CN1155655A

CN1155655A - 腔废气监测系统、半导体加工系统，以及使用方法

Info

Publication number: CN1155655A
Application number: CN 96112702
Authority: CN
Inventors: 詹姆斯·迈克安德鲁; 王华赤; 小本吉明·J·朱茨克
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1995-10-10
Filing date: 1996-10-09
Publication date: 1997-07-30

Abstract

一种新型的腔废气监测系统。该系统包括一个外部接有排气管的腔。排气管包括一个取样区，基本上全部废气均通过取样区。该系统还包括一个用于检测气相各种分子形式的吸收光谱学测量系统。测量系统包括光源，以及一个经一个或几个光传输窗与取样区在光路上相连的主检测器。光源发出的光束经一个或几个光传输窗中的一个射入取样区。光束通过取样区，并经一个或几个光传输窗中的一个射出取样区。

Description

腔废气监测系统半导体加工系统，以及使用方法

本发明涉及一种新型的腔废气监测系统和一种半导体加工系统，后者包括一个用于测量气相各种分子形式的吸收光谱学测量系统。本发明还涉及一种在本发明的加工腔废气监测系统和本发明的半导体加工系统中检测气相各种分子形式的方法。

在制造半导体集成电路(IC)的过程中，加工腔中具有非常低的分子杂质的分压力是重要的。特别是水蒸汽对于加工装置中制造的器件是十分有害的。比如，为了进行可重复的蚀刻加工，在铝蚀刻腔中必须清除或尽量减少水蒸汽。同时，在加工过程中受到水蒸汽的影响，就会加速对器件金属化层的腐蚀，从而显著地降低产量。

分子杂质可能是通过多种不同的方式进入加工腔的。比如分子杂质可能存在于加工过程中引入腔中的加工用的气体之中。而当加工装置维修时，加工腔暴露在大气中，存在于大气中的分子杂质如水分就可能进入腔中。空气和水也可能是在基片被放入加工腔中时被引入腔中。分子杂质也可能是放入处理腔中的基片自身释放的或是由加工条件本身造成的。比如在等离子体加工和快速热加工中，分子杂质可能以活性的副产品的形式出现，或者，如在有水蒸汽的场合下，可能是在加热时由基片和加工腔表面释放出来的。和基片一起被引入加工腔的分子杂质换般采用以下方法加以清除：以某种纯气体净化加工腔；将加工腔抽真空；或进行一系列加压-抽真空循环的方式。

在对加工腔抽真空的场合，腔中底部压力被作为分子杂质清除程度的度量标准。与其不同，当依赖于腔净化技术时，在一段时间内腔中充满了某种纯气体，而这段时间的长短则由操作人员根据经验来决定。

从加工腔中清除大气沾污的程度也可以用测量腔中水蒸汽的浓度来确定。当沾污是由于在维护过程中加工腔暴露在大气中和由于将基片放入腔中引起的场合，上述技术就特别有用。水蒸汽可能会附着在加工腔的内表面和基片的表面。水蒸汽在大气中的含量大约为1-2％，而且通常是大气中最难于借抽真空或净化的方式除去的成分。

在现代化的生产厂中，常采用粒子监测器来就地监测粒子的沾污。在加工装置的排气管中安装粒子监测器的作法早已为人们所熟知。(如见，P.Borden，Monitoring Vacuum Process Equipment：InSitu Monitors-Design and Specification，Microcontamination，9(1)，pp.43-47(1991))。虽然上述粒子监测器对于产生粒子的加工过程进行跟踪监视可能是有用的，但它们不可能用来监测分子的浓度。

通常称为残留气体分析仪器(RGA)的质谱仪是可以用来测量分子沾污的分析仪器中的一种(如见，D.Lichtman，Residual GasAnalysis：Past，Present and Future，J.Vac.Sci.Technol.，A8(3)(1990))。质谱仪通常要求工作压力在约为10^-5torr的范围，而半导体加工装置的工作压力往往在0.1-760torr的范围。因此质谱仪的应用要求有取样系统和专用的真空泵。质谱仪通常既贵体积又大。不仅如此，安装质谱仪的差动泵腔成为高残留的水蒸汽水平的原因之一，由于其难以除去从而严重地影响了对水蒸汽测量的质谱仪的灵敏度。

发光摄谱仪在监测等离子体加工中被大量地采用。原则上，发光摄谱仪可以用来监测加工装置中的分子沾污。但发光摄谱仪非常复杂，并且这种方法不能用于非等离子体加工的测量。

其他光谱技术一直广泛地应用于过程化学的研究之中(如见，Dreyfus et al.，Optical Diagnostics of Low Pressure Plasmas，Pure andApplied Chemistry，57(9)，PP.1265-1276(1985))。但这些技术通常均要求对加工腔进行特别的改造并且一般还没有用于沾污的研究。比如利用腔内激光分光学就地监测湿度的可能性曾经在一篇关于该技术的评论文章中一般性地提及。(如见，G.W.Atrinson，High Sensitivity Detection of Water Via Intracavity Laser Spectvas-copy，Microcontamination，94 Proceedings Canon Communications(1994))。

