一个质量准则计算真空质量指数。

所述至少一个质量准则可为用户可编程的。气体分析器可进一步包含质谱仪，其经配置以提供质谱数据。处理电子器件可进一步经配置以基于质谱数据确定真空室中存在的至少一种化学种类的身份。

在一个实施例中，处理电子器件进一步经配置以确定具有至少第一级和第二级的低温泵的充满度等级。在特定实施例中，所述至少一个传感器包含低温泵的第二级的温度的温度传感器，存在于真空室中的至少一种化学种类为氢，且所述至少一个质量准则包含氢局部压力与真空室中的总压力的比率。

在另一实施例中，处理电子器件进一步经配置以确定存在于真空室中的至少两种化学种类的相对浓度，且使用所述相对浓度来计算真空质量指数。在又一实施例中，处理电子器件进一步经配置以确定存在于真空室中的至少一种化学种类的局部压力，且使用所述局部压力来计算真空质量指数。在一些实施例中，处理电子器件进一步经配置以确定存在于真空室中的至少两种化学种类的局部压力，且使用所述至少两种化学种类的所述局部压力来计算真空质量指数。

在一些实施例中，气体分析器可包含至少一种化学种类的局部压力的显示、至少一种化学种类的最小和最大局部压力的显示，以及至少一种化学种类的局部压力的数字输出。在某些实施例中，气体分析器可包含真空质量指数的显示、真空室中的总压力的显示，以及质谱数据的扫描范围的显示。

所述至少一个传感器可包含衬底温度传感器、真空泵速度传感器、质量流量监视器、低温泵温度传感器和/或离子泵电流传感器。在一些实施例中，真空质量指数可控制二进制输出。在某些实施例中，气体分析器可包含真空质量指数的数字输出，以及质谱数据的数字输出。

在一些实施例中，处理电子器件可进一步经配置以使用真空质量指数来控制过程。所述过程可为真空室的基础输出，且所述至少一个传感器包含真空室的温度的温度传感器。在此特定实施例中，所述至少一个质量准则包含真空室中的氢与所有其它化学种类的比率。在另一实施例中，所述过程可为真空室的基础输出，且所述至少一个传感器包含真空室与用于排空真空室的真空泵之间的闸阀的位置传感器。在此特定实施例中，所述至少一个质量准则包含真空室中的水与所有其它化学种类的比率。

在另一实施例中，分析真空室中的气体的方法包含：接收质谱数据；接收所述真空室中的总压力的输入；接收来自至少一个传感器的外部输入；以及使用所述质谱数据、所述真空室中的总压力以及来自所述至少一个传感器的所述外部输入来基于至少一个质量准则计算真空质量指数。所述方法可进一步包含使用真空质量指数来控制过程。在一些实施例中，控制所述过程包含前馈过程控制。在一些其它实施例中，控制所述过程包含反馈过程控制。在某些实施例中，控制所述过程包含随着时间的推移而跟踪真空室中的过程的质量。在某些其它实施例中，控制所述过程包含使不同真空室中的过程的质量匹配。在其它实施例中，所述方法可进一步包含使用真空质量指数来控制至少一种气体到真空室中的流动。

在又另一实施例中，分析真空室中的气体的方法包含：接收真空室中的至少一种气体的所要浓度的输入；计算真空室中的至少一种气体的所要浓度的预期质谱仪扫描输出；接收质谱数据；以及使用预期质谱仪扫描输出和质谱数据来基于至少一个质量准则计算真空质量指数。所述方法可进一步包含使用真空质量指数来控制过程。所述过程可包含到真空室中的气体流。所述至少一个质量准则可包含预期质谱仪扫描输出与质谱数据之间的相关。

在另一实施例中，一种分析真空室中的气体的方法包含：接收质谱数据；接收所述真空室中的总压力的输入；接收来自离子束电流传感器的外部输入；以及使用所述质谱数据、所述真空室中的总压力以及来自所述离子束电流传感器的所述外部输入来基于至少一个质量准则计算真空质量指数。所述方法可进一步包含使用真空质量指数来控制过程。所述过程可包含使用离子束的离子植入。所述至少一个质量准则可包含归因于束中的离子与真空室中的中性气体种类之间的电荷交换而导致的束电荷状态改变的补偿。

在又一实施例中，一种用于真空室的气体分析系统包含：质谱仪；至少一个传感器；以及用于真空室的气体分析器，其包含处理电子器件，所述处理电子器件经配置以接收质谱数据，接收所述真空室中的总压力的输入，接收来自至少一个传感器的外部输入，且使用所述质谱数据、所述真空室中的所述总压力以及来自所述至少一个传感器的所述外部输入来基于至少一个质量准则计算真空质量指数。

本发明具有许多优点，包含将总压力信息、质谱数据和外部输入组合成可用以驱动例如模拟电压、数字电压（数字逻辑）和继电器闭合等输出的单个数字指数。

附图说明

上述内容将从对本发明的实例实施例的以下更明确描述中明了，如附图中所说明，其中相同参考字符在不同视图中始终指代相同部分。所述图式不一定是按比例绘制的，而是将重点放在说明本发明的实施例上。

图1是包含个人计算机的本发明的气体分析器的示意性说明。

图2是包含专用数据处理器的本发明的气体分析器的示意性说明。

图3是根据本发明的真空质量监视的流程图。

图4是将本发明的真空质量指数用于高能离子植入过程中的压力补偿的示意性说明。

图5是使用本发明的真空质量监视器来控制气体到真空室中的流动的示意性说明。

具体实施方式

本发明的实例实施例的描述如下。

在图1中所示的一个实施例中，用于真空室110的气体分析器100包含处理电子器件120，其经配置以接收质谱数据，接收所述真空室110中的总压力的输入，接收来自至少一个传感器的外部输入，且使用所述质谱数据、所述真空室中的所述总压力以及来自所述至少一个传感器的所述外部输入来基于至少一个质量准则计算真空质量指数（VQI）。

