CN116635976A - 使用质谱测定法监测自由基粒子浓度 - Google Patents

使用质谱测定法监测自由基粒子浓度 Download PDF

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Abstract

监测系统检测及测量气体中的自由基粒子的量。测试室耦接至传输气体的流动通道。测试室界定出连接测试室与流动通道的孔径，且孔径允许气体的子集从流动通道进入测试室。电离器位于测试室内并从气体子集的自由基粒子产生自由基离子。质谱测定仪测量自由基离子的量，从而提供气体中自由基粒子的测量值。

Description

使用质谱测定法监测自由基粒子浓度
相关申请
本申请要求于2020年12月23日提交的美国临时申请No.63/130,257的权益。以上申请的全部教导内容在此通过引用并入。
背景技术
远程电浆源(remote plasma source,RPS)已广泛用于半导体制程以产生自由基粒子。近来，自由基粒子已广泛应用于半导体装置制造，特别是在次20奈米(nm)制程节点中，因为它们具有在蚀刻及沉积制程中避免充电或溅镀损坏的优点。RPS系统在半导体制程中实施时，可在相同的参数下一致地操作，包括气体流速、功率及压力。然而，即使在共同参数下，由于自由基粒子浓度的变化，沉积速率、蚀刻速率及清洁效率的性能在操作之间也会有显著差异。此变化可能在维护周期之后或在延长的操作周期期间发生。因此，半导体制程中的性能可能变得不可预测。
发明内容
示例实施例包括用于监测自由基粒子的系统，包括测试室、电离器(ionizer)及质谱测定仪。测试室可被配置为耦接至适合于传输气体的流动通道。测试室可界定出连接测试室与流动通道的孔径，并且孔径可被配置为允许气体的子集从流动通道进入测试室。电离器可位于测试室内且可被配置为从气体子集的自由基粒子产生自由基离子。质谱测定仪可被配置为测量自由基离子的量(quantity)。
质谱测定仪可以是残余气体分析仪(RGA)。测试室可被配置为维持气体压力低于流动通道处的气体压力。测试室中的气体压力可小于1e-2托(Torr)，流动通道中的气体压力可大于0.01Torr。电离器可位于孔径的4英寸范围内。电离器可被配置为在低能状态(low-energy state)下操作以产生自由基离子并最小化非自由基离子的产生，低能状态系为低于与非自由基离子的产生相关的能量状态。电离器可被配置为在多个低能状态下操作，多个低能状态中的每一者对应于相应的自由基粒子。电离器可被配置为在高能状态(high-energy state)下操作以能够基于气体的子集的非自由基粒子取得参考讯号。孔径可具有小于1毫米的直径。孔径可允许自由基粒子与非自由基粒子的比率大于存在于流动通道内气体中的比率的0.1％，通过并往测试室。
测试室的突起可延伸到流动通道中并包围测试室的容积(volume)，孔径位于突起处。突起可呈现大致圆锥外形，孔径位于圆锥外形的一点处。电离器可定位在由圆锥外形界定的容积内以产生自由基离子。圆锥外形可被配置为电离器的静电组件。静电透镜可被配置为将作为离子束的自由基离子引导向质谱测定仪。
控制器可被配置为基于由质谱测定仪测量的自由基离子的量来控制自由基粒子源的操作。此控制可包括控制1)在给定时间内产生自由基粒子的量及2)产生自由基粒子的时段的至少一者。此控制还可包括控制自由基源的流动信道的润湿路径的功率、气流、气体压力及温度的至少一者。此控制还可包括控制工具制程。
止挡件(stopper)可被配置为选择性地密封孔径。包围孔径的表面可以是非金属的且针对自由基粒子呈现出的反应性(reactivity)及结合系数(recombinationcoefficient)低于金属表面的。或者，包围孔径的表面可以是金属的且针对自由基粒子呈现出低反应性。流动通道可以是从自由基源延伸到制程室的导管(conduit)、制程室中的反应区下游的区域、或制程室下游的导管。
进一步的实施例包括监测自由基粒子的方法。来自流动通道的气体的子集可经由连接测试室与流动通道的孔径被引导往测试室。电离器可从气体子集的自由基粒子产生自由基离子。然后可透过质谱测定仪测量自由基离子的量。
