DE112010001207B4

DE112010001207B4 - Verfahren zum Detektieren von Sauerstoff oder Luft in einer Vakuumverarbeitungsvorrichtung sowie Luftleckbestimmungsverfahren

Info

Publication number: DE112010001207B4
Application number: DE112010001207.5T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Miyashita; Toyoaki Nakajima; Yasushi Nagata; Yasufumi Uchida; Hideki Yoshizawa
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2030-03-17
Also published as: WO2010106792A1; CN102138070B; US20110315872A1; JPWO2010106792A1; DE112010001207T5; JP5054226B2; CN102138070A; US8288715B2

Abstract

Verfahren zum Detektieren von Sauerstoff oder Luft in einer Vakuumverarbeitungskammer, umfassend: Bereitstellen eines Gitters (102), eines Ionenauffängers (103), und eines Glühfadens (101), bei dem ein Oxid auf einer Metalloberfläche ausgebildet ist; Anlegen eines Glühfadenstroms an den Glühfaden (101), wobei thermionische Elektronen, die durch Wärmeerzeugung erzeugt werden, von dem Glühfaden (101) abgegeben werden, wobei der zu dem Glühfaden (101) fließende Glühfadenstrom so gesteuert wird, dass ein Emissionsstrom, der durch die abgegebenen thermionischen Elektronen, die an dem Gitter (102) ankommen, erzeugt wird, konstant wird, wobei die abgegebenen thermionischen Elektronen eine unbestimmte Art von Gas, die in der Vakuumverarbeitungskammer vorhanden ist, durch Kollision mit Gasmolekülen des Gases vor dem Ankommen an dem Gitter (102) ionisieren, wobei positive Ionen erzeugt werden; Auffangen der Ionen mit dem Ionenauffänger (103); und Messen eines Werts des Glühfadenstroms und Detektieren ob das in der Vakuumverarbeitungskammer vorhandene Gas Sauerstoff oder Luft ist, basierend auf dem gemessenen Wert, wobei der Druck in der Vakuumverarbeitungskammer 5 × 10–4 Pa oder mehr beträgt und das Detektieren einen Vergleich des gemessenen Glühfadenstromwerts mit zumindest einem Referenzglühfadenstromwert, der für mindestens eines der Gase aus der Gruppe Stickstoff, Sauerstoff und Luft für zumindest einen Druck von 5 × 10–4 Pa oder mehr in der Vakuumverarbeitungskammer in Voraus bestimmt wurde, umfasst.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Sauerstoff oder Luft in einer Vakuumverarbeitungskammer sowie ein Luftleckbestimmungsverfahren.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum effizienten Detektieren von Sauerstoff oder Luft im Innern einer Vakuumverarbeitungskammer durch ein Steuern und Messen eines Glühfadenstroms unter Verwendung eines Ionisationsvakuummeters oder eines Massenspektrometers und ein Verfahren zum Bestimmen eines Luftlecks (Eintritt von Luft) in einer Vakuumverarbeitungskammer.
Technischer Hintergrund
Herkömmlicherweise fand ein Glühkathoden-Ionisationsvakuummeter umfangreiche Anwendung zum Messen eines Drucks (eines Vakuumgrads) im Innern einer Vakuumverarbeitungskammer der in einen Fertigungsgerät für einen Halbleiter, einen Flachbildschirm, eine Solarzelle oder dgl. verwendeten Vakuumverarbeitungsvorrichtung.
6 ist ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration eines herkömmlichen Glühkathoden-Ionisationsvakuummeters illustriert.
Bei einem herkömmlichen Glühkathoden-Ionisationsvakuummeter 200 ist ein Ende eines Glühfadens 201 mit einem Pluspol einer regelbaren Spannungsquelle 204 verbunden.
Zusätzlich ist das andere Ende des Glühfadens 201 mit einem Minuspol der regelbaren Spannungsquelle 204 verbunden und durch einen Emissionsstrommesser 208 geerdet.
Der Glühfaden 201 ist zusammen mit einem Gitter 202 und einem Ionenauffänger 203 in der Vakuumatmosphäre angeordnet.
Das Gitter 202 ist mit einem Pluspol einer Gittervorspannungs-Spannungsquelle 205 verbunden.
Bei dem Glühkathoden-Ionisationsvakuummeter 200 fließt entsprechend der Ansteuerung der regelbaren Spannungsquelle 204 der Glühfadenstrom If zu dem Glühfaden 201, der Glühfaden 201 strahlt Wärme aus, und thermionische Elektronen 210 werden abgegeben.
Die von dem Glühfaden 201 abgegebenen thermionischen Elektronen 210 gelangen an das Gitter 202, wodurch ein Emissionsstrom Ie erzeugt wird.
Weiterhin werden Gasmoleküle ionisiert, da die thermionischen Elektronen 210, bevor sie an das Gitter 202 gelangen, mit den Gasmolekülen zusammenstoßen, wodurch positive Ionen 211 erzeugt werden.
Die hierbei erzeugten positiven Ionen 211 werden an dem Ionenauffänger 203 aufgefangen, wodurch ein Ionenstrom Ii erzeugt wird.
Die Dichte eines Gases, d. h., ein Vakuumgrad, wird durch Messen des Emissionsstroms Ie und des Ionenstroms Ii gemessen.
D. h., es ist bekannt, dass die folgende Gleichung (1) durch einen Druck P, einen Ionenstrom Ii, und einen Emissionsstrom Ie gebildet wird.
Hierbei gibt S einen Sensitivitätskoeffizienten an.