可将总压力与质谱数据的组合视为特征或模式，其可接着用于：（1）随着时间的推移跟踪室中的真空质量，（2）进行前馈和反馈过程控制，以及（3）提供改进室匹配的方法。或者，建置到真空质量监视器（VQM）控制器中的脚本创作引擎可用于从可接着链接到特定实时输出的两个数据源得出VQI。脚本创作引擎可用于基于用户可编程的质量准则得出VQI。真空指数组合了来自（1）总压力测量结果，（2）质谱数据以及（3）外部数据（即，真空泵速度或衬底温度）的数据，来提供单个数字，即单个测量输出，其可用于驱动实时输出且提供实时过程控制。真空质量指数提供用以将复杂的气体分析和质谱数据转变为简单的测量输出的方法。

也如图1中所示，气体分析器100可进一步包含质谱仪130，其经配置以提供质谱数据。质谱仪可为四极质谱仪，或优选为自动共振陷阱质谱仪（ARTMS）。见“离子陷阱质谱仪与四极质谱仪的比较（Comparison of Ion Trap MassSpectrometer and Quadrupole Mass Spectrometer）”，真空镀膜机协会（Society ofVacuum Coaters），第52次年度技术会议纪录，加利福尼亚州圣克拉拉市，2009年5月9日到14日，第122到129页；用于远程感测应用的自动共振陷阱质谱（ART MS），国际质谱期刊（295）第133到137页(2010)；A·V·厄马科夫（A.V.Ermakov）等人在2007年11月13日申请的第12/514,339号美国专利申请案，其在2010年4月8日公布为第2010/0084549A1号美国公开案；G ·A·布鲁克尔（G.A.Brucker）等人在2010年5月5日申请且公布为WO的第PCT/US2010/033750号国际申请案。

处理电子器件可进一步经配置以基于质谱数据确定真空室中存在的至少一种化学种类的身份。需要高级数据处理来得出为质谱作贡献的化学物质的身份，且确定其相对浓度。可在图1中所示的PC 140上，或在图2中所示的专用数据处理器150上或在处理电子器件120中执行数据处理。质谱中的峰值的位置和相对振幅用于得出真空系统中存在的化学物质的身份，且峰值的振幅用于确定系统中的不同物质的浓度。在具有ART MS技术的气体分析器的情况下，静电离子陷阱能够保持固定量的电荷，因此质谱中的峰值的振幅并不随着系统中的压力而按比例调整。由ART MS提供的质谱数据可用于得出比率计化学成分，但为了用ART MS传感器得出绝对局部压力，将由所述传感器提供的原始比率计成分分析与由图1到2中所示的电离计160提供的总压力信息进行组合。气体分析器100包含用于来自电离计160（例如，微龙(Microlon)ATM计模块）的总压力输入的连接，其由气体分析器100用来获得与质谱扫描同步的总压力读数，且由气体分析器检视器软件用来得出绝对局部压力读数。

如上文所述，ART MS传感器为静电离子陷阱，其可仅保持固定量的离子电荷密度（即，由静电斥力限制）。假以足够时间，陷阱将充满离子。累积在陷阱内部的离子的相对密度随着真空环境中的气体种类的由不同种类的电离效率加权的相对密度而按比例调整。举例来说，对于由50%N₂和50%Ar组成的气体环境，假定Ar的电离效率比氮高20%，那么预期陷阱内部的离子浓度将为54%Ar/46%N₂。可操纵ART MS陷阱的射出效率，以最小化其质量依赖性（即，1/f扫描提供与质量无关的最佳离子射出）。测量由用于每一离子的陷阱射出的电荷提供了陷阱内部的相对离子电荷的近似表示。这是通过整合每一离子的质量峰值区域、从离子电流对时间质谱开始，且接着计算每一峰值对总射出电荷的电荷贡献来实现的。在先前实例中，预期对应于Ar的峰值贡献总射出电荷的54%，且来自氮的峰值贡献其余46%。一旦计算出每一峰值的相对贡献，且识别出对应于所述峰值的种类，就可接着应用化学种类的电离效率来得出气体环境中的每一种类的确切比率计贡献。ART MS传感器本质上是比率计装置。在以上实例中，一旦两种气体对总电荷的贡献被确定（即，针对N₂和Ar，分别为几乎28和40amu峰值），便可使用电离效率比率（即，1.2）来确定两种气体以50%的比率存在于真空系统中。

为了将谱中的峰值指派给实际化学种类，有必要通过（例如）谱去卷积程序来使质谱与气体库相关。在谱去卷积期间，假定总谱由来自选自气体库的若干不同气体组份的质谱的线性组合组成。通过线性回归算法计算与总谱匹配所需的每一种类的贡献，且所得系数提供每一组份对总谱的贡献。接着假定具有非零系数的气体存在于气体系统中，且使用所述系数来确定其对谱中的不同峰值的贡献。谱去卷积方法是方便的，因为其考虑了分子种类的分段模式。