质谱测定仪可以是残余气体分析仪(RGA)。可控制测试室维持低于流动通道处的气体压力的气体压力。测试室中的气体压力可小于1e-2Torr，流动通道中的气体压力可大于0.01Torr。电离器可位于孔径的4英寸范围内。电离器可在低能状态下操作以产生自由基离子并最小化非自由基离子的产生，低能状态系为低于与非自由基离子的产生相关的能量状态。电离器可在多个低能状态下操作，多个低能状态中的每一者对应于相应的自由基粒子。电离器可在高能状态下操作以能够取得基于气体的子集的非自由基粒子的参考讯号。孔径可具有小于1毫米的直径。透过该孔径，可允许自由基粒子与非自由基粒子的比率大于存在于流动通道内气体中的比率的0.1％，通过并往测试室。
测试室的突起可延伸到流动通道中并包围测试室的容积，孔径位于突起处。突起可呈现大致圆锥外形，孔径位于圆锥形状的一点处。电离器可在由圆锥外形界定的容积内产生自由基离子。圆锥外形可被配置为电离器的静电组件。经由静电透镜，自由基离子可作为离子束被导向质谱测定仪。
控制器可基于由质谱测定仪测量的自由基离子的量来控制自由基粒子源的操作。该控制可包括控制1)在给定时间内产生自由基粒子的量及2)产生自由基粒子的时段的至少一者。该控制还可包括控制自由基源的流动信道的润湿路径的功率、气流、气体压力及温度的至少一者。这种控制还可包括工具制程控制。
透过止挡件可选择性地密封孔径。包围孔径的表面可以是非金属的且针对自由基粒子呈现出的反应性及结合系数低于金属表面的。或者，包围孔径的表面可以是金属的且针对自由基粒子呈现出低反应性。流动通道可以是从自由基源延伸到制程室的导管、制程室中反应区下游的区域、或制程室下游的导管。
附图说明
如所附图式中所示，从以下对示例实施例的更具体的描述，前述内容将变得明确，在所附图式中，相同的所附图式标记在不同视图中系指相同的部分。所附图式不一定按比例绘制，而是重点放在说明实施例上。
图1A至图1F系为示例实施例中实现自由基粒子监测器的半导体处理系统的图。
图2A至图2C系为进一步实施例中实现自由基粒子监测器的半导体处理系统的图。
图3A至图3F系为示例实施例中的自由基粒子监测器的子集的图。
图4A至图4C系为可用自由基粒子监测器实现的入口埠图。
图5A至图5B系为配置用于偏压电压或温度控制的入口端口的图。
图6A至图6C显示了实现孔径止挡件的示例配置。
图7系为进一步配置中的自由基粒子监测器的子集的图。
图8系为示例实施例中监测自由基粒子浓度的程序的流程图。
具体实施方式
以下是示例实施例的描述。
残余气体分析仪(RGA)是一种质谱测定仪，通常设计用于真空系统中的过程控制及污染监测。RGA透过电离气体的不同成分来产生各种离子，然后检测并确定这些离子的质荷比(mass-to-charge ratio)。典型的RGA旨在检测稳定的化合物。相比之下，自由基粒子通常在到达RGA的粒子采样器之前发生反应。因此，这种RGA将由于过度损失而无法检测到大量自由基粒子的存在。
以前的RGA已经实施了各种离子采样技术，包括极偏中轴电位(pole bias mid-axis potential)及负离子能力。然而，这样的RGA并没有为半导体制程室中的自由基检测提供解决方案，尤其是用于采样具有短寿命及高结合率的自由基。除了质谱测定仪之外，已开发了各种自由基测量方法，例如红外二极管雷射吸收、光谱学、雷射诱导荧光光谱法、腔环降(cavity ring down)及光谱法。近来，还使用紧凑型真空紫外线吸收光谱法测量了原子自由基。
然而，上述方法存在各种缺点，包括检测痕量(trace)自由基的灵敏度低、来自其他气体种类的干扰、由于制程条件变化而难以获得稳定的基线(baseline)，以及无法量化系统中的自由基。因此，现有方法无法准确可靠地监测自由基浓度。因此，半导体制程需要对制程室中的自由基浓度进行精确且准确的实时监测。当针对先进技术节点应用晶圆上覆自由基制程时，这种监控对于制程控制将特别有利。