Gleichung (1)

P = Ii/(S·Ie) (1)

Demzufolge kann, wenn der Ausgabewert der regelbaren Spannungsquelle 204 verändert und der Glühfadenstrom If so gesteuert wird, dass der Emissionsstrom Ie konstant wird, der Druck P berechnet werden.
Zudem war herkömmlicherweise ein Verfahren zum Messen eines Glühfadenstromwerts und zum Abschätzen einer Haltbarkeit eines Glühfadens unter Verwendung dieses Wertes bekannt (siehe z. B. ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Erstveröffentlichung Nr. H7-151816 ).
Ferner war ein Verfahren zum Verhindern des Abtrennens eines Glühfadens bekannt (siehe z. B. ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Erstveröffentlichung Nr. S64-10143 ).
Weiterhin war ein Verfahren bekannt, bei dem ein Messwert eines an einen Glühfaden angelegten Stroms verwendet wurde, um genaue Sensitivitäts- und Displaydruckwerte zu berechnen (siehe z. B. ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Erstveröffentlichung Nr. H5-203524 ).
Um allerdings zu bestimmen, ob ein Leck in der Vakuumvorrichtung auftritt, ist es notwendig, eines der folgenden Verfahren durchzuführen: Ein Verfahren zum Messen einer Leckmenge (Eintrittsmenge) entsprechend einer Ansammlungstechnik unter Verwendung eines Ionisationsvakuummeters, ein Verfahren zum Überwachen eines Partialdrucks eines Gases unter Verwendung eines Massenspektrometers, und ein Verfahren zum Durchführen eines Heliumlecktests in solch einer Art und Weise, dass ein Heliumgas auf eine Oberfläche einer Vakuumvorrichtung gesprüht wird und das den Leckbereich passierende Heliumgas detektiert wird (siehe z. B. ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Erstveröffentlichung Nr. 2006-329662 ).
Allerdings ist, da die Ansammlungstechnik von dem Zustand der Vorrichtung abhängig ist, eine genaue Bestimmung schwierig durchzuführen.
Des Weiteren ist bei dem Verfahren, bei dem das Massenspektrometer verwendet wird, das Massenspektrometer teuer und die Portabilität schlecht.
Weiterhin wird, wenn der Druck der Vakuumvorrichtung größer oder gleich 0.1 Pa ist, der mittlere freie Pfad des Gases kurz.
Aus diesem Grund bestehen bei dem Verfahren, bei dem das Massenspektrometer verwendet wird, die Probleme, dass ein Signal in Bezug auf ein Masse-zu-Ladung-Verhältnis auffallend abzusinken beginnt, und dass so gut wie kein Signal detektiert wird, wenn der Druck der Vakuumvorrichtung größer oder gleich 1 Pa ist (siehe z. B. ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Erstveröffentlichung Nr. 2008-209181 ).
Andererseits wird auch ein Massenspektrometer vorgeschlagen, das in der Lage ist, eine Messung in einem weiten Druckbereich durchzuführen (siehe z. B. ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Erstveröffentlichung Nr. 2007-335188 ).
Viele der sich derzeit im Betrieb befindlichen Vakuumverarbeitungsvorrichtungen sind mit dem oben beschriebenen Ionisationsvakuummeter oder Massenspektrometer versehen.
Aus diesem Grund verbessert sich der Komfort außerordentlich, wenn das Vorhandensein von Sauerstoff und der Eintritt von Luft (Luftleck) je nach Erfordernis unter Verwendung eines existierenden Ionisationsvakuummeters oder eines existierenden Massenspektrometers detektiert werden kann.
Dokument JP 2005-259606 (A-Schrift) offenbart einen Glühfaden zum Abgeben thermischer Elektronen, wobei der Glühfaden im Kern aus einem ersten Metall, z. B. Wolfram, besteht, das wiederum mit einem zweiten Metall, z. B. Iridium, beschichtet ist, das wiederum mit einem Metalloxid, z. B. Yttriumoxid oder Thoriumoxid, beschichtet ist. Der Glühfaden kann in Messvorrichtungen, wie etwa Ionisationsvakuummetern, zum Messen des Drucks in einer Vakuumverarbeitungsvorrichtung oder des Partialdrucks eines Gases verwendet werden.
Dokument CN 2011-67082 (Y-Schrift) offenbart eine Ionenquelle für einen Massenspektrometer-Leckdetektor mit einem Glühfaden, der aus Iridium und Gold sowie Yttriumoxid besteht.
Dokument JP H06-308088 (A-Schrift) offenbart einen Leckdetektor mit einem Glühfaden, der aus Wolfram, welches auch noch Ceroxid enthält, besteht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht solcher Gegebenheiten gemacht, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Detektieren von Sauerstoff oder Luft im Innern einer Vakuumverarbeitungskammer in solch einer Art und Weise bereitzustellen, dass Sauerstoff oder Luft im Innern der Vakuumverarbeitungskammer unter Verwendung eines Ionisationsvakuummeters oder eines Massenspektrometers, wie sie in vielen Fällen in einer Vakuumverarbeitungsvorrichtung verwendet werden, detektiert wird, wodurch keine weitere Detektionseinheit installiert werden muss, Kosten reduziert werden können, und ein zur Installation erforderlicher Platz reduziert werden kann.