ART MS传感器可提供原始比率计信息。计算绝对局部压力需要由也存在于图1到2中所示的系统100中的电离计160提供的额外信息。电离计通过以与ART MS传感器相同的方式电离气体分子来起作用。每一气体对电离计的离子电流的贡献等于由ART MS陷阱中的电离效率加权的浓度比率。在以上实例中，Ar贡献离子电流的54%和总压力读数的54%。为了将电离计所提供的总压力分解成来自其离子中的每一者的贡献，将总压力乘以每一离子对从陷阱射出的总电荷的贡献。举例来说，如果电离计读取1E-6托，那么5.4E-7托对应于Ar，且4.6E-7托对应于N₂。由于电离计读数针对氮而校准，因此系统中的N₂的局部压力为4.6E-7。然而，由于Ar的电离效率比N₂的电离效率高20%，因此系统中的Ar的局部压力为5.4E-7托/1.2=4.6E-7托。因此，真空系统具有N₂和Ar的50%混合，具有4.6E-7托的相等局部压力。系统中的实际总压力为9.2E-7托，而不是电离计所提供的1E-6托读数。

大多数过程工程师要求“气体分析器”是能够提供他们所需要的“气体成分”信息而不必解译质谱或分析复杂的趋势曲线图的装置。根据本发明的真空质量监视器以通过将总压力测量数据（内部或外部）与从质谱的自动化分析得出的气体成分分析进行组合而获得的单个数字（本文描述为指数）提供真空质量度量。所述指数是在仪器内部得出，且由过程工程师用以在过程期间的不同步骤估定“气体环境的质量”。基于预指定的用户可编程的脚本（例如，Lablua，Rio de Janeiro，Brazil）计算所述指数，且所述指数可包含来自例如温度计、真空（例如涡轮）泵速度监视器和质量流量控制器等外部源的信息。图3中展示显示真空质量指数（VQI）的实施方案的流程图。在自动共振陷阱质谱（ARTMS）装置的情况下，通过在质谱产生时分析质谱且使用预建立的规则来决定继续进行是否是可接受的来实时得出真空质量指数。

使用真空质量指数的优点是可通过同时监视真空系统中的总压力和气体成分来做出较好和较快的决定。将真空质量信息组合成单个数字指数，其可用于驱动例如模拟电压、数字电压和中继器闭合等简单输出。为了使此方法最高效，可将所有传感器建立到仅占用真空室的一个端口的单个传感器封装中。然而，如果用户不希望放弃来自单独传感器的数据，那么也有可能组合所述数据。

真空质量指数计算还可能包含来自同一或另一室中的另一测量的另一真空质量指数，例如在其中用户可能需要实施前馈或反馈过程控制或使过程在两个真空室之间匹配的情况。

如所预期，“真空质量”因人而异，且甚至可能在过程的不同阶段改变其意义。合适的真空质量监视器应根据其用户的要求来配置，且包含用以检测可能需要重新调整真空限定准则的过程中的改变的构件。从装置中获取单个数字还使得非常容易设置关键任务SPC（统计过程控制），以及能够在检测到低质量真空的情况下关闭系统的互锁。

为了基于（1）质谱数据，（2）总压力和（3）辅助信号而提供VQI，如果真空的质量准许向前移动或停止过程，那么有必要知道过程工程师用来量化的质量准则。这对于在不同过程上工作的用户可能意义完全不同。沿涉及多个步骤的单个过程可能也意义不同。用户用脚本来编程计算的能力实现了VQI定义中的灵活性。也许，说明真空质量监视器的操作方式的最佳途经是在下文描述真空质量指数可用以提供“通止（go-no go）”指示的情况的一些实例。

低温泵充满度传感器

图1到2展示VQM气体分析器100的代表性应用的说明，其中在离子植入器中或UHV真空室110（其中氢为主要组份）中使用低温泵170。如图1到2中所示，总压力传感器160和质谱仪130位于真空室110中。或者，总压力传感器160和质谱仪130可位于低温泵170上方，且在到真空室110的闸阀180下方。

低温泵的抽吸速度随着储存在低温泵的炭层中的氢的量增加而减小。通常推荐的是，当因H₂容量达到其限制使得低温泵抽吸速度损失50%而导致氢的水平在真空室中加倍时，回授低温泵。一般来说，当仍在抽吸其它可凝缩气体时，H₂水平首次开始增加，使得使用H₂与总压力的比率是监视低温泵的充满度的良好方式。真空室中的氢局部压力由正从不锈钢壁解除吸附的氢与从充满的低温泵流回的氢的混合物组成。壁水平受温度影响。为了避免温度效应，有必要根据执行H₂局部压力的读取时的温度来将H₂水平标准化。低温泵的第二级（T2）中的温度也是泵处的高氢局部压力的指示物。如果温度升高到高于15K，那么这也指示低温泵需要回授。

识别低温泵的充满度的过程为：

步骤1）计算相对于总压力的氢局部压力比率，且根据室温将其标准化（假定线性响应）。如果局部压力水平是预期水平的两倍，那么回授低温泵。质量准则可为H₂与总压力的比率。如果氢比率过高，那么设定VQI≥1。如果VQI<1，那么不需要回授。

步骤2）如果图1到2中所示的T2温度升高到高于15K，那么设定VQI≥1，且开始低温泵的回授。

图1到2中所示的输入信号为：

1.总压力（TP）

2.质谱-H₂局部压力（PPH2）

3.Ext信号#1：用于H₂水平标准化的Ext室温（T）

4.Ext信号#2：T2温度，来自低温泵，用以决定低温泵是否健全。

可假定，健全的系统中具有最多90%的氢，使得在新鲜系统中，H₂的局部压力与总压力之比为0.9。随着H₂的局部压力增加且加倍，假定系统转为95%的氢。还假定，H₂与TP的比率随绝对温度线性地按比例调整。VQI为：