图1A描绘了示例实施例中实现自由基粒子监测器120的半导体处理系统100。系统100包括制程室110，在其中处理半导体晶圆112，例如在蚀刻及/或沉积制程中。为促进该处理，自由基源115，例如远程电浆源(RPS)、电容耦合电浆源(CCP)或电感耦合电浆源(ICP)，可通过供给通道105将气体发射到制程室110中，供给通道105可以是直的、弯曲的或成角度的，例如弯管(elbow)。取决于所需的制程，气体可具有稳定粒子、自由基粒子及离子的多种不同组成中的一种(例如，电浆气体)。可选择性地打开节流阀190以将来自制程室110的气体传递到前级管线(foreline)192，然后可将气体从系统100中排出或收集以供进一步使用。
自由基粒子监测器(RPM)120用于监测气体中自由基粒子的存在。RPM 120可包括测试室130、电离器(ionizer)132及质谱测定仪122。测试室130可耦接至气体流动信道，例如供给信道105，以将气体的子集接收往测试室130。耦接点可在流动通道的直的、弯曲的或成角度的部分上。位于测试室130内的电离器132可被配置为离子化气体子集的自由基粒子以在测试室130内产生自由基离子。质谱测定仪122可以是残余气体分析仪(RGA)或类似系统，且可包括质量分析器124、控制器126及泵128。质量分析器124可接收来自电离器132的自由基离子，并对自由基离子进行质量过滤及离子检测以测量自由基离子的存在。控制器126然后可处理来自质量分析器124的测量值以产生进一步的结果，例如气体的质谱，且可进一步被配置为基于结果控制自由基源115的操作或系统100的其他参数。泵128(例如真空泵或涡轮泵)可操作以从质量分析器124及测试室130泵送气体以将室维持在适当的压力(例如小于1e-2torr)，将气体转移到前级管线192或其他排气管。
与典型的质谱测定仪(例如RGA)相比，RPM 120提供了对气体中自由基粒子的可靠测量值。这种能力可透过于此描述的几个特征来实现，这些特征可以以如下提供的各种组合来实现。特别地，测试室130可适合于获得气体的最佳样品，同时最小化进入测试室130的自由基粒子的反应。电离器132也可被配置为最大化直接进入测试室130的自由基粒子的离子化。下面参考图3A至图3F描述测试室130、电离器132及相关组件的各种特征。此外，质谱测定仪122可在一种或多种低能状态下操作，如下所述，以电离及测量自由基粒子而不受非自由基粒子的干扰。RPM 120还可被配置为提供多种操作模式，以检测和测量不同自由基粒子的存在以及非自由基粒子的存在，例如透过如下所述在不同能量状态下操作。
图1B至图1D显示了进一步实施例中的半导体处理系统101-103。系统101-105可结合上述系统100的一些或所有特征，除了它们可以以不同配置实现自由基粒子监测器及/或自由基源。图1B显示了系统101，其中RPM 120耦接至制程室110的壁，且被配置为监测制程室中自由基粒子的存在。图1C显示了系统102，其中RPM 120耦接至节流阀190上方的前级管线192的壁，而图1D描绘了系统103，其中RPM 120耦接至节流阀190下方的前级管线192。
对于透过系统100-103传输的给定气体，由RPM 120采样的气体可能会因收集样品的位置而不同。特别地，自由基浓度可能随着与自由基源115的距离而减小，且在与晶圆112及限制气体的内表面相互作用之后，背景气体和其他粒子的浓度可能会改变。由于这些原因，RPM 120可基于采样位置来校准，及/或由RPM 120提供的自由基粒子及其他粒子的测量值可基于采样位置来计算。
图1E及图1F描绘了系统104、105，其中自由基源115位于制程室110下方。在图1E中，自由基源115位于节流阀190上方的前级管线192处，而在图1F中，自由基源115位于节流阀190下方。在这样的配置中，自由基源115可在维护周期期间操作以发射自由基粒子以清洁节流阀190及/或前级管线192。为了监测气体中自由基粒子(且可选地，非自由基粒子)的存在，RPM 120可耦接至自由基源115下游的前级管线192。RPM 120获得的测量值可用于确定维护周期的状态及进度，以及控制自由基源115的操作，例如气流及压力、自由基粒子生成、温度及维护周期的长度。