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, beinhaltet ein Verfahren zum Detektieren von Sauerstoff oder Luft in einer Vakuumverarbeitungskammer gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung: Bereitstellen eines Gitters, eines Ionenauffängers, und eines Glühfadens, bei dem ein Oxid auf einer Metalloberfläche ausgebildet ist; Anlegen eines Glühfadenstroms an den Glühfaden, wobei thermionische Elektronen, die durch Wärmeerzeugung erzeugt werden, von dem Glühfaden abgegeben werden, wobei der zu dem Glühfaden fließende Glühfadenstrom so gesteuert wird, dass ein Emissionsstrom, der durch die abgegebenen thermionischen Elektronen, die an dem Gitter ankommen, erzeugt wird, konstant wird, wobei die abgegebenen thermionischen Elektronen eine unbestimmte Art von Gas, die in der Vakuumverarbeitungskammer vorhanden ist, durch Kollision mit Gasmolekülen des Gases vor dem Ankommen an dem Gitter ionisieren, wobei positive Ionen erzeugt werden; Auffangen der Ionen mit dem Ionenauffänger; und Messen eines Werts des Glühfadenstroms und Detektieren ob das in der Vakuumverarbeitungskammer vorhandene Gas Sauerstoff oder Luft ist, basierend auf dem gemessenen Wert, wobei der Druck in der Vakuumverarbeitungskammer 5 × 10^–4 Pa oder mehr beträgt und das Detektieren einen Vergleich des gemessenen Glühfadenstromwerts mit zumindest einem Referenzglühfadenstromwert, der für mindestens eines der Gase aus der Gruppe Stickstoff, Sauerstoff und Luft für zumindest einen Druck von 5 × 10^–4 Pa oder mehr in der Vakuumverarbeitungskammer in Voraus bestimmt wurde, umfasst.
Es ist bevorzugt, dass ein Ionisationsvakuummeters zum Ausführen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung verwendet wird, wobei das Ionisationsvakuummeter den Glühfaden und das Gitter beinhaltet.
Es ist bevorzugt, dass ein Massenspektrometer zum Ausführen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung verwendet wird, wobei das Massenspektrometer den Glühfaden und das Gitter beinhaltet.
Bei dem Sauerstoffdetektionsverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass das Metall Iridium und das Oxid Yttriumoxid ist.
Ein Luftleckbestimmungsverfahren gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung bestimmt ob ein Luftleck in einer Vakuumverarbeitungskammer vorhanden ist, durch Detektieren von in der Vakuumkammer vorhandener Luft unter Verwendung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß dem Sauerstoffdetektionsverfahren der Erfindung werden ein Gitter, ein Ionenauffänger, und ein Glühfaden, bei dem Oxide auf eine Metalloberfläche (Grundmaterial) aufgetragen sind, verwendet, wobei ein zu dem Glühfaden fließender Glühfadenstrom so gesteuert wird, dass ein Emissionsstrom konstant wird, und wobei der Glühfadenstrom gemessen wird.
Demzufolge kann im Innern der Vakuumverarbeitungskammer vorhandener Sauerstoff und der Eintritt von Luft (Luftleck) detektiert werden.
Somit ist es unter Verwendung eines Glühkathoden-Ionisationsvakuummeters oder eines Massenspektrometers, wie sie in vielen Vakuumverarbeitungsvorrichtungen verwendet werden, möglich, zu bestimmen, ob Sauerstoff im Innern der Vakuumverarbeitungskammer vorhanden ist und ob Luftlecks auftreten.
Demzufolge braucht keine zusätzliche Detektionseinheit installiert zu werden, Kosten können reduziert werden, und ein zur Installation erforderlicher Platz kann reduziert werden.
Insbesondere wenn das Massenspektrometer verwendet wird, ist es, selbst in dem Druckbereich, in dem ein Signal in Bezug auf ein Masse-zu-Ladung-Verhältnis stark absinkt, möglich, zu bestimmen, ob Sauerstoff vorhanden ist und ob Luftlecks auftreten.
Demzufolge verbessert sich der Komfort des Massenspektrometers merklich.
Somit ist es, selbst wenn entweder nur das Ionisationsvakuummeter oder nur das Massenspektrometer verwendet wird, möglich, zu bestimmen, ob Sauerstoff im Innern der Vakuumverarbeitungskammer vorhanden ist und ob Luftlecks auftreten. Demzufolge kann eine weitere Verbesserung des Komforts erzielt werden, indem je nach Erfordernis gesondert nur das Ionisationsvakuummeter oder nur das Massenspektrometer verwendet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration eines Gaskomponentendetektionsgeräts gemäß der Erfindung illustriert.
2 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Druck und einem Glühfadenstromwert illustriert, wenn im Fall der Verwendung eines herkömmlichen Glühfadens unterschiedliche Gase eingeführt werden.
3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Druck und einem Glühfadenstromwert illustriert, wenn im Fall der Verwendung eines Glühfadens gemäß der Erfindung unterschiedliche Gase eingeführt werden.
4 ist ein Diagramm, das einen Druck im Innern einer Vakuumverarbeitungskammer, einen Glühfadenstrom, und eine zeitliche Änderung in dem Differentialwert des Glühfadenstroms illustriert.
5 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen einem Druck und einer Zeit, in der der Druck einer Vakuumverarbeitungskammer abgelassen wird, illustriert.
6 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel eines herkömmlichen Glühkathoden-Ionisationsvakuummeters illustriert.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend wird eine Ausführungsform eines Sauerstoffdetektionsverfahrens und eines Luftleckbestimmungsverfahrens gemäß der Erfindung beschrieben.
