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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Kontaminationszustands eines Vakuumraums sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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STAND DER TECHNIK
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Vakuumprozesse, wie Abscheideverfahren, Ätzverfahren und dergleichen, die im Vakuum durchgeführt werden, erfordern üblicherweise eine genau definierte Atmosphäre. Liegen Abweichungen von der vorbestimmten Vakuumatmosphäre vor, können diese entsprechend zu Veränderungen in den Vakuumprozessen führen. Von daher sind Verunreinigungen der Vakuumatmosphäre durch Kontaminationen wie beispielsweise Luft, Wasser, organische Verbindungen oder Wasserstoff, möglichst zu vermeiden.
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Routinemäßig wird bei Vakuumsystemen mit Drucksensoren der Gesamtdruck des Vakuumsystems überwacht, um durch Abweichungen des Drucks von dem vorgegeben Druck feststellen zu können, ob es zu Veränderungen und möglicherweise Kontaminationen der Vakuumatmosphäre gekommen ist.
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Allerdings geben Druckwerte des Vakuumsystems bzw. der Vakuumkammer, in der die entsprechenden Vakuumprozesse durchgeführt werden, keine Aussage darüber, ob tatsächlich Kontaminationen vorliegen, oder welche Art von Kontaminationen vorliegen. So kann es beispielsweise bei Verwendung von Prozessgasen dazu kommen, dass die Prozessgase in einer falschen Menge oder mit falschem Druck in die Vakuumkammer eingebracht werden, was eine Abweichung des Gesamtdrucks des Vakuumsystems bewirken kann. Somit ist eine reine Drucküberwachung nicht ausreichend für eine exakte Überwachung des Kontaminationszustands einer Vakuumkammer.
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OFENBARUNG DER ERFINDUNG
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit deren Hilfe der Kontaminationszustand in einer Vakuumkammer überwacht und ermittelt werden kann, insbesondere auch quantitativ erfasst werden kann, sodass geeignete Maßnahmen zur Einhaltung einer gewünschten Vakuumatmosphäre vorgenommen werden können. Hierbei soll das Verfahren bzw. die Vorrichtung kontinuierlich arbeiten, sodass möglichst während des laufenden Betriebs der Vakuumkammer die Vakuumatmosphäre überwacht und bestimmt werden kann. Darüber hinaus soll das Verfahren möglichst auch Informationen über die Art der Kontaminationen liefern.
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TECHNISCHE LÖSUNG
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und einer Vakuum-Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung schlägt vor, mindestens eine Mikrowaage in der Vakuumkammer vorzusehen, mit deren Hilfe Abscheidungen von Kontaminationen an einer Depositionsfläche eines Probekörpers gemessen werden können, um daraus Rückschlüsse auf den Kontaminationszustand der Vakuumkammer zu ermöglichen. Zwar ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt Mikrowaagen in Vakuumanlagen bzw. Vakuumkammern einzusetzen, aber der Verwendungszweck war hierbei ein anderer. Mikrowaagen sind nach dem Stand der Technik beispielsweise bei Vakuumabscheideverfahren, wie physikalischen Dampfphasenabscheidungen (PVD physical vapour deposition), eingesetzt worden, um den Abscheideprozess zu überwachen, aber nicht, um Depositionen von Kontaminationen zu erfassen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sollen somit Gewichtszunahmen eines Probekörpers durch abgeschiedene Kontaminationen erfasst werden, um damit den Kontaminationszustand zu erfassen.
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Unter Mikrowaage sind hier sämtliche Einrichtungen und Apparaturen zu verstehen, mit denen geringste Gewichtsänderungen gemessen werden können. Der Begriff der Mikrowaage ist nicht einschränkend für eine bestimmte Bauform einer entsprechenden Vorrichtung oder Apparatur gedacht. Außerdem kann der Probekörper Teil der Mikrowaage sein.
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Um eine definierte Abscheidung von Kontaminationen auf einer Depositionsfläche eines mit der Mikrowaage zu wiegenden Probenkörpers zu erreichen, können Mittel zur Erzeugung von Depositionen, wie beispielsweise Kühlfallen zur Erzeugung von Kondensaten, oder dergleichen eingesetzt werden.
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Eine Möglichkeit besteht auch darin, dass mindestens ein Partikelstrahl im Vakuumraum erzeugt wird, der auf eine Depositionsfläche eines mit einer Mikrowaage zu vermessenden Probekörpers gerichtet werden kann, sodass durch Wechselwirkung der Partikelstrahlen mit den Kontaminationen im Vakuumraum Depositionsprodukte erzeugt werden, die auf der Depositionsfläche abgeschieden werden und so eine Gewichtsänderung des Probenkörpers erzeugen, die von der Mikrowaage gemessen werden kann.