VQI=([(PPH2/TP)*(298/T)]/0.95-0.947)*18.87（1）

当泵健全（即，90%的H₂）时，且假定室温T为298K，那么所得VQI＝0。

当泵需要回授时，其中室温仍在298K，那么H₂为95%，且所得VQI＝1。

基本压力条件（基础输出）

真空室的基础输出评估对所有高真空（HV，10^-3到10^-9托）系统来说是常见的。基础输出期间的理念是等待真空室抽空，且确保其在具有对进一步处理来说可接受的剩余化学种类的情况下达到可接受的基本压力。

半导体工艺等待室中的总压力降低到目标高真空水平以下以触发正确的时刻以移除工艺晶片且引入新的晶片是正常的。此需要并非唯一针对于半导体行业；磁性媒体制造工具也在逐步进行到下一室之前等待压力降低到目标水平以下。本发明的方法在过程可开始之前需要等待从室评估所有气体组份。这潜在地是对时间的低效使用，因为通常最充裕且花费最长时间来抽出的组份是对过程无害的。仅跟踪有害组份且仅等待所述有害组份降低到有害水平以下将更加高效。这可用与合适的数据分析能力组合的质谱仪以及计算跟踪有害组份的总浓度的指数的脚本创建机构来自动完成。在此情况下界定真空质量指数的一种可能方法是经验上确定已知在室中出现的个别气体组份变为对过程有害的水平，且接着界定查看所述组份中的任一者超过其已知有害阈值的脚本。可将有害组份（例如碳氢化合物）界定为包含45原子质量单位（amu）或较大质量下的任何质量峰值，而不对对应于所需要的特定峰值的特定化学种类进行化学识别。通过将有害组份的水平与其有害阈值进行比较，且合计所有正偏差来计算真空质量指数。所述计算中不包含低于有害阈值的气体，除非所述气体与其它组份相加地贡献。真空质量指数可为所有气体的高于阈值的所有正偏差的总和。只要真空质量指数为零，就准备好替换晶片。当真空质量指数为零时，用户确信所有有害组份均低于损害阈值。用户无需查看谱，而是仅等待真空质量指数变为零。注意，尽管有可能用任何质谱仪来执行此计算，只要自动化数据分析可用即可，但ART MS是将在圆盘涂覆室处于基本压力的0.5秒时间内实现VQI的测量的唯一可用技术。

使用基于水与空气的比率的质量准则，基础输出的VQI的另一实例为：

VQI＝0.625*H₂O/空气+0.5(如果总压力<1E-06托)（2）

对于在大体条件下抽空的真空室，所述室将在大多数为空气的情况下来开始抽空。抽空将持续，直到VQI≥1为止。随着空气被抽出，水将变为室中的主要组份。在室抽空开始时的VQI近似为零，因为H₂O/空气的比率为较小数字。随着室被抽空，VQI增加，但只要总压力保持高于1E-06托，则VQI<1，除非H₂O/空气>1.6，这在水在抽空开始时很可能相当恒定而空气是正被抽空的主要组份的真空室中是不可能的。当总压力达到1E-06托时，如图2中所示，VQI增加0.5，且因此VQI=1所需的H₂O/空气比率为H₂O/空气=0.8，其转换为约为气体环境的44%的水，其中总压力低于1E-06托，这对于一些应用来说可为可接受的真空环境。

UHV基础输出

众所周知的是被适当抽空的超高真空（10^-9-10^-12托（UHV））系统将具有由95%氢组成的残余气体环境。UHV用户习惯于查看残余气体分析器（RGA）质谱，且简单地评估氢与所有其它组份的比率，来决定UHV系统中的真空是否可接受，从而决定只要谱为清洁的，实验就可继续。用户可使用根据本发明的气体分析器来控制实验，使得只要H₂与所有其它组份（整合）的比率>0.95，实验就可继续。在此情况下，这将是真空质量指数。UHV基础输出的VQI的实例为：

步骤1）如果压力高于目标值，且氢小于谱中的总气体的25%，那么VQI=0。

步骤2）VQI＝H₂对整个质量范围内的质谱中的总电荷的%贡献。

只要VQI>90，过程就可开始。理念是VQI可为90的唯一方式是系统被完全抽空。注意，如果真空室的温度的（图1到2中所示的）外部输入190组合到VQI计算中，那么可使此VQI更准确。UHV室中的氢的水平非常依赖于外部温度。有可能基于真空室中的氢水平来判断室中的空气调节是打开还是关闭的。如果用户知道氢演变如何受温度影响，那么其可用于标准化氢水平。以此方式，如果系统较暖，那么用户并不决定真空室因温度所导致的升高的H₂水平而过快地处于UHV。此质量准则仅需要总压力测量和比率计质谱数据，任选地与室温输入组合。

具有碳氢化合物的基础输出

基础输出的另一质量准则可为不具有碳氢化合物污染的清洁真空室。来自制造应用的实例情况：当建立新的ART MS陷阱时，预期陷阱的抽空期间的事件序列为：1）最初，陷阱大部分填有空气。空气出来，且接着谱由水控制。预期总压力在3个小时内将下降到1E-8托以下，且当达到所述水平时，预期谱将由至少80%的水组成。如果达到1E-8托的压力，且谱由80%的水组成，那么ART MS陷阱将为可接受的，因为水将流走，且油（即，碳氢化合物）构成10^-9托范围（即，充分低）内的贡献。如果压力尚未处于1E-8托，那么用户等待3个小时，看水峰值是否变为在谱中占主导地位。如果在三个小时之后，陷阱未被抽空到1E-8托，且水从未变为谱的80%，那么不满足质量准则。在此情况下，VQI脚本可为：