常规的气体分析仪器已被用于对湿气的就地测量，通常用于工作压力为大气压或接近大气压的过程。(如见，Smoak et al.，GasControl Improves Epi Yield，Semiconductor International，PP.87-92(June 1990))。根据上述技术，一部分加工腔气体被抽入探头，然后再将探头中气体样本提供给分析仪器。但在测量湿气时采用探头的方法是不满意的，因为湿气会附着在探头的表面。不仅如此，此方法也往往是不实用的，因为常规的气体分析仪器的安装需要相当大的空间。而如所周知在半导体制造净腔中的自由空间通常都被减小到最低限度。

Tapp等人在美国专利5,241,851中公开了一种用于测量瞬时湿气浓度和加工环境干燥特性的方法。根据此方法，一种湿气分析仪交替地对加工腔的废气和由标准气体发生器发生的气体进行取样。对标准气体发生器的输出进行调节直到分析仪对废气和标准气流的指示相同为止。因为标准气体发生器中的水分含量是已知的，因此在废气中水分的含量就可以确定了。但该系统既不方便又很复杂，因为它要求一个标准的气体发生器和复杂的管道在废气和标准气流之间实现切换。不仅如此，它还存在由标准气体发生器向加工腔发生回流造成沾污的危险。

为了满足半导体加工工业的要求和克服现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种新型的加工腔废气监测系统和一种新型的半导体加工系统，该系统中包括一个吸收式的分光镜系统以检测气相分子杂质，它可以精确地，即时地和就地测定半导体加工装置中气相分子杂质。

本发明还有一个目的是提供一种在本发明的加工腔废气监测和半导体加工系统中对气相各种分子形式进行检测的方法。

关于本发明的其他目的和方面，在阅读完详细说明，附图和权利要求书后，对于一个普通的熟练的技术人员来说将会变得十分清楚。

本发明的第一个方面是提供了一个加工腔废气监测系统。该系统包括一个外部连有排气管的加工腔，该排气管具有一个取样区，基本上加工腔所排出的所有废气均经过取样区。

该系统还包括一个吸收式的分光镜测量系统用于检测气相各种分子形式。测量系统包括一个光源和一个主检测器，该主检测器通过一个或几个光传输窗在光学上与取样区相连。光源发出的光束通过一个或几个光传输窗中的一个射入取样区，而在通过取样区后光束通过一个或几个光传输窗中的一个射出取样区。主检测器对由取样区射出的光束发生响应。

本发明的第二个方面是提供了一个半导体加工系统。该半导体加工系统包括一个用于对半导体基片进行加工的加工腔。加工腔具有一个在外部与其相连的排气管。排气管包括一个取样区，基本上加工腔的全部废气均通过此取样区。

加工系统还包括一个吸收光谱学测量系统，用于测量气相分子的种类，参见前述的腔废气监测系统。

本发明的第三个方面是一种检测加工腔废气中气相各种分子形式的方法。在本发明的方法中具有一个加工腔其外部连有一个排气管。排气管中具有一个取样区。基本上全部加工腔的废气均通过排气管排出并穿过取样区。

气相分子的种类是利用吸收式分光学的方法进行测量的，此时从光源发射出的光束通过一个或几个光传输窗射入取样区。光束通过取样区并经一个或几个透射窗中的一个射出取样区，而通过一个或几个光传输窗中的一个由腔中射出的光束被检测。

这种新型的系统和方法使得有可能精确地、即时地就地检测在腔内废气中的气相各种分子形式。它特别适用于半导体制造的过程控制和对危险气体泄漏的检测。比如湿气浓度与时间的关系以及半导体加工环境的干燥特性均可被监测。

本发明的目的和优点通过结合附图对下述最佳实施例的说明将变得十分明显，图中相同的器件被标以相同的标号，其中：

图1A和图1B是本发明的加工腔废气监测系统的侧视图；

图2A和图2B是本发明的加工腔废气监测系统的剖视图；

图3是例1中水蒸汽浓度与蚀刻加工时间的关系曲线；

图4是例2的一氧化碳浓度与蚀刻加工时间的关系曲线。

本发明的上述目的是通过利用分光镜的方法对腔内废气中的气相各种分子形式进行测量实现的，此时由腔中流出的全部废气流基本上被导向一个分光镜取样区。采用这种方法可以非常迅速地测出废气中实际的杂质含量的变化。

此处所用的名词“分子气相种类”，“分子杂质”和“沾污”可以看作是同一意思，即均用来表示一种分子气相或蒸汽的种类，而其为吸收光谱学测量的目标。而此处所用语句“基本上全部废气流”指的是腔中流出的全部废气体积的90-100％。

本发明将参照图1A和图2A加以说明，它们分别是本发明的腔中废气监测系统的侧视图和剖视图。

系统1包括一个半导体加工腔2，其中半导体垫底3被放在基座4上。气体入口5用来使一种或多种加工用气体进入加工腔2。由加工腔2排出的废气经过加工腔2上的排气口6和排气管7排出。