In den jeweiligen in der nachstehenden Beschreibung verwendeten Zeichnungen sind, um den jeweiligen Komponenten in der Zeichnung eine verständliche Größe zu geben, die Dimensionen und Proportionen der jeweiligen Komponenten im Vergleich zu den echten Komponenten je nach Bedarf abgewandelt.
1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Grundkonfiguration eines Gaskomponentendetektionsgeräts 100 (Ionisationsvakuummeter), das das Sauerstoffdetektionsverfahren und das Luftleckbestimmungsverfahren gemäß der Erfindung verwendet, illustriert.
Das Gaskomponentendetektionsgerät 100 beinhaltet einen Glühfaden 101, ein Gitter 102, einen Ionenauffänger 103, eine regelbare Spannungsquelle 104, eine Gittervorspannungs-Spannungsquelle 105, einen Glühfadenstrommesser 107, einen Emissionsstrommesser 108, und einen Ionenstrommesser 109.
Der Glühfaden 101, das Gitter 102, und der Ionenauffänger 103 sind in der Atmosphäre im Innern einer Vakuumverarbeitungskammer einer Vakuumverarbeitungsvorrichtung angeordnet.
Bei dem Gaskomponentendetektionsgerät 100 ist ein Ende des Glühfadens 101 mit einem Pluspol der regelbaren Spannungsquelle 104 über den Glühfadenstrommesser 107 verbunden.
Zusätzlich sind der Glühfadenstrommesser 107 und der Ionenstrommesser 109 elektrisch mit einer Ausgabeeinheit 50 verbunden, die ein Signal an ein Messgerät 51 oder ein Steuergerät 52 ausgibt.
Demzufolge wird ein in dem Glühfadenstrommesser 107 und dem Ionenstrommesser 109 gemessener Wert durch die Ausgabeeinheit 50 an das Messgerät 51 oder das Steuergerät 52 ausgegeben.
Weiterhin bildet das Messgerät 51 oder das Steuergerät 52 einen Teil der Vakuumverarbeitungsvorrichtung.
Das Messgerät 51 oder das Steuergerät 52 beinhaltet eine Speichereinheit, die einen in dem Glühfadenstrommesser 107 und dem Ionenstrommesser 109 gemessenen Wert speichert.
Die Speichereinheit speichert einen Druck und einen Glühfadenstromwert wie nachstehend beschrieben.
Mit dieser Konfiguration können ein Druck und ein Glühfadenstromwert im Innern der Vakuumverarbeitungsvorrichtung aufgezeichnet und gespeichert werden, wenn unterschiedliche Gase in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführt werden.
Ferner ist in 1 das mit dem Ionisationsvakuummeter versehene Gaskomponentendetektionsgerät 100 gezeigt, aber dieselbe Konfiguration wird auch verwendet, wenn ein Massenspektrometer anstelle des Ionisationsvakuummeters verwendet wird.
Experimentalbeispiel 1
In diesem Beispiel wurde ein Gas in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführt während eine hohe Vakuumatmosphäre im Innern der Vakuumverarbeitungskammer erhalten wurde, und es wurde eine Beziehung zwischen einem gemessenen Druck P und einem gemessenen Glühfadenstrom If untersucht.
Als das Gas wurden jeweils ausgewählt: ein für einen gewöhnlichen Lüftungsvorgang verwendeter Stickstoff; Luft, die gesondert von Stickstoff detektiert wurde, und; Sauerstoff.
In den nachstehend beschriebenen 2 und 3 gibt die horizontale Achse einen Druck P und die vertikale Achse einen Glühfadenstrom If an.
2 illustriert ein Vergleichsergebnis zwischen dem Druck P und dem Glühfadenstrom If, wenn Stickstoff, Luft, und Sauerstoff eingeführt werden, wobei das Ergebnis unter Verwendung des Gaskomponentendetektionsgeräts 100, das das seit geraumer Zeit als ein Material des Glühfadens 101 verwendete Wolfram (W) verwendet, erhalten wurde.
Wie in 2 gezeigt, wurde in der Beziehung zwischen dem Druck P und dem Glühfadenstrom If kein Unterschied zwischen Stickstoff, Luft, und Sauerstoff gefunden.
Somit kann die Art des in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführten Gases nicht bestimmt werden.
Im Gegensatz hierzu illustriert 3 ein Vergleichsergebnis zwischen dem Druck P und dem Glühfadenstrom If, wenn Stickstoff, Luft, und Sauerstoff eingeführt werden, wobei das Ergebnis unter Verwendung des Gaskomponentendetektionsgeräts 100, das den Glühfaden 101 mit einer Struktur, bei der Oxide auf eine Oberfläche eines metallischen Grundmaterials aufgetragen sind, verwendet, erhalten wurde.
Insbesondere wird der Glühfaden 101 verwendet, bei dem Yttriumoxid (Y₂O₃) auf eine Oberfläche eines Grundmaterials aus Iridium (Ir) aufgetragen ist, und es wird ein Ergebnis gezeigt, das mit demselben Test wie in 2 erhalten wurde.
Aus dem in 3 gezeigten Ergebnis werden die folgenden Punkte deutlich:

(Ergebnis 1) Der Glühfadenstrom If, der gemessen wird, wenn Luft eingeführt wird, ist größer als der Glühfadenstrom If, der gemessen wird, wenn Stickstoff eingeführt wird.
(Ergebnis 2) Der Glühfadenstrom If, der gemessen wird, wenn Sauerstoff eingeführt wird, ist deutlich größer als der Glühfadenstrom If, der gemessen wird, wenn Luft eingeführt wird.