由抽空已开始的信号启动脚本。外部输入为指示陷阱暴露于低温泵的主要闸阀的位置。一旦如下文描述计算VQI，VQI=1就指示抽空成功。

如果压力>1E-8托，且抽空时间<3小时，那么VQI=0.5，

如果压力>1E-8托，且抽空时间>3小时，那么对于测试的剩余部分，VQI=0，且陷阱未通过抽空测试。所述ART MS陷阱是不可接受的。需要对陷阱进行烘干或等离子体清洗。脚本停止执行，直到下一次抽空为止。

一旦压力<1E-8，就计算水对质谱的分数贡献。

如果水分数贡献小于0.8，且抽空时间小于3小时，那么将水的分数贡献报告为VQI。

如果水分数贡献<0.8，且抽空时间长于3小时，那么对于测试的剩余部分，VQI=0。ART MS陷阱不合格。脚本停止执行，直到下一次抽空为止。

如果在3小时过去之前，水分数贡献达到0.8，那么VQI=1。ART MS陷阱合格。不更新VQI，直到下一次抽空为止。在3小时之后，操作者可确定报告零还是一的VQI。这是二进制VQI（合格（1）或不合格（0））的实例。

在此情况下，水对谱的贡献的计算涉及计算17amu和18amu峰值对扫描期间从陷阱射出的总电荷贡献的电荷百分比。

压力补偿

存在使用压力补偿（P-COMP）来控制到达晶片中的离子束通量和化学剂量的较大已安装离子植入器基础。使用P-COMP的原因是补偿因束中的离子与真空室中的中性气体种类之间的电荷交换所导致的束电荷状态改变而发生的剂量监视不准确性。见Hsu等人的第7,057,191号美国专利。本方法是响应于压力的变化而校正在法拉第杯（FC）处观察到的电流信号，以获得离子束中的实际电流。随着压力改变，其影响发生在行进到FC的离子束中的电荷变化。随着压力增加，且较多电荷交换发生，应存在较多变化。校正因子是通过校准程序而界定，且仅基于总压力来相当好地起作用，只要气体环境的化学成分不改变即可。如果压力相同，但化学成分改变，那么可预期束电荷状态改变的显著移位。如果不仅知道总压力而且知道化学成分，那么可计算用FC测量的离子电流（I_fc）的校正因子，其将与化学变化无关。图4中所示的图中描述所述情形，其说明使用总压力（TP）计与ART MS的组合来得出用于使FC电流与离子束电流（I_IB）相关的因子：

VQI=k(TP，气体成分)（3）

I_FC=I_IB x k(TP，气体成分)（4）

FC所报告的电流I_FC与定量供给晶片的电流I_IB不同。校正因子VQI是随总压力TP和气体成分而变。VQI的实际计算取决于校准。然而，还可能的是基于对不同种类的电子亲合力和电离效率的理解来近似不同气体的VQI。一旦完成一次校准，那么用户就可进行与气体成分无关的P-COMP。

特定化学种类的泄漏检测

在检测高能离子植入器中的SF₆时，用户可监视在19与128amu之间的多种峰值中出现的SF₆的泄漏。见科夫曼（Coffman）等人的第6,286,362号美国专利，对特定化学种类的泄漏检测的描述。SF₆用于填充高压盒，以避免在存在于高能离子植入器中的100KV电位下形成电弧。在此情况下，在束线处分析气体环境。第一质量准则为当离子植入过程不在运行时，总压力必须下降到目标值以下。一旦压力下降到所请求值以下，那么第二质量准则为SF₆对总压力的贡献预期低于1%。举例来说：在过程以小于1%的SF₆开始之前，目标总压力（TP）可为2E-7托。在此情况下的实例VQI如下：

步骤1）如果TP>2E-7托，那么VQI=2

步骤2）VQI＝来自SF₆峰值的电荷对质谱中的总电荷的%贡献。

只要VQI≤1，过程就可运行。

在此情况下，只要未达到目标基础压力，VQI就>1，且接着其转为谱中的SF₆的百分比，希望其保持低于1%。

如果压力变为高于目标TP，或%SF₆变为高于1%，那么过程停止。可任选地包含外部输入，其将监视到达高压盒中的SF₆的质量流。如果SF₆不存在于气体盒中，也许因为离子植入过程是在不需要其的较低电压下操作，那么VQI值可设定为低于1，使得不进行SF₆检测，因为那时可能不存在任何风险。

在另一泄漏检测应用中，在压力不会达到所要基本水平的真空室中存在问题是常见的。在大多数情况下，用户等待直到压力稳定以进行质量分析为止，且确定空气是系统中的仅有剩余气体。有可能通过查看空气与系统中的总压力的比率来加速此过程。对于经合适密封的系统，从空气浓度与所有其它气体浓度的比率计算的VQI不应超过某一最大水平。举例来说，如果在抽空的中途已经知道空气代表气体混合物的一半，那么不需要再等待。此VQI不需要绝对局部压力信息，事实上，其可使用比率计浓度来完成。

用于气体流控制的真空质量监视器

上述实例是可如何将质谱仪用作真空质量监视器（VQM）的示范，以及可如何使用单个数字来表示真空系统的质量以进行过程中的下一步骤的示范。真空质量指数可用于决定何时开始、继续或停止过程。VQI也可先前或向后传递，以提供前馈或反馈信息。VQI还可包含辅助数据以及其它VQI。