作为本发明的一个方面，该加工系统适用于真空加工，如蚀刻，溅射，离子注入或化学气相淀积(CVD)加工。在上述情况下加工腔2为真空腔，可在排气管7上连接一个真空泵(图中没有示出)。真空泵可以与另一个真空泵和/或一个气体洗涤器(图中没有示出)相连。可以在上述过程中采用的泵包括机械回转增压泵，扩散泵，低温泵，吸收泵和涡轮分子泵。而另一方面该加工系统也可以工作在例如大气压CVD，此时处理腔2保持在接近大气压而稍有真空的条件下。

该加工常需要活性的或非活性的(隋性的)气体种类，这种气体可处于等离子体或非等离子体的状态。在湿度低于100ppm时，可用于本发明的活性气体种类有诸如SiH₄，HCl和Cl₂。但是可用的活性气体并不限于上述气体。隋性气体如O₂，N₂，Ar和H₂均可用于本发明的系统中。

为了检出和测量在加工装置中分子气相杂质的浓度，本发明的半导体加工系统还包括一个吸收光谱学测量系统8，它用于测量气体分子的种类。吸收光谱学测量系统包括一个光源9和一个检测器10，该检测器可以是一个光电二极管，检测器与排气管7中的取样区11通过光路相连。

只要有适当的光源可以利用感兴趣的任何分子杂质均可以被测出。比如水蒸汽，氧化氮，一氧化碳和甲烷或其他碳化氢均可以借助测量由二极管激光器发出具有该杂质特征波长的光所受到的衰减来进行检测。

当激光源发出的光处于感兴趣的分子吸收最强烈的光谱范围时，测量的灵敏度得到了改善。特别是当光源发出的光信号的波长大于2μm时是最优的情况，因为在该区域感兴趣的许多分子杂质具有强烈的吸收特性。

可以采用任何适宜的可调波长的光源。通常使用的光源中，二极管激光器光源是最好的，因为它们在发射波长上具有窄的谱线宽度(小于10^-3cm^-1)和相对高的强度(约为0.1至几毫瓦)。

激光二极管包括Pb-Salt型的和GaAs型的。Pb-Salt型激光器要求低温运行并放出红外光(例如波长大约3μm的光)，而GaAs型二极管激光器可以在接近腔温的条件下工作并发射出波长在近红外区(0.8-2μm)的光。

最近，在GaAs(或其他成对的III-V化合物如AsP)中加入Sb的二极管激光器也被推出(见，“Mid-infrared，wavelengths enhancetrace gas sensing，”R.Martinelli，Laser Focus World，March 1996，p.77)。在-87.8℃时这些二极管发出的光的波长大于2μm。虽然上述低温运行不方便，但与Pb-Salt激光器所需的低温(低于-170℃)相比则好得多了。工作在4μm和12℃的类似的激光器也已见报道(见，Laser and Optronics，March 1996)。上述类型的二极管激光器最佳的工作温度最少是-40℃。利用热电致冷器在上述温度进行温控使得较之低温的二极管系统而言光源变得更为简单。为使上述激光器更适合需要，在现有水平上对其光电特性加以改进是重要的。例如采用单模二极管(即在固定温度和驱动电流的条件下二极管发出为单一波长的，而在其他波长下发射至少有40db的衰减)。

应用于本发明的合适光源不限于上述的二极管激光器。比如大小相似但可以用简单的电的方法调节的其他类型的激光器如光纤激光器和量子级联激光器的应用均在预想之中。一旦上述激光器能大批生产，它们的应用是可以预期的。

由上述光源9发出的光束12通过至少一个位于排气管7壁上的光传输窗13射入取样区11。测量系统的结构可以使得光束12被位于取样区中的反射面14反射，然后通过其入射取样区时的同一个窗口射出取样区。另一方面光束也可通过不同的窗口射入和射出取样区而入射和出射窗口也可位于排气管的不同侧面。测量系统的结构也可使得入射的光线直接通过入射窗进和出射窗出，中间经过取样区而不在取样区中进行反射。

反射面14的结构既可以是与排气管7内壁组合在一起，也可以是与之分离的。反射面14最好是用抛光的金属构成。由于希望表面具有高反射系数，故可在表面上涂覆一层或数层反射材料，如金，其他金属层或有高反射系数的绝缘材料以增强反射性能。不仅如此，为了减少在反射面淀积引起的有害的影响，可以利用一个加热器对反射面加热。

参见图1B，当分光镜测量不是在排气管中与加工腔成直线的部分进行，而是在排气管中弯曲的部分进行时，已经确认在弯曲部分将小部分废气排出对于增强测量区域排气的动力学特性是十分有利的。在排气管取样区上游的弯曲会引起涡流，而涡流对上游排气浓度变化的响应相对要慢。

此时，可以通过流体稳定管15排出一定数量的为流体稳定所需的废气。采用此措施，涡流可以被有效地消除或减至最少。通过流体稳定管15排出的废气占加工腔排出废气总体积的10％弱。