(Ergebnis 3) Das Ergebnis 2 wird erhalten, wenn der Druck (Pa) in einem Druckbereich von 5 × 10^–4 oder mehr liegt.
(Ergebnis 4) Wenn der Druck (Pa) in einem Druckbereich von 5 × 10^–4 oder mehr liegt, kann das detektierte Gas als ein Gas aus der Gruppe Stickstoff, Luft, und Sauerstoff bestimmt werden.
Ferner verbessert sich aufgrund der mit steigendem Druck tendenziell steigenden Differenz zwischen dem Glühfadenstrom If von Stickstoff und Luft und zwischen dem Glühfadenstrom If von Luft und Sauerstoff die Genauigkeit, mit der die Art des Gases detektiert werden kann.
Somit kann, wenn die Art des Gases unter Verwendung des Glühfadens mit der in 3 gezeigten Konfiguration, d. h., mit einer Struktur, bei der Oxide auf die Oberfläche des metallischen Grundmaterials aufgetragen sind, detektiert wird, die Art des im Innern der Vakuumverarbeitungskammer vorhandenen Gases zuverlässig bestimmt werden.
Allgemein kann die Anzahl der pro Flächen- und Zeiteinheit aus einer Metalloberfläche austretenden Elektronen (thermionische Elektronenemissionsstromdichte) J durch die folgende Gleichung (2) (Richardson-Dushman-Gleichung) ausgedrückt werden.
Gleichung (2)

J = AT²exp(–ϕ/(kT)) (2)

Hierbei gibt k die Boltzmann-Konstante an, ϕ gibt eine Arbeitsfunktion an, A gibt die Richardson-Konstante an, wobei A = 4πmk²e/h³ gilt, m und e geben jeweils die Masse und die elektrische Ladung eines Elektrons an, h gibt die Frank-Konstante an, und T gibt eine Temperatur an.
Wie sich aus der Gleichung (2) versteht, sinkt die Anzahl der thermionischen Elektronen ab, wenn die Arbeitsfunktion groß ist, und die Anzahl der thermionischen Elektronen steigt an, wenn die Temperatur ansteigt.
Des Weiteren steigt der Glühfadenstrom an, wenn der Druck ansteigt, da die Quantität (Menge) der dem Glühfaden entnommenen Wärme ansteigt.
Somit ist der Betrag des Glühfadenstroms abhängig vom Druck (siehe z. B. ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Erstveröffentlichung Nr. H7-151816 ).
In 3 wird ein Ergebnis erhalten, bei dem der Glühfadenstrom If, der gemessen wird, wenn Sauerstoff eingeführt wird, größer ist als der Glühfadenstrom If, der gemessen wird, wenn Luft eingeführt wird (Ergebnis 2).
Selbst bei demselben Druck wird der Glühfadenstrom If von Sauerstoff größer als der Glühfadenstrom If von Luft.
Hierfür wird der nachstehend beschriebene Grund angenommen: Wenn Sauerstoff auf der Oberfläche des Glühfadens absorbiert wird, werden Elektronen aus der Oberfläche des Glühfadens entnommen und negative Sauerstoffionen werden auf der Oberfläche des Glühfadens absorbiert. Demzufolge steigt die Arbeitsfunktion an, so dass der zum Erhalt des geforderten Emissionsstroms erforderliche Glühfadenstrom ansteigt (die Temperatur steigt an).
(Erstes Detektionsverfahren)
Bei dem Gaskomponentendetektionsgerät 100 gemäß 1 werden der Druck und der Glühfadenstromwert, wenn Stickstoff in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführt wird, aufgezeichnet und im Voraus als Referenzwerte gespeichert.
Nachfolgend wird, wenn eine unbestimmte Art von Gas in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführt wird, ein Glühfadenstromwert gemessen, und der Referenzwert und der Messwert werden miteinander verglichen, wodurch das Vorhandensein von Luft oder Sauerstoff im Innern der Vakuumverarbeitungskammer detektiert wird.
D. h., ein Stickstoffgas (ein Referenzgas und ein erstes Gas) wird als eine Referenz in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführt, und ein Glühfadenstrom (ein erster Glühfadenstrom) wird gemessen.
Nachfolgend wird der gemessene Glühfadenstromwert als ein Referenzwert gespeichert.
Nachfolgend wird eine unbestimmte Art von Gas (ein Messzielgas und ein zweites Gas) in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführt, und ein Glühfadenstromwert (ein zweiter Glühfadenstrom) wird gemessen.
Nachfolgend werden der Referenzwert und der Glühfadenstromwert der unbestimmten Art von Gas miteinander verglichen.
Demzufolge ist es möglich, zu detektieren, ob die im Innern der Vakuumverarbeitungskammer vorhandene, unbestimmte Art von Gas Sauerstoff oder Luft ist.
Somit kann das Verfahren gemäß der Erfindung effizient als ein Verfahren zum Bestimmen eines Luftlecks (Eintritt von Luft) im Innern der Vakuumverarbeitungskammer verwendet werden.
(Zweites Detektionsverfahren)
Weiterhin kann bei dem Detektionsverfahren gemäß der Erfindung, wenn bestimmt wird, dass der Glühfadenstromwert des in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführten Gases bei einem vorbestimmten Druck größer oder gleich einem festgelegten Wert ist, die im Innern der Vakuumverarbeitungskammer vorhandene, unbestimmte Art von Gas als Sauerstoff oder als Luft bestimmt werden.