图2A至图2C显示了进一步实施例中的半导体处理系统200-202。系统200-202可结合上述系统100的一些或所有特征，除了它们采用自由基粒子源116，例如电容耦合电浆源(CCP)或电感耦合电浆源(ICP)取代(或附加于)如上所述的自由基源115。自由基粒子源116可占据制程室110的上部容积，或者可包含于与制程室110相邻的单独的室中。由于这种配置，供给信道可能无法用于对自由基粒子进行采样。因此，RPM 120可替代地耦接至制程室110的壁，如图2A所示，且可被配置为监测制程室110中自由基粒子的存在。或者，RPM 120可如图2B所示耦接至节流阀190上方的前级管线192的壁，或者可如图2C所示耦接至节流阀190下方的前级管线192。
图3A更详细地说明了RPM 120的一部分。这里，测试室130被示为通过孔径140与供给通道105气体连通。尽管显示了供给信道105，但是测试室130可替代地耦接至不同的流动室，例如如图1B至图F及图2A至图2C所示的制程室110或前级管线192。孔径140的尺寸可设计成使其能够使可接受量的自由基粒子通过而不发生反应，同时还在测试室内维持低气体压力以促进粒子检测。例如，如果质量分析器124被配置为RGA，则尽管供给通道维持在0.01-10torr范围内的压力，但可能需要测试室130维持小于1e-2torr的压力。在这样的应用中，孔径140可具有小于1毫米的直径，在一个示例中，可具有大约35微米的直径。如本文所述配置的孔径140可允许一定量的自由基粒子通过并往测试室130，该量的自由基粒子适合于由质谱测定仪122检测而没有过度损失。此结果可表示为存在于测试室130中的气体中的自由基粒子与非自由基粒子的比率，相较于存在于供给通道105内的气体中的比率。例如，孔径140可允许自由基粒子与非自由基粒子的比率大于存在于供给通道105内的气体中的比率的0.1％，通过并往测试室130。在进一步的实施例中，存在于测试室130中的比率可以是存在于供给通道105或与测试室130耦接的另一流动通道中的比率的1％或更大，例如制程室110或前级管线192，如图1B至图1F所示。
当自由基粒子通过供给通道105输送时，靠近供给通道105的壁的自由基会频繁地与壁面碰撞，因具有高结合率而导致自由基粒子的流失。因此，靠近壁的自由基粒子的密度可能相对较低且不代表从自由基源115传送的自由基粒子的真实总体(population)。因此，在壁上具有孔径的供给通道105的壁附近对自由基粒子进行采样，如下所述，可能不具有自由基采样的最佳效率。
具有位于采样器150末端的孔径140的锥形采样器150将采样点延伸到更接近来自自由基源115的气流的中心，在该处采样的物质可能经历了较少的表面碰撞。这样的采样位置可具有相较在供给通道105的壁处的采样位置高得多的自由基密度。此外，电离器132可位于靠近采样器150的位置(例如，在所示示例中，在4英寸内及0.5英寸内)，以透过截取穿过孔径140之后扩展到测试室130中的较大部分的自由基的视线(line-of-sight)锥体，来提高检测灵敏度。采样器150的圆锥外形还透过允许粒子在测试室130的入口处具有更宽的路径从而最大限度地减少与穿过孔径140的自由基粒子的碰撞。或者，采样器150可形成界定一系列不同形状的突起，例如半球形、圆柱形、棱柱形或椭圆形或蛋形。在这样的替代方案中，突起可延伸到供给通道105或另一个流动通道中，且可包围测试室130的容积，其中孔径140位于突起的一端或另一个表面处。采样器150可具有由玻璃、石英、蓝宝石、SiO2、Al2O3或其他材料组成的非金属表面，其针对给定的一组待测量的自由基粒子，例如H、N、O、OH、NHx、CHx及NO自由基粒子，呈现出低结合率(相对于金属表面)。或者，采样器150可具有由铝或不锈钢或氮化铝或氧化铝或其他材料组成的金属表面，其针对给定的一组待测量的自由基粒子例如F、Cl、NFx及CFx的自由基粒子，呈现出低反应速率(相对于非金属表面)。
上述特征，连同测试室130中的高真空(例如，1e-5torr)，可使测试室130内的粒子具有较长的平均自由路径。因此，大部分穿过孔径140的自由基粒子将在与壁或另一粒子碰撞之前到达电离器132，导致自由基离子化的机会更高。一些或所有上述特征的组合，包括将孔径140延伸到供给通道105中，透过锥形采样器150为自由基提供间隙，以及将电离器132设置于接近孔径140的位置，使电离器132从自由基粒子产生更多的自由基离子，从而为质量分析器124提供对自由基检测的更高灵敏度。