参见图2A，吸收光谱学测量系统8还可包括至少一个第一反光镜16用以反射由光源9发出，经光传输窗13射入取样区11的光束12；还可包括至少一个第二反光镜17、18用于将射出取样区11的光束12反射到主检测器10。反光镜16最好是曲面的以便于当由二极管激光器光源发出的光发散时将光束进行平行校正。同样，反射镜17和18也最好是曲面的，以便对射向检测器10的平行光束进行聚焦。

在图2B所示的本发明的另一个实施例中，光传输窗13的角度可以调整使得激光光线的相对于透射窗的入射角可以从直角增加和减少。这个性质是非常有用的，因为它可以使得反射回激光器的激光被调节和降到最小。这种背反射会增加激光噪声(如当反馈信号进入空腔时)或导致干涉条纹(如和激光刻面一起构成标准)从而降低测量的灵敏度。

将窗13放于某一角度具有另一个优点，即可以很容易地利用第二检测器19来检测入射光束的被反射部分。应当注意示意图并没有按比例绘出，实际中窗口13可以按需要作得很小。同样实际中入射光束和从反射镜14反射的光束之间的夹角也比图示的要小。使窗13形成一个角度这件事，其重要性远大于随意地观察图2A和2B时所见到的。

可以在光传输窗13背对取样区的表面形成一涂层以反射光束12中的一部分。从光束的透射部分中减去反射部分的信号可以使得吸收测量更为精确。在市场上的涂覆材料中金属涂层是最佳的选择。在市场上有不同的供应商如Oriel，Melles Griot和Newport提供的具有适当涂覆层的窗子。

作为系统选件的第二检测器19，它也可以是一个光电二极管，用于测量由光传输窗13反射的部分光束20；作为系统选件的还有一种装置，用于从主探测器10所测量的信号中减去上述参考信号。一个采用如文献(如见，Moore，J.H.et al.，Building Scientific Appa-ratus，Addison Wesley，London，(1983))所述结构的运算放大器可以用于将参考信号减去的装置。

反射光不显示任何所关心的分子在取样区中的吸收性质，因此可以用作参考信号。在从通过加工腔的光(它是由主检测器测量的)中除去参考信号后，光源中的变化就得到了补偿。这也考虑到对由于加工腔2中各种分子形式引起的信号变化增强了的灵敏度。为人们所熟知的采用将参照光束减去的“双束”技术通常需要专用的光束分离器，即一种光学装置，其唯一作用即是将光束分离。根据本发明的装置不需要任何附加的器件而仅用加工腔的入射窗即可以实现上述功能。该窗的透射和反射光之比可以利用对窗子敷以适当的涂层来加以控制。

光源最好是工作在温度得到精确控制条件下的二极管激光器。二极管激光器的温度的控制精度通常至少为正负0.1℃。在技术上，适当的二极管激光器和温控器为人们所熟知，并且可以从几个厂家获得。铅盐激光器由Laser Photonics Corp.的Laser Analytics Di-vision生产，而GaAs激光器则可从Sensors Unlimited，Inc.得到。适当的温控器有Lake Shore DRC-910A温控器(用于低温)或在接近腔温时采用ILX Lightwave，INC.的几种型号中的任一种。

光源电子装置控制施加到二极管激光器的电流使得二极管激光器发出一种特定波长的光，这种光将会被要测量的杂质分子所吸收。当在激光二极管上施加的电流增加时，根据二极管的类型，所发出的光的波长增加或减少。激光电流控制器在技术上已为人们所熟知而在市场上也可购到。 ILX Lightwave LDX-3620就是一种适当的控制器。

检测器，如光电二极管，对由二极管激光器发出的同样波长的光产生响应。适当的，具有10MHZ带宽的放大的检测器在技术上已为人们所熟知而在市场上也有供应，如用于红外检测的GrasebyHgCdTe Model 1710112和用于近红外检测的EG&G InGaAsC30641。检测器10对经排气管内的一个表面反射并通过一个或多个透射窗13中的一个射出取样区的光束12产生响应。检测器的电子装置接收从检测器输出的信号产生一个与指定波长光的吸收率相应的输出。吸收率，即当感兴趣的分子杂质存在时检测到的光的强度与不存在上述杂质时光的强度之比可利用计算机根据已知的定标数据将其转换为分子杂质的浓度。

可以采用不同的方法控制二极管激光器发出的光的波长。比如可以利用反馈系统将光的波长锁定在所希望的波长上，也可以在包括所希望波长的频带区域作反复扫描以产生频谱。可对连续的频谱进行平均以改进灵敏度。上述两种技术已为人们所熟知。(如见，Feher等人.，Tunable Diode Laser Monitoring of Atmospheric TraceGas Constituents，Spectrochimica Acta，A51，pp，1579-1599(1995)和Webster et al.，Infrared Laser Absorption：Theovy and Appica-tions，Laser Remote Chemical Analysis，R.M.Measuews(Ed.)，Wi-ley，New York(1998)).在系列号为No08/711，780的共同未决申请中公开了另一种稳定波长的办法与该申请同一日期的代理人备审案件目录号No.016499-205，在此一并作为参考。

对灵敏度的进一步改进可以利用对二极管的电流与波长进行调制以及在调制频率或调制频率的某一高次谐波上对检测器信号进行解调来实现。这种技术被称为谐波检测光谱学。(见，Feher等人.，Tunable Diode Laser Monitoring of Atmospheric Trace Gas Con-stituents，Spectrochimica Acta，A51，pp，1579-1599(1995)和Web-ster et al.，Infrared Laser Absorption：Theovy and Applications inLaser Remote Chemical Analysis，R.M.Measuews(Ed.)，Wiley，New York(1988)).