Insbesondere wird eine Charakteristik (eine erste Charakteristik) gespeichert, die eine Beziehung zwischen dem Druck und dem Glühfadenstrom repräsentiert, wenn Sauerstoff in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführt wird, und es wird eine Charakteristik (eine zweite Charakteristik) gespeichert, die eine Beziehung zwischen dem Druck und dem Glühfadenstrom repräsentiert, wenn Luft in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführt wird.
D. h., die in 3 gezeigte Beziehung zwischen dem Druck und dem Glühfadenstrom wird gespeichert.
Demzufolge werden ein festgelegter Wert (ein erster festgelegter Wert) für Sauerstoff und ein festgelegter Wert (ein zweiter festgelegter Wert) für Luft bestimmt.
Als Nächstes wird, wenn bestimmt wird, dass ein Glühfadenstromwert, der bei einem vorbestimmten Druck gemessen wird, wenn eine unbestimmte Art von Gas in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführt wird, größer oder gleich einem ersten festgelegten Wert ist, die im Innern der Vakuumverarbeitungskammer vorhandene, unbestimmte Art von Gas als Sauerstoff bestimmt.
Des Weiteren wird, wenn bestimmt wird, dass ein Glühfadenstromwert, der bei einem vorbestimmten Druck gemessen wird, größer oder gleich einem zweiten festgelegten Wert ist, die im Innern der Vakuumverarbeitungskammer vorhandene, unbestimmte Art von Gas als Luft bestimmt.
(Drittes Detektionsverfahren)
Weiterhin kann bei dem Verfahren gemäß der Erfindung das in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführte Gas basierend auf der Differenz zwischen dem oben beschriebenen Referenzwert und dem Messwert der unbestimmten Art von Gas als Sauerstoff oder als Luft bestimmt werden.
Insbesondere wird der Glühfadenstromwert (der erste Glühfadenstrom), der gemessen wird, wenn Stickstoff in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführt wird, als der Referenzwert bestimmt.
Weiterhin werden der erste festgelegte Wert (Sauerstoff) und der zweite festgelegte Wert (Luft) basierend auf den oben beschriebenen ersten und zweiten Charakteristiken bestimmt.
Als nächstes werden ein erster Differenzwert, der durch Subtrahieren des Referenzwerts von dem ersten festgelegten Wert erhalten wird, und ein zweiter Differenzwert, der durch Subtrahieren des Referenzwerts von dem zweiten festgelegten Wert erhalten wird, berechnet und gespeichert.
Als Nächstes wird, wenn bestimmt wird, dass ein Glühfadenstromwert, der gemessen wird, wenn eine unbestimmte Art von Gas in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführt wird, größer oder gleich dem ersten Differenzwert ist, die im Innern der Vakuumverarbeitungskammer vorhandene, unbestimmte Art von Gas als Sauerstoff bestimmt.
Des Weiteren wird, wenn bestimmt wird, dass ein Glühfadenstromwert, der gemessen wird, wenn eine unbestimmte Art von Gas in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführt wird, größer oder gleich dem zweiten Differenzwert ist, die im Innern der Vakuumverarbeitungskammer vorhandene, unbestimmte Art von Gas als Luft bestimmt.
Ferner kann z. B. in einer Sputtervorrichtung ein Schichtausbildungsprozess bei der Atmosphäre durchgeführt werden, bei der Sauerstoff zusätzlich zu Argon eingeführt wird.
Auch in diesem Fall werden der Druck und der Glühfadenstromwert, die gemessen werden, wenn die für den Schichtausbildungsprozess verwendeten Gase Argon und Sauerstoff im Voraus in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführt werden, aufgezeichnet und als Referenzwerte gespeichert.
Wenn jedoch der Glühfaden verwendet wird, bei dem Yttriumoxid (Y₂O₃) oder dgl. auf einer Oberfläche eines Grundmaterials aus Iridium (Ir) aufgetragen ist, nutzt sich der Glühfaden ab und der Glühfadenstrom steigt durch Erhöhung der verwendeten Frequenz mit der Zeit an (siehe z. B. ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Erstveröffentlichung Nr. H7-151816 ).
In diesem Fall ist es wünschenswert, dass der Druck und der Glühfadenstromwert, wenn Stickstoff in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführt wird, gemessen werden und der Referenzwert erneut gesetzt wird.
Zudem können der Druck und der Glühfadenstromwert, wenn Stickstoff in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführt wird, in einem Speichergerät im Innern des Ionisationsvakuummeters gespeichert werden.
Des Weiteren können ein Sauerstoffdetektionssignal oder ein Luftleckbestimmungssignal an die Ausgabeeinheit 50 ausgegeben werden.
Experimentalergebnis 2
4 ist ein Diagramm, das eine zeitliche Änderung des Drucks und des Glühfadenstromwerts, die entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren gemessen wurden, illustriert.
In der nachstehend beschriebenen 4 gibt die horizontale Achse die Zeit und die vertikale Achse den Glühfadenstrom If und den Differentialwert des Glühfadenstroms an.
Wie 4 zeigt, hat sich herausgestellt, dass der Glühfadenstromwert ansteigt, wenn ungefähr 26 Sekunden vergangen sind.
Gleichzeitig wird deutlich, dass sich der Glühfadenstromwert mit dem Differentialwert des Glühfadenstromwerts ändert.
D. h., wenn bestimmt wird, dass der von dem Ionisationsvakuummeter gemessene Druck sich nicht ändert und der Differentialwert des Glühfadenstroms größer oder gleich einem festgelegten Wert ist, ist es möglich, ein Vorhandensein von Luft im Innern der Vakuumverarbeitungskammer zu bestimmen.