在图5中所示的另一实施例中，真空质量监视器系统210附接到物理上接近于所关注过程点的真空室220。将气体230、240和250的所要“配方”（例如，N₂、CO、H₂O）下载到VQM系统210中。VQM系统210基于配方的气体成分和VQM传感器输出的已知特性（基于电离方法的谱库、传感器谱响应、系统和仪器噪声以及其它因素）而产生预期的质谱仪扫描输出（N₂谱260、CO谱270和H₂O谱280）。VQM系统210接着基于测得质谱290与经组合预期谱295之间的拟合（或相关）的闭环控制来控制气体流。可将测得质谱数据290和预期谱260、270和280处理成气体特定部分，以提供对个别气体流的控制。VQM系统输出可直接控制气体流阀，或将信息提供给气体流控制系统。

在又一实施例中，真空质量指数（VQI）包含预期谱和测得谱的正在进行的测量。可将气体混合物的谱的复合拟合减少到单个VQI值，且用于过程监视和控制。

可使用若干“拟合优度”方法中的一者。在本申请案中，将“相关”方法的一般用法用作确定两个复合函数之间的“拟合优度”的代表性方法。

给定两个阵列M(s)和N(s)，其中“s”可表示质量、时间、指数或某一其它变量，其中

$\mathrm{corr}(M,N)=\frac{\mathrm{\&Sigma;}\left((M\left(s\right)-\stackrel{\&OverBar;}{M})(N\left(s\right)-\stackrel{\&OverBar;}{N})\right)}{\sqrt{\mathrm{\&Sigma;}{(M\left(s\right)-\stackrel{\&OverBar;}{M})}^2\mathrm{\&Sigma;}{(N\left(s\right)-\stackrel{\&OverBar;}{N})}^2}}---\left(5\right)$

corr(M,N)=1是针对完美相关；

corr(M,N)=0是针对无相关；

corr(M,N)=-1是针对负相关。

在气体成分未知的情况下，那么VQM系统像其它质谱仪一样起作用，以提供不具有与已知气体的相关的气体谱。

VQI还可用于污染物，其中可将对一种或一种以上污染物的预期测量预加载到VQM系统中以供监视。高相关（VQI值）可用以指示污染物的存在，以及可采取行动。

可用于真空质量指数（VQI）的相关函数的实例为：

VQI N₂=corr(M(s),N₂(s))

VQI CO=corr(M(s),CO(s))

VQI H₂O=corr(M(s),H₂O(s))

VQI=corr(M(s),Sum(s))

可通过减去预期其它气体来增强M(s)以增加分辨率。

当控制N₂气体流时，X(s)=M(s)-CO(s)-H₂O(s)

当控制CO气体流时，Y(s)=M(s)-N₂(s)-H₂O(s)

当控制H₂O气体流时，Z(s)=M(s)-CO(s)-N₂(s)。

接着，通过以下函数来控制N₂气体流信号：

VQI N₂′=α*corr(X(s),N₂(s))

其中α为标准化VQI N₂′所必需的函数。

举例来说，当达到合适的流时，VQI N₂′=1。

接着，通过以下函数来控制CO气体流信号：

VQI CO′=β*corr(Y(s),CO(s))

其中β为标准化VQI CO′所必需的函数。

接着，通过以下函数来控制H₂O气体流信号：

VQI H₂O′=γ*corr(Z(s),H₂O(s))

其中γ为标准化VQI H₂O′所必需的函数。

VQM系统的速度和数据处理能力的独特性质允许依据计划的气体配方以交互方式将预期气体组份编程到VQM系统中。VQM系统具有以下功能：允许基于计划的气体配方产生预期谱，且接着对所述配方执行必要的相关功能，并基于相关结果而控制个别气体流。

仪器要求为：

1）快速的谱测量和数据处理/数据减少；

2）用于产生预期谱的功能，包含谱库和与量计性能匹配的建模能力；

2a）使用充分快的网络，较大的气体库可通过从中央存储位置提取而可用；

3）提供复合相关处理或可用以提供闭环控制系统的类似处理的能力；

4）气体与仪器的谱测量能力（质量、光学或其它谱测量）兼容。

本文所陈述的所有专利、公开申请案和参考的相关教示均以全文引用的方式并入本文中。

虽然已参考本发明的实例实施例特别展示并描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，可在不脱离由所附权利要求书包含的本发明的范围的情况下，在本文中作出形式和细节的各种改变。

Claims (80)

1.一种用于真空室的包括处理电子器件的气体分析器，其经配置以：

a）接收质谱数据；

b）接收所述真空室中的总压力的输入；

c）接收来自至少一个传感器的外部输入；以及

d）使用所述质谱数据、所述真空室中的所述总压力以及来自所述至少一个传感器的所述外部输入来基于至少一个质量准则计算真空质量指数。

2.根据权利要求1所述的气体分析器，其中所述处理电子器件进一步经配置以基于所述质谱数据确定所述真空室中存在的至少一种化学种类的身份。

3.根据权利要求2所述的气体分析器，其中所述处理电子器件进一步经配置以确定具有至少第一级和第二级的低温泵的充满度等级。

4.根据权利要求3所述的气体分析器，其中所述至少一个传感器包含所述低温泵的所述第二级的温度的温度传感器，存在于所述真空室中的至少一种化学种类为氢，且所述至少一个质量准则包含氢局部压力与所述真空室中的所述总压力的比率。

5.根据权利要求2所述的气体分析器，其中所述处理电子器件进一步经配置以确定存在于所述真空室中的至少两种化学种类的相对浓度，且使用所述相对浓度来计算所述真空质量指数。