图3B至图3F显示了另外实施例中的RPM 120的一部分。除了供给信道105(或其他流动通道)与测试室130之间的界面如下所述配置之外，实施例可包括以上参照图1A至图3A描述的RPM 120的一些或所有特征。图3B显示了一种配置，其中测试室130与供给通道105共享一个共同壁，且其中孔径141位于共同壁处而不突出到供给通道中。孔径141可以是预制表面(例如不锈钢垫圈)，其具有安装(例如焊接)在共同壁中的较大开口处的孔口(orifice)。或者，孔径141可以是钻穿过共同壁的简单孔口。
图3C及图3D显示了具有类似于图3A的采样器150的采样器152、153的配置，包括圆锥外形及位于采样器152末端的相应孔径142。然而，与图3A相比，采样器152、153部分地(图3C)或完全地(图3D)从供给通道105的壁凹进。与供给信道105或其他流动信道靠近受到限制的应用中的这些配置可能是有利的，这意味着RPM 120的组件(例如，电离器132及/或质谱测定仪122)必须位于离流动信道一定距离的位置。然而，这些配置还可具有进一步的优点，例如减少对通过流动通道的气流的干扰以及将孔径142定位成更靠近电离器132，以增加测试室130中离子化自由基粒子的量。
图3E显示了与图3A相当的配置，除了供给信道106具有T形结构，其包括来自自由基源115的单个入口及两个或更多个出口，其中一个或两个可通向制程室110，使流动对称地远离孔径144。测试室130与供给通道106的入口相对定位以形成交叉布置，这意味着采样器154处的孔径144与气流路径同轴对齐。作为这种配置的结果，来自自由基源115的自由基粒子更有可能进入测试室130而没有可能导致粒子反应或结合的先前的壁碰撞。
图3F显示了另一种配置中的采样布置。此处，采用采样管160代替如图3A及图3C至图3E所示的采样器。当必须将一些或全部RPM 120设置得离待采样的流动通道更远时，这种配置可能是有利的。如图所示，采样管160可部分地延伸到供给通道105的气流中，且可在开始进入到测试室130之前在导管165内延伸一段距离。为了便于沿采样管160的内部容积传输自由基粒子，采样管160可由针对待测量的自由基粒子具有低反应性或结合率的材料组成(或涂布)。例如，采样管160可具有石英或蓝宝石的内表面，其针对N及H自由基粒子呈现出低结合率。或者，采样管160可具有由铝、不锈钢、玻璃或类似材料构成的表面，其中不同的表面可优化以最小化给定的一组自由基粒子的反应。
图4A至图4C显示了可用自由基粒子监测器实现的预制入口埠401-403。端口401-403可位于流动通道与测试室之间，例如在上面参考图1A至图3F描述的实施例中，以控制流动通道中的气体子集流入测试室。埠401包括圆柱形插塞450，其具有穿过其中心的孔径440。孔径440的尺寸及构造可与上述其他孔径相同，且如图所示，可在插塞450的一侧或两侧包括一个或多个凹部，使得自由基粒子的更大流动而不发生反应。埠402包括采样器451，采样器451定义出圆盘外形且朝向其中心具有圆锥外形，其中孔径441占据圆锥外形的末端。采样器441可与上述其他采样器类似地配置。埠403包括一个取样管460，其延伸通过埠(例如，如埠401中的圆柱形插塞)并以孔径442终止。采样管460可包括以上参照图3F描述的采样管160的一些或所有特征。埠401-403中的每一者可由适用于气体传输及真空应用的任何材料组成，例如不锈钢，且可具有一个或多个表面，其由针对目标自由基粒子具有低结合率及反应性的材料组成，如上所述。
图5A至图5B分别显示了配置用于偏压电压及温度控制特征的入口端口501、502。在图5A中，入口埠501包括采样器551，其是导电的且耦接至偏压电压。偏压可使采样器551呈现排斥某些离子的电荷，从而减少那些离子通过孔径541，进而减少相邻测试室中的离子干扰。取决于目标离子，偏压可以是正电压或负电压。例如，正偏压可排斥正离子，例如氮离子(N+)，这会干扰氮自由基粒子的测量。或者，负偏压可排斥负离子，例如氟离子(F-)，这会干扰氟自由基粒子的测量。