D. h., es ist möglich, ein Auftreten eines plötzlichen Eintritts von Luft (Luftleck) zu bestimmen.
In diesem Fall ist es, da es nicht notwendig ist, im Voraus den Referenzwert, wenn Stickstoff in die Vakuumverarbeitungskammer eingeführt wird, aufzuzeichnen und zu speichern, möglich, einen negativen Effekt, bei dem der Glühfadenstromwert aufgrund der Abnutzung des Glühfadens mit der Zeit absinkt, zu reduzieren.
Experimentalergebnis 3
Neuerdings ist ein Vakuummeter bekannt, bei dem ein Ionisationsvakuummeter und ein Pirani-Meter, mit dem ein atmosphärischer Druck gemessen werden kann, in derselben Vakuumverarbeitungskammer angeordnet sind.
Dieses Vakuummeter hat eine Struktur, bei der der Druck im Innern der Vakuumverarbeitungskammer im Bereich von atmosphärischem Druck bis zu dem Druck, der mit dem Ionisationsvakuummeter detektiert werden kann, mit dem Pirani-Meter gemessen wird, und der Glühfaden automatisch angeschaltet wird, wenn der Druck im Innern der Vakuumverarbeitungskammer einen Druck p1 (einen messbaren Druck p1) erreicht, bei dem der Druck im Innern der Vakuumverarbeitungskammer mit dem Ionisationsvakuummeter gemessen werden kann.
5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Druck und einer zum Verringern des Drucks benötigten Zeit illustriert, wenn der Druck in der Vakuumverarbeitungskammer von einem atmosphärischen Druck bis zu einem Vakuum verringert wird.
Die Zeit, die vom Beginn der Druckverringerung bis zum Erreichen des messbaren Drucks p1 erforderlich ist, wird als die Referenz bestimmt.
Wenn es kein Luftleck im Innern der Vakuumverarbeitungskammer gibt, werden eine Zeit t1 (eine Referenzzeit), zu der der Glühfaden angeschaltet wird, und ein Glühfadenstrom a1 (ein Referenzstrom) zu der Zeit t1 im Voraus aufgezeichnet.
Je öfter ein Prozess (z. B. ein Schichtausbildungsprozess) unter Verwendung der Vakuumverarbeitungskammer durchgeführt wird und je öfter eine Instandhaltung der Vakuumverarbeitungskammer durchgeführt wird, desto größer wird die Wahrscheinlichkeit, dass ein Leck im Innern der Vakuumverarbeitungskammer erzeugt wird.
Aus diesem Grund ist es notwendig, den Leckzustand zu detektieren.
Das Experimentalbeispiel 3 gibt ein Beispiel an, in dem der Leckzustand in einem solchen Fall detektiert wird.
Wie in 5 gezeigt, wird, wenn die Zeit, die vom Beginn der Druckverringerung bis zum Erreichen des messbaren Drucks p1 notwendig ist, d. h., die Zeit, die vom Beginn des Druckablassens bis zum Anschalten des Glühfadens notwendig ist, länger ist als die Zeit t1, vermutet, dass ein Luftleck im Innern der Vakuumverarbeitungskammer auftritt.
Wenn der Glühfadenstromwert a2 zu dieser Zeit größer ist als der Glühfadenstromwert a1, ist es möglich, das Auftreten eines Luftlecks zu bestimmen.
Wenn jedoch der Stromwert a2 gleich dem Stromwert a1 ist, ist es möglich, das Auftreten eines Luftlecks infolge anderer Gründe, wie z. B. einer Unregelmäßigkeit der Vakuumpumpe, zu bestimmen.
Auf diese Art und Weise kann, wenn der Wert des Glühfadenstroms überwacht wird, ein Eintritt von Luft (Luftleck) mit größerer Genauigkeit bestimmt werden.
Somit ist es gemäß der Erfindung möglich, unter Verwendung eines Glühkathodenionisationsvakuummeters, wie es in vielen Vakuumverarbeitungsvorrichtungen verwendet wird, zu bestimmen, ob Sauerstoff im Innern der Vakuumverarbeitungskammer vorhanden ist und ob Luftlecks auftreten.
Demzufolge braucht keine weitere Detektionseinheit installiert werden, Kosten können reduziert werden, und ein zur Installation erforderlicher Platz kann reduziert werden.
Des Weiteren kann auch wenn das Massenspektrometer verwendet wird, der Glühfadenstromwert unter Verwendung eines Massenspektrometers mit einem darin angeordneten Voltmeter gemessen werden (siehe z. B. ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Erstveröffentlichung Nr. 2007-335188 ).
Mit dieser Konfiguration ist es selbst in dem Druckbereich, in dem ein Signal in Bezug auf ein Masse-zu-Ladung-Verhältnis stark abfällt, möglich, entsprechend einem Verfahren, das dem in den Experimentalbeispielen 1 bis 3 beschriebenen Verfahren ähnlich ist, zu bestimmen, ob Sauerstoff vorhanden ist und ob Luftlecks auftreten.
Dementsprechend verbessert sich der Komfort des Massenspektrometers merklich.
Ferner wurde in den Experimentalbeispielen 1 bis 3 ein Fall beschrieben, bei dem der Glühfadenstrom ein Gleichstrom ist, aber der zu dem Glühfaden fließende Glühfadenstrom If muss zum Abgeben thermionischer Elektronen nicht notwendigerweise ein Gleichstrom sein.
Z. B. kann eine Struktur (eine Schaltung) verwendet werden, bei der ein Wechselstrom oder ein Phasenwinkel gesteuert wird.