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Unter Partikelstrahl werden sämtliche Strahlen verstanden, bei denen Partikel wie Ionen und Elektronen in einer gezielten, gerichteten Art und Weise erzeugt oder bewegt werden und eine Wechselwirkung mit Kontaminationen im Vakuumraum einer Vakuumanlage verursachen können.
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Ein einziger oder mehrere Partikelstrahlen können kontinuierlich über die gesamte Dauer der Durchführung des Verfahrens oder dem Betrieb der Vorrichtung bereitgestellt werden und entsprechend Depositionsprodukte, die sich auf der Depositionsfläche abscheiden, erzeugen. Alternativ ist es auch möglich, den oder die Partikelstrahlen lediglich von Zeit zu Zeit, also intermittierend, bereitzustellen. Entsprechend kann auch die Gewichtsänderung des Probekörpers durch die Depositionsprodukte kontinuierlich oder intermittierend gemessen werden.
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Wie bereits erwähnt, kann der Partikelstrahl ein Ionenstrahl oder ein Elektronenstrahl sein. Bei Ionenstrahlen können insbesondere Heliumionen, Wasserstoffionen oder Galliumionen Verwendung finden.
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Der Partikelstrahl kann insbesondere über der Depositionsfläche des Probekörpers (in Form eines Scans) verfahren werden, sodass die gesamte Depositionsfläche mit Depositionen versehen wird. Der Partikelstrahl kann wiederholt die Depositionsfläche überfahren bzw. abscannen, sodass wiederholt Kontaminationen auf der Depositionsfläche in entsprechende Depositionsprodukte umgewandelt werden. Dabei ist es auch denkbar, mehrere Partikelstrahlen vorzusehen, um die Scan – Zeiten zu reduzieren.
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Daneben ist es auch vorstellbar mehrere Partikelstrahlen aus unterschiedlichen Partikeln abwechselnd einzusetzen, um spezifische Wechselwirkungen der einzelnen Partikelarten mit verschiedenen Kontaminationen zu berücksichtigen, sodass auf das Kontaminationsniveau unterschiedlicher Kontaminationen geschlossen werden kann.
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Eine entsprechende Mikrowaage kann zur Gewichtsbestimmung die Veränderung eines Schwingungssystems erfassen, wie beispielsweise die Änderung des Schwingungsverhaltens eines Cantilevers eines Rasterkraftmikroskops (atomic force microscope AFM). Insbesondere kann die Veränderung der Resonanzfrequenz eines Schwingungssystems durch die entsprechenden Depositionen ermittelt werden, sodass die Mikrowaage einen Resonator umfassen kann.
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Bei einer Quarz-Mikrowaage werden zur Messung Quarzkristalle vorgesehen, von denen einer die Depositionsfläche bereitstellt, sodass die Schwingungsunterschiede zwischen den Quarzkristallen aufgrund der Deposition von Kontaminationen auf der Depositionsfläche des einen Quarzkristalls erfasst werden können.
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Bei Verwendung eines Canitlevers eines Rasterkraftmikroskops oder eines sonstigen schwingenden Balkens als Schwingungssystem kann die Veränderung der Schwingung des Balkens aufgrund der Depositionen optisch oder elektrisch gemessen werden.
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Bei Verwendung eines AFM-Cantilevers oder eines schwingenden Balkens lassen sich sehr geringe Mengen an Depositionen erfassen, da der schwingende Balken sehr klein ausgeführt sein kann bzw. mit einer sehr geringen Eigenmasse. So kann der Balken schmaler als 200 μm und dünner als 5 μm ausgebildet werden.
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Bei Verwendung eines Schwingungssystems zur Bestimmung der Gewichtsveränderung aufgrund der abgeschiedenen Kontaminationen kann ein Resonator mit einer sehr geringen Dämpfung bzw. einem hohen Gütefaktor verwendet werden, wie beispielsweise einem Gütefaktor größer oder gleich 30.000, insbesondere größer oder gleich 100.000, vorzugsweise größer oder gleich 1.000.000. Damit lassen sich sehr geringe Gewichtsänderungen erfassen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung von geringfügigen Gewichtsänderungen besteht darin, akustische Oberflächenwellen und deren Veränderungen zu erfassen, sodass eine Mikrowaage auch durch Mittel zur Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen und akustischen Oberflächenwellensensoren gebildet sein kann oder diese umfassen kann.