转向图5B，入口埠502包括具有一个或多个内部导管的取样器552，该内部导管适合于使气流或水或其他液体通过取样器552，从而将取样器552冷却(或者，加热)朝向目标温度。在RPM操作期间，采样器552表面处的自由基结合可将热量传给采样器552，从而提高其温度并增加与后续自由基粒子的结合速率。透过引导冷却剂通过采样器552，采样器552可维持在较低温度，从而降低其与自由基粒子的结合率。在进一步的实施例中，采样器可结合采样器551、552的偏压电压及温度控制特征。
图6A至图6C显示了实现孔径止挡件的示例配置。当如上所述的RPM不操作时，透过密封流动通道与测试室之间的孔径来保护RPM可能是有利的，特别是在流动通道中的气体压力或温度显著升高的情况下。可使用各种机械手段来选择性地密封孔径。例如，如图6A所示，机械节流阀670可位于采样器651与测试室之间。当节流阀670被致动时，其可在采样器651与测试室之间形成密封，从而防止粒子通过采样器进入测试室。在图6B中，自动止挡件680可位于与采样器652相对的流动通道的凹室中。当被致动时，止挡件680横向移动以密封孔径642周围，从而密封与采样器652相对的测试室的流动通道。最后，在图6C中，显示了位于测试室内或测试室内附近的自动止挡件680。当被致动时，止挡件681朝着孔径643移动，直到止挡件681与采样器653形成密封，从而将流动通道及测试室密封。
图7显示了另一实施例中的RPM的一部分。RPM可包括以上参照图1A至图6C描述的实施例的一些或所有适用特征，包括耦接至供给通道105及采样器750的测试室130，采样器750用于将气体的子集从供给通道105通过孔径740转向至测试室130。与上述实施例相反，电离器732位于靠近采样器750且被配置为使由采样器750界定的容积内的自由基粒子离子化并产生自由基离子束790。为此，电离器732可包括电子源733及屏蔽件734。以横截面示出的屏蔽件734可包围电子源733的两侧或更多侧，且可包括位于电子源733与采样器750之间的狭缝或孔口以将来自电子源733的电子束引导到容积采样器750的容积中并往孔径740附近的区域。
电子束用于电离采样器750的容积内的自由基粒子，产生离子束790，其被引导通过屏蔽件734中的另一个开口朝向RPM的质量分析器124。在此配置中，采样器750的圆锥外形可用作电离器732的静电组件。屏蔽件734还可包围电子源733的其他侧以从离子束790转移电子。离子束790朝向质量分析器124延伸，并透过静电透镜770聚焦到质量分析器124的入口中。质量分析器124可接收离子束790的自由基离子并对自由基离子进行质量过滤及离子检测以测量自由基离子的存在。如上文参考图1A所述，控制器126然后可处理来自质量分析器124的测量值以产生进一步的结果，例如气体的质谱，且可进一步被配置为基于结果控制自由基源的操作或相应半导体处理系统的工具制程控制参数(tool process controlparameter)。
图8是监测自由基粒子浓度的程序800的流程图。程序800可由实施上述RPM的任何系统来执行。参考图1A及图3A中的示例性实施例，对于流过诸如供给信道105的流动信道的气体，气体的子集可经由采样器150被引导往测试室130中(805)。从测试室130中的气体子集，可从气体的自由基粒子产生自由基离子(810)。为了产生自由基离子，电离器132可在低能状态下操作，该低能状态系为低于与产生相同质量的非自由基离子相关的能量状态。质量分析器124可接收离子束790的自由基离子并对自由基离子执行质量过滤及离子检测以测量自由基离子的存在及量(815)。不同的自由基粒子可在不同的能量状态下被电离。例如，电离器132可在24eV下电离N自由基，而氟自由基需要在21eV的不同能量状态下进行离子化。因此，如果期望测量气体中多个不同自由基的量，则可对每个要测量的自由基粒子重复步骤810、815，在每次重复之间改变电离器132的能级。例如，RPM 120可在24eV下执行用于测量N自由基的步骤810、815，然后修改电离器的能级并重复步骤810、815以在16eV下测量H自由基。然后可快速连续重复该程序多次，以测量N、O、OH、F、H、Cl、NHx、CHx及NxOy的自由基粒子的量。因此，电离器132可在多个低能状态下操作，多个低能状态中的每一者对应于相应的自由基粒子。