如系列号为No.08/711，646的共同未决申请所公开的在一种特别有效的谐波检测吸收系统中，光源的调制幅度可以被如下确定，即该值应使被检测的位于吸收特性中心的谐波信号近似达到其最大值。与该申请同一日期的代理人备审案件目录号No.016499-203，在此一并作为参考。在该系统中，光源和检测器置于同一腔中，该腔与取样区隔离，该腔中的气压被控制在高于大气压力。借助增加腔中的压力，检测到的信号可达到最大值，因此即使样品浓度低到十亿分之几(ppb)仍可以进行精密地测量。

在本发明的另一个实施例中，在排气管7中安装多个反光镜(或一个多面镜)。这使得光束多次通过取样区。这种方式利用增加光束有效路径长度的方法来加强测量系统的灵敏度。

序号为No.08/711,504的共同未决申请中公开了一种不同形式的多路光学装置，与此申请同一日期的代理人备审案件目录号No.016499-204，在此一并作为参考。如该共同未决申请中所公开的，多路元件可以利用增大光束通过的有效路径长度的方法来提高测量系统的灵敏度。在这些元件中沿平行或垂直光传播方向的平面多路径元件可以作得任意小。由于其体积小，平面多路径元件特别适用于现存的半导体加工装置。

在该申请中，采用了特殊的多边形平面多路径元件。该元件包括一个由若干个具有光反射表面的薄壁围成的取样区。由于采用规则的形状，在射出元件之前光束就可能被每个壁所反射。由于光束可以保持在同一个平面上，所以元件的体积就可以被最小化。

下面的例子将说明本发明的系统和方法对于检测气相各种分子形式是特别有利的。

例1：

如下所述，在蚀刻加工中半导体加工系统的湿度是利用下述的操作程序加以监测的。

作为半导体加工系统Applied Materials Precision 5000等离子体蚀刻系统是和TDLAS测量系统一起使用的。测量系统用于水蒸汽的测量以确定加工腔中的干燥特性。

测量系统的取样区位于蚀刻装置的排气管中。光透射的入射窗和出射窗位于排气管内相对的两壁，取样区则位于二者之间，这样由激光二极管发射的光直接通过入射窗传到出射窗。

二极管是由Sensors Unlimited Inc.制造的InGaAsP/Inp.二极管的结构使其发出的光的范围中包括波长为1.3686微米，水蒸汽能很强地吸收该波长。二极管应是分布反馈(DFB)型的，以确保单模发射，即保证二极管发出单一频率的光，如M.Feher et al.在Spec-trochimica Acta A51 pp.1579-1599(1995)中指出的。二极管装在热电致冷器上，该致冷器利用Hytek 5610超小型比例温度控制器将温度控制到2511℃。激光器的电流由ILX Lightwave ILX 3620控制。

二极管放置在用来对二极管激光器光束作平行校正的直径0.5英寸离轴抛物面镜的焦点上。该镜具有一个抛光的铝表面。检测器的型号为EG&G C30642，它是一个有效直径为2mm的InGaAs光电二极管。检测器的输出经Analog Modules Inc.的预放大器进行放大。该系统十分紧凑，且(除电流放大器外，能放进一个每边大约6英寸的立方体中。

由激光二极管发出的光的波长被一个送到该管的反馈信号锁定在其特征值(即1.3686μm)。为了正确地锁定波长，利用了一个相应于吸收信号的三阶导数的信号。湿度测量是当基片送入加工腔时开始的，而当加工完成后结束，测量的结果是一秒时间间隔中的平均值。数据被即时地进行计算，其结果被送回蚀刻装置过程控制器。

在将半导体基片装入加工腔后，系统被抽真空直至水蒸汽分压力为20mtorr。此时在加工腔中引入30sccm的BCl₃，40sccm的Cl₂，250sccm的He和9.4sccm的CHCl₃。一分钟后气体被关断，而在与残留的BCl₃反应之后，湿度逐渐恢复到接近原来的水平。

图3是水蒸汽压力和加工时间的关系的曲线图。湿气的分压力在BCl₃和水蒸汽发生迅速反应之后降到可检测到的水平之下，该反应式为：

这样，当湿气分压力太高时，过早地在加工中加入BCl₃是不利的，因为它将形成过多的颗粒。而如所周知颗粒将对半导体器件产生有害的影响。另一方面，在几种蚀刻加工中，如铝的蚀刻加工中，水蒸汽的存在是不允许的。因此，为了清除残留的水蒸汽，BCl₃的使用是必需的。本发明的系统可以用来确定何时湿气的分压力已足够低从而可以加入BCl₃，并且还能证实所加入的BCl₃足以全部清除残留的水蒸汽。