6.根据权利要求2所述的气体分析器，其中所述处理电子器件进一步经配置以确定存在于所述真空室中的所述至少一种化学种类的局部压力，且使用所述局部压力来计算所述真空质量指数。

7.根据权利要求6所述的气体分析器，其中所述处理电子器件进一步经配置以确定存在于所述真空室中的所述至少两种化学种类的局部压力，且使用所述至少两种化学种类的所述局部压力来计算所述真空质量指数。

8.根据权利要求6所述的气体分析器，其进一步包含所述至少一种化学种类的所述局部压力的显示。

9.根据权利要求6所述的气体分析器，其进一步包含所述至少一种化学种类的最小和最大局部压力的显示。

10.根据权利要求2所述的气体分析器，其进一步包含所述至少一种化学种类的所述局部压力的数字输出。

11.根据权利要求1到10中任一权利要求所述的气体分析器，其中所述至少一个传感器包含衬底温度传感器。

12.根据权利要求1到11中任一权利要求所述的气体分析器，其中所述至少一个传感器包含真空泵速度传感器。

13.根据权利要求1到12中任一权利要求所述的气体分析器，其中所述至少一个传感器包含质量流量监视器。

14.根据权利要求1到13中任一权利要求所述的气体分析器，其中所述至少一个传感器包含低温泵温度传感器。

15.根据权利要求1到14中任一权利要求所述的气体分析器，其中所述至少一个传感器包含离子泵电流传感器。

16.根据权利要求1到15中任一权利要求所述的气体分析器，其中所述真空质量指数控制二进制输出。

17.根据权利要求1到16中任一权利要求所述的气体分析器，其中所述处理电子器件进一步经配置以使用所述真空质量指数来控制过程。

18.根据权利要求17所述的气体分析器，其中所述过程为所述真空室的基础输出，且所述至少一个传感器包含所述真空室的所述温度的温度传感器。

19.根据权利要求18所述的气体分析器，其中所述至少一个质量准则包含所述真空室中的氢与所有其它化学种类的比率。

20.根据权利要求17所述的气体分析器，其中所述过程为所述真空室的基础输出，且所述至少一个传感器包含所述真空室与用于排空所述真空室的真空泵之间的闸阀的位置传感器。

21.根据权利要求20所述的气体分析器，其中所述至少一个质量准则包含所述真空室中的水与所有其它化学种类的比率。

22.根据权利要求1到21中任一权利要求所述的气体分析器，其进一步包含所述真空质量指数的显示。

23.根据权利要求1到22中任一权利要求所述的气体分析器，其进一步包含所述真空室中的所述总压力的显示。

24.根据权利要求1到23中任一权利要求所述的气体分析器，其进一步包含所述质谱数据的扫描范围的显示。

25.根据权利要求1到24中任一权利要求所述的气体分析器，其进一步包含所述真空质量指数的数字输出。

26.根据权利要求1到25中任一权利要求所述的气体分析器，其进一步包含所述质谱数据的数字输出。

27.根据权利要求1到26中任一权利要求所述的气体分析器，其中所述至少一个质量准则为用户可编程的。

28.根据权利要求1到27中任一权利要求所述的气体分析器，其进一步包含质谱仪，所述质谱仪经配置以提供所述质谱数据。

29.一种分析真空室中的气体的方法，其包括：

a）接收质谱数据；

b）接收所述真空室中的总压力的输入；

c）接收来自至少一个传感器的外部输入；以及

d）使用所述质谱数据、所述真空室中的总压力以及来自所述至少一个传感器的所述外部输入来基于至少一个质量准则计算真空质量指数。

30.根据权利要求29所述的方法，其进一步包含基于所述质谱数据确定所述真空室中存在的至少一种化学种类的身份。

31.根据权利要求30所述的方法，其进一步包含确定具有至少第一级和第二级的低温泵的充满度等级。

32.根据权利要求31所述的方法，其中所述至少一个传感器包含所述低温泵的所述第二级的温度的温度传感器，存在于所述真空室中的至少一种化学种类为氢，且所述至少一个质量准则包含氢局部压力与所述真空室中的所述总压力的比率。

33.根据权利要求30所述的方法，其进一步包含确定所述真空室中存在的至少两种化学种类的相对浓度，以及使用所述相对浓度来计算所述真空质量指数。

34.根据权利要求31所述的方法，其进一步包含确定所述真空室中存在的所述至少一种化学种类的局部压力，以及使用所述局部压力来计算所述真空质量指数。

35.根据权利要求34所述的方法，其进一步包含确定所述真空室中存在的所述至少两种化学种类的局部压力，以及使用所述至少两种化学种类的所述局部压力来计算所述真空质量指数。