控制器126然后可将测量的径向量与相应的阈值或目标值进行比较(815)。如果达到了目标，那么随着程序的重复，监控可继续进行。否则，控制器126可与自由基源115及/或工具制程控制互相通讯以修改操作(820)。例如，控制器126可透过在给定时间及/或产生自由基粒子的时段内控制自由基粒子的产生的量来控制自由基源115或另一个自由基粒子源(例如源116)的操作。此外，控制器126可将反馈发送至自由基源115或116以调整流动信道的润湿路径的功率、气流、气体压力及温度的一者或多者。控制器126可将反馈发送到制程工具以调整制程参数。响应于所测量的自由基粒子的量进行的这种调整可透过将自由基粒子的量增加到适合的等级，或透过延长制程周期的时间以确保晶圆112经历足够的曝光来提高制程周期的性能到自由基粒子。在调整(820)之后，可重复程序800以提供对系统100中的自由基粒子的持续监测。
在进一步的实施例中，程序800可包括用于测量非自由基粒子(例如，背景或参考气体)的量的「高能」模式。为了执行高能模式，RPM 120可将电离器132的能量状态调整到更高的能量状态，例如40eV或70eV，然后操作与上述程序800相当的程序。这样做时，RPM 120可测量构成采样气体的一种或多种非自由基粒子的量。例如，RPM 120可首先在15eV的「低能状态」下操作，以测量N自由基粒子。此能量等级太低，无法电离某些参考气体，例如离子化潜势(ionization potential)为15.6eV的氩气。在此扫描之后，RPM 120可切换到40eV的高能状态以电离氩粒子及其他参考气体。透过对相对灵敏度进行适当的数学调整，该讯号可用于标准化或校准RPM对被测自由基离子的响应，以确保测量值的精确重复性。
尽管已经具体解释及描述了示例实施例，但是本技术领域中具有通常知识者将理解，在不脱离所附申请专利范围所涵盖的实施例的范围的情况下，可在其中进行形式及细节的各种改变。

Claims (48)

1.一种用于监测自由基粒子的系统，包括：
测试室，被配置为耦接至适合于传输气体的流动通道，该测试室界定出连接该测试室与该流动通道的孔径，该孔径被配置为允许该气体的子集从该流动通道进入该测试室；
位于该测试室内的电离器，被配置为从该气体的该子集的自由基粒子产生自由基离子；及
质谱测定仪，被配置为测量该自由基离子的量。
2.如权利要求1所述的系统，其中，该质谱测定仪为残余气体分析仪(RGA)。
3.如权利要求1所述的系统，其中，该测试室被配置为维持气体压力低于该流动通道处的气体压力。
4.如权利要求3所述的系统，其中，该测试室中的该气体压力小于1e-2托(Torr)，及该流动通道中的该气体压力大于0.01Torr。
5.如权利要求1所述的系统，其中，该电离器位于该孔径的4英寸内。
6.如权利要求1所述的系统，其中，该电离器被配置为在低能状态下操作以产生该自由基离子并最小化非自由基离子的产生，该低能状态为低于与产生该非自由基离子相关联的能量状态。
7.如权利要求1所述的系统，其中，该电离器被配置为在多个低能状态下操作，该多个低能状态中的每一者对应于相应的自由基粒子。
8.如权利要求1所述的系统，其中，该电离器被配置为在高能状态下操作以能够基于该气体的该子集的非自由基粒子取得参考讯号。
9.如权利要求1所述的系统，其中，该孔径的直径小于1毫米。
10.如权利要求1所述的系统，其中，该孔径允许自由基粒子与非自由基粒子的比率大于存在该流动通道内的气体中的比率的0.1％，通过并往该测试室。
11.如权利要求1所述的系统，还包括该测试室的突起，该突起延伸到该流动通道中并包围该测试室的容积，该孔径位于该突起处。
12.如权利要求11所述的系统，其中，该突起呈现出大致圆锥外形，该孔径位于该圆锥外形的一点处。
13.如权利要求12所述的系统，其中，该电离器被定位成在由该圆锥外形界定的容积内产生自由基离子。
14.如权利要求13所述的系统，其中，该圆锥外形被配置为该电离器的静电组件。
15.如权利要求13所述的系统，还包括静电透镜，该静电透镜被配置为将该自由基离子作为离子束导向该质谱测定仪。