例2：

利用上述例1中同样的蚀刻装置，在等离子体AsH加工过程中当由蚀刻的基片上剥去光刻胶时需对CO进行监测。在测量系统中，由Laser Phtonics Corp。制造的Pb-Salt二极管被放入一个激光分析仪的由液态氮冷却的冷却头中。一个一英寸直径、非球面的、具有抗反射涂层的F/1 ZnSe透镜被用来对光束作平行校正。检测器是附有10MHZ带宽放大器的Graseby HgCdTe Model 1710112。激光器电流由一个ILX Lightwave LDX-3620控制，温度则由一个Lake shore DRC-910A控制器控制。利用一个送往激光二极管的反馈信号，将激光二极管发出的光的波长锁定到CO的特征值，即4.7μm。这里利用了一个对应于吸收信号三阶导数的信号。

在将半导体基片装入蚀刻腔后，流速为60sccm的O₂被引入腔中。在加工过程中压力被维持在1.5Torr，而在加工的整个过程中对CO进行测量。测量的结果在一秒钟的时间间隔中进行平均。

CO测量的结果显示在图4中，表示CO蒸汽压力与加工时间的关系。曲线表明过程的结束时间发生在大约6分钟之后，此时加工腔中的CO减弱。

上述例子表明本发明的系统和方法对于检测排气管中气相分子的种类是十分适用的。

除上述应用外，本发明特别适用于一种“装入-锁定”腔。无论何时当晶片被装入半导体加工腔时一般首先放入“装入-锁定”腔，在此经驱气和/或抽真空循环以除去大气和其他沾污。然后晶片由“装入-锁定”腔移入加工腔中。所需的驱气和/或抽真空循环的程度取决于在抽真空循环中所达到的压力。但这个测量不是一个专门的测量，并不指明残留的压力是主要是由水蒸汽(通常是由于基片暴露在空气中的结果)引起的，或是由基片释放的其他种类的气体(通常是由前面加工步骤造成的)引起的。这样对在“装入-锁定”腔中监测水蒸汽是十分有利的。此方法特别适用于仅依靠驱气的“装入-锁定”腔过程，因为对真空度进行测量是不方便的。

将二极管激光系统放于“装入-锁定”腔的排气管中可以对驱气循环后该腔中的废气中的水蒸汽进行测量。假定已知加工中所需的湿度水平，可对驱气时间实行最优化，使得恰好能满足所需纯度的要求。已知，在半导体工业中，过程间的转换步骤占用了现有的加工腔时间中的相当一部分，而利用这种方法可以取得可观的经济效益。

一种类似的方法是将湿度传感器置于任一腔的排气管中，可用以优化初始的驱气或抽真空循环的时间长度。这种方法常用于将晶片放入作为预加工工序的净化腔、锁定腔或转换腔之后清除其中的大气成分。

当结合半导体加工装置对本发明加以介绍后，一般熟练的技术人员均可以很快地认识到本发明的系统同样可以应用到许多不同的场合。比如，可以预想将此腔内废气监测系统用作为安全装置以对付危险气体或蒸汽。

如所周知，在IC制造过程中采用了许多危险的和有毒的气体。通常，上述气体被保存在被连续抽空的小腔中。这小腔的排出的气，即废气，通过排气管送到洗涤器系统。本发明的腔内废气监测系统特别适用于这些小气腔，将一个吸收光谱学测量系统放在小气腔排气管中，就构成了具有瞬时反馈信号的检漏系统。特别是，有一种用于检测HF的系统，HF对1330nm波长具有吸收特性而这一波长与相对简便的InGaAsP的二氧化物的发射波长相同，所以这种检测系统是很有前景的。

本实施例最好与一个声和/或光报警系统一起应用。报警系统可以在某一事件发生时发生动作，比如检测到的吸收或检测到气体的浓度超过一个预定的界限时。除此以外检测器可以与一个阀门控制系统相连，该系统可以自动关闭气缸或其他阀门以阻止气体的流动。熟练的技术人员可以很快地利用熟知的器件、电路和/或处理器及其控制方法设计和组成适用于本发明系统的报警系统及其控制装置。此处略去了对其作进一步的讨论因为它属于通常熟练技术人员所熟知的范畴。

在本发明的另一个实施例中腔内废气监测系统可以用来监测净腔的环境。因为由净腔排出的气体通常还会回到净腔，危险气体的泄漏或在净腔中存在危险气体尤其是个难题。因此在净腔的排气管中采用吸收光谱学测量系统可以构成一个特别有效的泄漏检测系统。和前面讨论气腔时相同，此系统可以与一个报警系统一起应用。

虽然本发明已经结合特殊的实施例进行了详细地说明，但对于一个熟练的技术人员来说，下列事实也是明显的：即可以在所附权利要求书的范围中对系统作各种不同的变化与修改，而不改变其等效性。