36.根据权利要求35所述的方法，其进一步包含显示所述至少一种化学种类的所述局部压力。

37.根据权利要求36所述的方法，其进一步包含显示所述至少一种化学种类的最小和最大局部压力。

38.根据权利要求30所述的方法，其进一步包含输出所述至少一种化学种类的所述局部压力的数字输出。

39.根据权利要求29到38中任一权利要求所述的方法，其中所述至少一个传感器包含衬底温度传感器。

40.根据权利要求29到39中任一权利要求所述的方法，其中所述至少一个传感器包含真空泵速度传感器。

41.根据权利要求29到40中任一权利要求所述的方法，其中所述至少一个传感器包含质量流量监视器。

42.根据权利要求29到41中任一权利要求所述的方法，其中所述至少一个传感器包含低温泵温度传感器。

43.根据权利要求29所述的方法，其中所述至少一个传感器包含离子泵电流传感器。

44.根据权利要求29到43中任一权利要求所述的方法，其进一步包含使用所述真空质量指数来控制二进制输出。

45.根据权利要求29到44中任一权利要求所述的方法，其进一步包含使用所述真空质量指数来控制模拟输出。

46.根据权利要求29到45中任一权利要求所述的方法，其进一步包含使用所述真空质量指数来控制过程。

47.根据权利要求46所述的方法，其中所述过程为所述真空室的基础输出，且所述至少一个传感器包含所述真空室与用于排空所述真空室的真空泵之间的闸阀的位置传感器。

48.根据权利要求47所述的方法，其中所述至少一个质量准则包含所述真空室中的水与所有其它化学物质的比率。

49.根据权利要求46所述的方法，其中控制所述过程包含前馈过程控制。

50.根据权利要求46所述的方法，其中控制所述过程包含反馈过程控制。

51.根据权利要求46所述的方法，其中控制所述过程包含随着时间的推移而跟踪所述真空室中的所述过程的所述质量。

52.根据权利要求46所述的方法，其中控制所述过程包含使不同真空室中的所述过程的所述质量匹配。

53.根据权利要求46所述的方法，其中控制所述过程包含控制至少一种气体到所述真空室中的流动。

54.根据权利要求29到53中任一权利要求所述的方法，其进一步包含显示所述真空质量指数。

55.根据权利要求29到54中任一权利要求所述的方法，其进一步包含显示所述真空室中的所述总压力。

56.根据权利要求29到55中任一权利要求所述的方法，其进一步包含显示所述质谱数据的扫描范围。

57.根据权利要求29到56中任一权利要求所述的方法，其进一步包含输出所述真空质量指数的数字输出。

58.根据权利要求29到57中任一权利要求所述的方法，其进一步包含输出所述质谱数据的数字输出。

59.根据权利要求29到58中任一权利要求所述的方法，其中所述至少一个质量准则为用户可编程的。

60.根据权利要求29到59中任一权利要求所述的方法，其中从质谱仪接收所述质谱数据。

61.一种分析真空室中的气体的方法，其包括：

a）接收质谱数据；

b）接收所述真空室中的总压力的输入；以及

c）使用所述质谱数据和所述真空室中的总压力来基于至少一个质量准则计算真空质量指数。

62.根据权利要求61所述的方法，其进一步包含使用所述真空质量指数来控制过程。

63.根据权利要求62所述的方法，其中所述过程是所述真空室的基础输出。

64.根据权利要求63所述的方法，其中所述至少一个质量准则包含所述真空室中的氢与所有其它化学种类的比率。

65.根据权利要求61到64中任一权利要求所述的方法，其进一步包含接收来自至少一个传感器的外部输入，以及使用所述外部输入来计算所述真空质量指数。

66.根据权利要求65所述的方法，其中所述至少一个传感器包含所述真空室的温度的温度传感器。

67.一种分析真空室中的气体的方法，其包括：

a）接收质谱数据；

b）接收所述真空室中的总压力的输入；

c）接收来自离子束电流传感器的外部输入；以及

d）使用所述质谱数据、所述真空室中的总压力以及来自所述离子束电流传感器的所述外部输入来基于至少一个质量准则计算真空质量指数。

68.根据权利要求67所述的方法，其进一步包含使用所述真空质量指数来控制过程。

69.根据权利要求68所述的方法，其中所述过程为使用离子束的离子植入。

70.根据权利要求69所述的方法，其中所述至少一个质量准则包含归因于所述束中的离子与所述真空室中的中性气体种类之间的电荷交换而导致的束电荷状态改变的补偿。

71.一种分析真空室中的气体的方法，其包括：

a）接收所述真空室中的至少一种气体的所要浓度的输入；

b）计算所述真空室中的所述至少一种气体的所述所要浓度的预期质谱仪扫描输出；

c）接收质谱数据；以及

d）使用所述预期质谱仪扫描输出和所述质谱数据来基于至少一个质量准则计算真空质量指数。

72.根据权利要求71所述的方法，其进一步包含使用所述真空质量指数来控制过程。

73.根据权利要求72所述的方法，其中所述过程包含到所述真空室中的气体流动。

74.根据权利要求71到73中任一权利要求所述的方法，其中所述至少一个质量准则包含所述预期质谱仪扫描输出与所述质谱数据之间的相关。

75.一种用于真空室的气体分析系统，其包括：

i）质谱仪

ii）至少一个传感器；以及

iii）气体分析器，其包括处理电子器件，所述处理电子器件经配置以：

a）接收质谱数据；

b）接收所述真空室中的总压力的输入；

c）接收来自至少一个传感器的外部输入；以及

d）使用所述质谱数据、所述真空室中的所述总压力以及来自所述至少一个传感器的所述外部输入来基于至少一个质量准则计算真空质量指数。

76.根据权利要求75所述的气体分析系统，其中所述至少一个传感器包含衬底温度传感器。

77.根据权利要求75到76中任一权利要求所述的气体分析系统，其中所述至少一个传感器包含真空泵速度传感器。

78.根据权利要求75到77中任一权利要求所述的气体分析系统，其中所述至少一个传感器包含质量流量监视器。

79.根据权利要求75到78中任一权利要求所述的气体分析系统，其中所述至少一个传感器包含低温泵温度传感器。

80.根据权利要求75到79中任一权利要求所述的气体分析系统，其中所述至少一个传感器包含离子泵电流传感器。

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