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Vakuumanlagen, die entsprechende Verfahren oder Vorrichtungen nutzen, können in den verschiedensten Bereichen eingesetzt werden. Beispielsweise kann es sich um eine Vakuumanlage zur Reparatur von Photolithographie – Masken handeln, bei denen in der Vakuumkammer Ätzprozesse und Depositionsprozesse durchgeführt werden, die sehr empfindlich gegenüber Kontaminationen, insbesondere organische Kontaminationen sein können. Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich insbesondere organische Kontaminationen erfassen, da Partikelstrahlen die organischen Verbindungen in Kohlenstoffverbindungen umwandeln können, die entsprechend abgeschieden werden, sodass derartige Anlagen mit der vorliegenden Erfindung gut überwacht werden können.
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Darüber hinaus können bereits in der Vakuumanlage vorgesehene Partikelstrahlerzeuger gleichzeitig für die erfindungsgemäße Überwachung des Kontaminationszustands der Vakuumkammer eingesetzt werden, wenn beispielsweise bei einem intermittierenden Betrieb in Prozesspausen des Vakuumprozesses die Partikelstrahler entsprechend zur Bestimmung des Kontaminationszustands eingesetzt werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
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1 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens; und in
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2 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele deutlich, wobei die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
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Die 1 zeigt ein Ablaufdiagramm, welches den Ablauf eines Beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Kontaminationszustands eines Vakuumraums einer Vakuumanlage darstellt. Bei der Vakuumanlage mit einer entsprechenden Vakuumkammer, deren Kontaminationszustand bestimmt werden soll, kann es sich um beliebige Anlagen handeln, bei denen in einem Raum ein technisches Vakuum eingestellt wird, um in dem Vakuumraum entsprechende Bearbeitungen, Messungen oder dergleichen vorzunehmen. Beispielsweise kann es sich um eine Anlage zur Reparatur von photolithographischen Masken handeln, bei welcher in einer Vakuumkammer chemische Ätz- und Depositionsprozesse durchgeführt werden. Diese Ätz- und Depositionsprozesse sind besonders empfindlich gegenüber Kontaminationen des Vakuumraums mit organischen Verbindungen, sodass es für einen stabilen Prozessablauf wichtig ist, den Kontaminationsgrad dieser Kontaminationen in der Vakuumkammer zu bestimmen.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 1 zur Bestimmung des Kontaminationsgrads eine Mikrowaage eingesetzt, die in der entsprechenden Vakuumkammer bereitgestellt wird. Mittels der Mikrowaage werden aus Kontaminationen stammende Depositionen auf einem mit der Mikrowaage zu wiegenden Probekörper ermittelt, sodass aus der Menge der abgeschiedenen Depositionen und der dadurch erzeugten Gewichtsänderung des Probekörpers mit der Depositionsfläche der Anteil der Kontaminationen in der Vakuumkammer bestimmt werden kann.
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Um Depositionen von Kontaminationen im Vakuumraum auf dem mit der Mikrowaage zu wiegenden Probekörper bzw. dessen Depositionsfläche zu bewirken, wird ein Partikelstrahl eingesetzt, der gemäß Schritt 2 des Ablaufdiagramms ebenfalls in der Vakuumkammer bereitgestellt wird. Bei dem Partikelstrahl kann es sich um einen Ionenstrahl handeln, wie beispielsweise einen Heliumstrahl, Wasserstoffstrahl oder Galliumstrahl. Entsprechend ist eine Ionenstrahlquelle, die entsprechende Ionenstrahlen erzeugen kann, in der Vakuumkammer vorzusehen. Die Ionen des Ionenstrahls reagieren mit dem Kontaminationen im Vakuumraum und führen zur Deposition von Reaktionsprodukten auf der Depositionsfläche des mit der Mikrowaage zu wiegenden Probekörpers. Insbesondere können die Ionen mit Kohlenwasserstoffverbindungen reagieren und zur Abscheidung von Kohlenstoffverbindungen führen. Dies ist im Ablaufdiagramm im Schritt 3 dargestellt.