Claims

1.一种腔废气监测系统，包括：

一个具有外接排气管的腔，该排气管包括一个取样区，基本上所有的腔中废气均通过取样区；

一个用于检测气相各种分子形式的吸收光谱学测量系统，它包括一个光源和一个主检测器，该检测器通过一个或几个光传输窗在光路上与取样区相连，光源通过一个或几个光传输窗中的一个向取样区入射光束，光束通过取样区并通过一个或几个光传输窗中的一个射出，主检测器对射出取样区的光束产生响应。

2.根据权利要求1所述的腔废气监测系统，其特征在于吸收光谱学系统是一个可调谐的二极管激光器吸收光谱学系统。

3.根据权利要求1所述的腔废气监测系统，其特征在于吸收光谱学系统是一个谐波检测式吸收光谱学系统。

4.根据权利要求3所述的腔废气监测系统，其特征在于所用的谐波是二次谐波。

5.根据权利要求3所述的腔废气监测系统，其特征在于所用的谐波是四次谐波。

6.根据权利要求3所述的腔废气监测系统，它还包括一个第二检测器用于检测一部分光束中的气相各种分子形式，该部分光束是当光束入射取样区时由其经过的一个或几个光传输窗中的一个的反射造成的。

7.根据权利要求1所述的腔废气监测系统，它还包括一个用于从主检测器测量的信号中减去由第二检测器所提供的参照信号的装置。

8.根据权利要求1所述的腔废气监测系统，其特征在于取样区置于排气管中，位于腔和真空泵、风扇或洗涤系统之间并与两者相连。

9.根据权利要求1所述的腔废气监测系统，其特征在于加工腔的工作压力大体上与大气压相等。

10.根据权利要求1所述的腔废气监测系统，其特征在于利用吸收光谱学测量系统测量水蒸汽的浓度。

11.根据权利要求1所述的腔废气监测系统，其特征在于在进入取样区之前，光束穿过第一光传输窗，而在通过取样区之后光束穿过第二光传输窗，从第一光传输窗到第二光传输窗的光路基本上是直线。

12.根据权利要求1所述的腔废气监测系统，其特征在于光束在取样区中经一个或几个反光面反射。

13.根据权利要求1所述的腔废气监测系统，其特征在于测量元件中包含采样区。

14.根据权利要求13所述的腔废气监测系统，其特征在于测量元件是一个多路径测量元件。

15.根据权利要求1所述的腔废气监测系统，其特征在于监测系统还包括一个测量稳定管，用于从腔中除去占腔中废气总体积10％弱的废气。

16.根据权利要求1所述的腔废气监测系统，它还包括一个报警系统，当被检测的气相各种分子形式达到预定的检测界限时报警系统即动作。

17.根据权利要求1所述的腔废气监测系统，其特征在于该腔为一气缸腔。

18.根据权利要求17所述的腔废气监测系统，它还包括一个报警系统，当被检测的气相各种分子形式达到预定的检测界限时报警系统即动作。

19.根据权利要求1所述的腔废气监测系统，其特征在于该腔为一真空泵腔。

20.根据权利要求19所述的腔废气监测系统，它还包括一个报警系统，当被检测的气相各种分子形式达到预定的检测界限时报警系统即动作。

21.根据权利要求1所述的腔废气监测系统，其特征在于该腔是一个净腔。

22.根据权利要求21所述的腔废气监测系统，它还包括一个报警系统，当被检测的气相各种分子形式达到预定的检测界限时报警系统即动作。

23.一种半导体加工系统，包括：

一个用于加工半导体基片的加工腔，该腔外接一排气管，排气管具有一取样区，基本上腔中的全部废气均通过取样区；

一个用于检测气相各种分子形式的吸收光谱学测量系统，由一个光源和一个主检测器构成，该检测器通过一个或几个光传输窗与取样区在光路上相连，光源发射的光束通过一个或几个光传输窗中的一个射入取样区，这里光束在穿过取样区后通过一个或几个光传输窗中的一个射出取样区，主检测器对射出取样区的光束产生响应。

24.根据权利要求23所述的半导体加工系统，其特征在于吸收光谱学系统是一个可调谐的二极管激光器吸收光谱学系统。

25.根据权利要求23所述的半导体加工系统，其特征在于该吸收光谱学系统是一个谐波检测吸收光谱学系统。

26.根据权利要求25所述的半导体加工系统，其特征在于所用谐波为二次谐波。

27.根据权利要求25所述的半导体加工系统，其特征在于所用谐波为四次谐波。

28.根据权利要求23所述的半导体加工系统，它还包括一个第二检测器，用来对一部分光束中的气相各种分子形式进行检测，该部分光束是光束进入取样区时被所经过的一个或几个光传输窗中的一个所反射而形成的。