16.如权利要求1所述的系统，还包括控制器，该控制器被配置为基于由该质谱测定仪测量的该自由基离子的该量来控制自由基粒子源的操作。
17.如权利要求16所述的系统，其中，控制该自由基粒子源的该操作包括控制1)在给定时间内产生自由基粒子的量及2)产生该自由基粒子的时段的至少一者。
18.如权利要求16所述的系统，其中，控制该自由基粒子源的该操作包括控制该流动信道的润湿路径的功率、气流、气体压力及温度的至少一者。
19.如权利要求1所述的系统，还包括被配置为选择性地密封该孔径的止挡件。
20.如权利要求1所述的系统，其中，包围该孔径的表面为非金属的且针对该自由基粒子呈现出的反应性及结合系数低于金属表面的。
21.如权利要求1所述的系统，其中，包围该孔径的表面为金属的且针对该自由基粒子呈现出低反应性。
22.如权利要求1所述的系统，其中，该流动通道为从自由基源延伸到制程室的导管。
23.如权利要求1所述的系统，其中，该流动通道为制程室中反应区下游的区域。
24.如权利要求1所述的系统，其中，该流动通道为制程室下游的导管。
25.一种监测自由基粒子的方法，包括：
透过连接测试室与流动通道的孔径将气体的子集从流动通道引导到测试室；
透过电离器从该气体的该子集的自由基粒子中产生自由基离子；及
透过质谱测定仪测量该自由基离子的量。
26.如权利要求25所述的方法，其中，该质谱测定仪为残余气体分析仪(RGA)。
27.如权利要求25所述的方法，还包括维持该测试室处的气体压力低于该流动通道处的气体压力。
28.如权利要求27所述的方法，其中，该测试室中的该气体压力小于1e-2Torr，该流动通道中的该气体压力大于0.01Torr。
29.如权利要求25所述的方法，其中，该电离器位于该孔径的4英寸内。
30.如权利要求25所述的方法，还包括在低能状态下操作该电离器以产生该自由基离子并最小化非自由基离子的产生，该低能状态为低于与产生该非自由基离子相关的能量状态。
31.如权利要求25所述的方法，还包括在多个低能状态下操作该电离器，该多个低能状态中的每一者对应于相应的自由基粒子。
32.如权利要求25所述的方法，还包括在高能状态下操作该电离器以能够基于该气体的该子集的非自由基粒子取得参考讯号。
33.如权利要求25所述的方法，其中，该孔径的直径小于1毫米。
34.如权利要求25所述的方法，其中，该孔径允许自由基粒子与非自由基粒子的比率大于存在该流动通道内的气体中的比率的0.1％，通过并往该测试室。
35.如权利要求25所述的方法，其中，该测试室的突起延伸到该流动通道中并包围该测试室的容积，该孔径位于该突起处。
36.如权利要求35所述的方法，其中，该突起呈现出大致圆锥外形，该孔径位于该圆锥外形的一点处。
37.如权利要求36所述的方法，还包括操作该电离器以在由该圆锥外形界定的容积内产生自由基离子。
38.如权利要求37所述的方法，其中，该圆锥外形被配置为该电离器的静电组件。
39.如权利要求37所述的方法，还包括通过静电透镜将该自由基离子作为离子束导向该质谱测定仪。
40.如权利要求25所述的方法，还包括基于由该质谱测定仪测量的该自由基离子的该量来控制自由基粒子源的操作。
41.如权利要求40所述的方法，其中，控制该自由基粒子源的该操作包括控制1)在给定时间内产生自由基粒子的量及2)产生该自由基粒子的时段的至少一者。
42.如权利要求40所述的方法，其中，控制该自由基粒子源的该操作包括控制该流动信道的润湿路径的功率、气流、气体压力及温度的至少一者。
43.如权利要求25所述的方法，还包括透过止挡件选择性地密封该孔径。
44.如权利要求25所述的方法，其中，包围该孔径的表面为非金属的且针对该自由基粒子呈现出的反应性及结合系数低于金属表面的。
45.如权利要求25所述的方法，其中，包围该孔径的表面为金属的且针对该自由基粒子呈现出低反应性。
46.如权利要求25所述的方法，其中，该流动通道为从自由基源延伸到制程室的导管。
47.如权利要求25所述的方法，其中，该流动通道为制程室中反应区下游的区域。
48.如权利要求25所述的方法，其中，该流动通道为制程室下游的导管。
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