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Im Schritt 4 des Ablaufdiagramms der 1 ist erläutert, dass die Gewichtszunahme des Probekörpers aufgrund der Depositionen auf der Depositionsfläche des Probekörpers mit der Mikrowaage gemessen wird. Bei einer starken Kontamination des Vakuumraums kommt es zu einer starken Deposition und somit zu einer starken Gewichtszunahme, während bei einer geringen Kontamination des Vakuumraums eine geringe Gewichtszunahme zu beobachten ist. Entsprechend kann beispielsweise nach einer entsprechenden Kalibrierung aus der in einem bestimmten Zeitintervall erfolgten Gewichtszunahme auf den Kontaminationsgrad zurückgerechnet werden. Außerdem kann bei Verwendung bestimmter Partikelstrahlen, deren Partikel mit bestimmten Kontaminationen in besonderer Weise reagieren, auch auf die Art der vorliegenden Kontaminationen zurückgeschlossen werden, insbesondere, wenn verschiedene Partikelstrahlen verwendet werden. Entsprechend ist es auch möglich, nicht nur eine Partikelstrahlquelle, sondern mehrere verschiedene Partikelstrahlquellen vorzusehen.
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Zur Auswertung können Kalibrierungen durchgeführt werden, bei welchen bei definierten Kontaminationszuständen Messungen mit vorgegebenen Parametern der Messvorrichtung, also Partikelart, Strahlleistung, Strahldauer und entsprechenden Parametern der Vakuumkammer, wie Gesamtdruck und dergleichen, durchgeführt werden, um die so bestimmten Depositionen als Vergleichswerte für spätere Messungen zu verwenden.
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Bei Hinterlegung der gewonnen Daten in einen Speicher kann eine vollautomatische Auswertung realisiert werden, bei der aus den gemessenen Gewichtsänderungen und den bekannten Prozessparametern hinsichtlich der Vakuumkammer und der Messeinrichtung automatisiert eine zugehörige Bestimmung des Kontaminationszustands der Vakuumkammer erfolgen kann.
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Neben den bereits erwähnten Ionenstrahlen können auch andere Partikelstrahlen, wie beispielsweise Elektronenstrahlen, eingesetzt werden, wobei die unterschiedlichen Partikelstrahlen für unterschiedliche Kontaminationen unterschiedlich effektiv sein können. Entsprechend kann je nach den zu untersuchenden Kontaminationen mit unterschiedlichen Partikelstrahlen gearbeitet werden.
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Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer entsprechenden Vorrichtung zur Bestimmung des Kontaminationszustandes eines Vakuumraums 6. In dem Vakuumraum 6 ist ein Schwingungsbalken 7 angeordnet, der eine Depositionsfläche 8 aufweist, auf dem sich Kontaminationen nach Reaktion mit einem Partikelstrahl 11, der von einer Partikelstrahlquelle 10 emittiert wird, abscheiden können. Der Schwingungsbalken 7 kann durch einen Piezoaktuator 9 in Schwingungen versetzt werden, insbesondere in Resonanzschwingungen, die von einem Schwingungssensor 12 erfasst werden. Durch die Abscheidung der Depositionen 14 auf die Depositionsfläche 8 des Schwingungsbalkens 7 verändert sich das Schwingungsverhalten des Schwingungsbalken 7 und insbesondere seine Resonanzfrequenz, was mittels des Schwingungssensors 12 erfasst werden kann. Mit einer Steuerungs- und/oder Auswerteeinheit 13, die beispielsweise eine entsprechende Datenverarbeitungsanlage und Speichermittel umfassen kann, können sowohl der Piezoaktuator 9 gesteuert als auch die ermittelten Schwingungsdaten des Schwingungssensors 12 gelesen werden. Aus der Veränderung des Schwingungsverhaltens des Schwingungsbalkens 7 lässt sich auf die Menge der Depositionen 14 auf der Depositionsfläche 8 schließen, sodass entsprechend der Kontaminationszustand der Vakuumkammer ermittelt werden kann.
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Die Depositionsfläche 8 wird durch den Bereich definiert, der von dem Partikelstrahl 11 überstrichen wird, wenn der Partikelstrahl 11 über die Depositionsfläche 8 scant, um dort mit Kontaminationen zu reagieren, die als Depositionen auf der Depositionsfläche 8 abgeschieden werden.
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Anstelle des hier gezeigten, rein schematischen Aufbaus einer entsprechenden Messvorrichtung können auch kommerziell erhältliche Quarz-Mikrowaagen, akustische Oberflächenwellen-Sensoren und entsprechenden Einrichtungen sowie vergleich bare Gerätschaften eingesetzt werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die Offenbarung der vorliegenden Erfindung schließt sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.