29.根据权利要求23所述的半导体加工系统，它还包括一个从主检测器检测到的信号中减去由第二检测器测量到的参照信号的装置。

30.根据权利要求23所述的半导体加工系统，其特征在于取样区位于排气管中，位于加工腔和真空泵之间，并与二者相连。

31.根据权利要求30所述的半导体加工系统，其特征在于该半导体加工系统是由包括蚀刻系统、化学蒸汽淀积系统，离子注入系统，溅射系统和快速热加工系统的组合中选取的。

32.根据权利要求31所述的半导体加工系统，其特征在于该半导体加工系统是从氧化物蚀刻和金属蚀刻系统中选出的蚀刻系统。

33.根据权利要求23所述的半导体加工系统，其特征在于加工腔的工作压力与大气压力大体相等。

34.根据权利要求23所述的半导体加工系统，其特征在于加工腔适合于具有等离子体的气氛。

35.根据权利要求23所述的半导体加工系统，其特征在于加工腔适合于具有活性气体的气氛。

36.根据权利要求23所述的半导体加工系统，其特征在于吸收光谱学测量系统适合于测量水蒸汽的浓度。

37.根据权利要求23所述的半导体加工系统，其特征在于光束在进入取样区之前穿过第一光传输窗，而在通过取样区后光束穿过第二光传输窗，从第一光传输窗到第二光传输窗的光路基本上是直线。

38.根据权利要求23所述的半导体加工系统，其特征在于在取样区中光束受到一个或几个反光面的反射。

39.根据权利要求23所述的半导体加工系统，其特征在于测量元件中包含取样区。

40.根据权利要求39所述的半导体加工系统，其特征在于测量元件是一个多路径测量元件。

41.根据权利要求23所述的半导体加工系统，其特征在于监测系统还包括一个测量稳定管，用于排出占加工腔排出废气总体积10％弱的废气。

42.一种检测腔废气中气相各种分子形式的方法，包括如下步骤：

具有一个包括外接排气管的腔，排气管中有一个取样区；

基本上全部腔内的废气均由排气管排出。所以排出的废气将通过取样区；

利用吸收光谱学的方法检测气相各种分子形式，即，使光源射出的光束穿过一个或几个光传输窗射入取样区，当光束通过取样区后又穿过一个或几个光传输窗中的一个射出取样区；并且检测通过一个或几个光传输窗中的一个由腔中射出的光束。

43.根据权利要求42所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于吸收光谱学方法是一种可调谐的二极管激光器吸收光谱学方法。

44.根据权利要求42所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于吸收光谱学方法是一种谐波检测吸收光谱学方法。

45.根据权利要求44所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于所用的谐波为二次谐波。

46.根据权利要求44所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于所用的谐波为四次谐波。

47.根据权利要求42所述的气相各种分子形式的检测方法，它还包括一个检测部分光束中气相各种分子形式的方法，该部分光束是光束入射取样区时被所经过的一个或几个光传输窗中的一个所反射而形成的。

48.根据权利要求47所述的气相各种分子形式的检测方法，它还包括由主检测器检测到的信号中减去由第二检测器检测到的参照信号。

49.根据权利要求42所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于腔中工作压力大体等于大气压。

50.根据权利要求42所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于腔利用真空泵、风扇或与排气管相连接的洗涤系统进行排气。

51.根据权利要求42所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于该气相各种分子形式为水蒸汽。

52.根据权利要求42所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于该腔为构成半导体加工系统一部分的半导体加工腔。

53.根据权利要求52所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于该半导体加工系统是由包括蚀刻系统，化学气相淀积系统，离子注入系统，溅射系统和快速热加工系统的组合中选出的系统。

54.根据权利要求53所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于该半导体加工系统是蚀刻系统。

55.根据权利要求52所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于加工腔具有等离子体气氛。

56.根据权利要求52所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于加工腔具有活性气体气氛。

57.根据权利要求52所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于该各种分子形式为水蒸汽。

58.根据权利要求42所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于光束在射入取样区之前穿过第一光传输窗，而在通过取样区后光束穿过第二光传输窗，从第一光传输窗到第二光传输窗的光路基本上是直线。

59.根据权利要求42所述的工作腔废气监测系统，其特征在于在取样区中光束受到一个或几个反光面的反射。

60.根据权利要求42所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于测量元件中包含取样区。

61.根据权利要求42所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于测量元件是一个多路径测量元件。

62.根据权利要求42所述的气相各种分子形式的检测方法，它还包括从测量元件中排出占废气流总体积10％弱的废气。

63.根据权利要求42所述的气相各种分子形式的检测方法，它还包括一个报警系统，当被检测的气相各种分子形式达到一个预定的检测界限时报警系统即动作。

64.根据权利要求42所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于该腔是气缸腔。

65.根据权利要求64所述的气相各种分子形式的检测方法，它还包括一个报警系统，当被检测的气相各种分子形式达到一个预定的检测界限时报警系统即动作。

66.根据权利要求42所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于该腔是真空泵腔。

67.根据权利要求66所述的气相各种分子形式的检测方法，它还包括一个报警系统，当被检测的气相各种分子形式达到一个预定的检测界限时报警系统即动作。

68.根据权利要求42所述的气相各种分子形式的检测方法，其特征在于该腔是净腔。

69.根据权利要求42所述的气相各种分子形式的检测方法，它还包括一个报警系统，当被检测的气相各种分子形式达到一个预定的检测界限时报警系统即动作。