Bei dieser Struktur kann, wenn der Emissionsstrom Ie durch Steuern des Glühfadenstroms If bei einem gewünschten Wert gehalten wird, der Effektivwert des Glühfadenstroms If gemessen werden, und es kann durch Detektieren des Effektivwerts bestimmt werden, ob Sauerstoff vorhanden ist und ob Luftlecks auftreten.
Zusätzlich wird in den Experimentalergebnissen 1 bis 3 ein Fall beschrieben, bei dem das detektierte Gas Sauerstoff und Luft ist, aber die Erfindung ist nicht auf ein solches Detektionsverfahren beschränkt.
Z. B. können Elektronen zum Erhöhen der Arbeitsfunktion aus dem Glühfaden entnommen werden und Wasser (H₂O) oder ein vergleichbarer Stoff, der Sauerstoffatome beinhaltet, kann detektiert werden.
Auf der anderen Seite bewegen sich, wenn ein Reduktionsgas wie z. B. Wasserstoff an dem Glühfaden absorbiert wird, Elektronen von dem Gas zu der Oberfläche des Glühfadens, und positive Wasserstoffionen werden an der Oberfläche des Glühfadens absorbiert, wodurch die Arbeitsfunktion und sodann der Glühfadenstrom absinken.
Durch Ausnutzung dieses Phänomens kann Wasserstoff detektiert werden.
Wie oben beschrieben, ist es nur durch Verwendung einer Konfiguration, bei der das Ionisationsvakuummeter oder das Massenspektrometer, das einen Glühfaden beinhaltet, bei dem Oxide auf der Oberfläche des metallischen Grundmaterials aufgetragen sind, und bei der Glühfadenstromwert gemessen wird, möglich, zu bestimmen, ob Sauerstoff detektiert wird und ob Luftlecks auftreten.
Somit ist es gemäß der Erfindung, selbst wenn entweder nur das Ionisationsvakuummeter oder nur das Massenspektrometer verwendet wird, möglich, durch adäquate Verwendung des Ionisationsvakuummeters oder des Massenspektrometers entsprechend dem Zustand, in dem die Vakuumverarbeitungsvorrichtung verwendet wird, zu bestimmen, ob Sauerstoff im Innern der Vakuumverarbeitungsvorrichtung detektiert wird und ob Luftlecks auftreten. Demzufolge kann der Komfort verbessert werden.
Der technische Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform begrenzt und kann in verschiedene Formen, die im Schutzbereich der Erfindung liegen, abgewandelt werden.
Des Weiteren ist die Erfindung nicht auf das Ionisationsvakuummeter oder das Massenspektrometer beschränkt und kann auf ein Gerät (Vakuummeter) angewendet werden, das eine zu einem Glühfaden und einem Gitter korrespondierende Konfiguration aufweist.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Erfindung kann genutzt werden in einem Verfahren zum Detektieren von Luft oder Sauerstoff im Innern einer Vakuumverarbeitungskammer, bei dem ein Ionisationsvakuummeter oder ein Massenspektrometer verwendet wird, das einen Glühfaden beinhaltet, bei dem Oxide auf einer Metalloberfläche aufgetragen sind.

Claims

Verfahren zum Detektieren von Sauerstoff oder Luft in einer Vakuumverarbeitungskammer, umfassend: Bereitstellen eines Gitters (102), eines Ionenauffängers (103), und eines Glühfadens (101), bei dem ein Oxid auf einer Metalloberfläche ausgebildet ist; Anlegen eines Glühfadenstroms an den Glühfaden (101), wobei thermionische Elektronen, die durch Wärmeerzeugung erzeugt werden, von dem Glühfaden (101) abgegeben werden, wobei der zu dem Glühfaden (101) fließende Glühfadenstrom so gesteuert wird, dass ein Emissionsstrom, der durch die abgegebenen thermionischen Elektronen, die an dem Gitter (102) ankommen, erzeugt wird, konstant wird, wobei die abgegebenen thermionischen Elektronen eine unbestimmte Art von Gas, die in der Vakuumverarbeitungskammer vorhanden ist, durch Kollision mit Gasmolekülen des Gases vor dem Ankommen an dem Gitter (102) ionisieren, wobei positive Ionen erzeugt werden; Auffangen der Ionen mit dem Ionenauffänger (103); und Messen eines Werts des Glühfadenstroms und Detektieren ob das in der Vakuumverarbeitungskammer vorhandene Gas Sauerstoff oder Luft ist, basierend auf dem gemessenen Wert, wobei der Druck in der Vakuumverarbeitungskammer 5 × 10^–4 Pa oder mehr beträgt und das Detektieren einen Vergleich des gemessenen Glühfadenstromwerts mit zumindest einem Referenzglühfadenstromwert, der für mindestens eines der Gase aus der Gruppe Stickstoff, Sauerstoff und Luft für zumindest einen Druck von 5 × 10^–4 Pa oder mehr in der Vakuumverarbeitungskammer in Voraus bestimmt wurde, umfasst.
Verwenden eines Ionisationsvakuummeters zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei das Ionisationsvakuummeter den Glühfaden (101) und das Gitter (102) beinhaltet.
Verwenden eines Massenspektrometers zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei das Massenspektrometer den Glühfaden (101) und das Gitter (102) beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metall Iridium und das Oxid Yttriumoxid ist.
Luftleckbestimmungsverfahren zum Bestimmen ob ein Luftleck in einer Vakuumverarbeitungskammer vorhanden ist, durch Detektieren von in der Vakuumkammer vorhandener Luft unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 4.