DE69632674T2

DE69632674T2 - Verfahren und System zur hochempfindlichen Detektion von molekularen Spezien unter Vakuum mittels Oberschwingungsspektroskopie

Info

Publication number: DE69632674T2
Application number: DE69632674T
Authority: DE
Inventors: James J.F. Lockport McAndrew; Ronald S. Lyons Inman
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1995-10-10
Filing date: 1996-10-07
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2016-10-08
Also published as: EP0768523A3; EP0768523B1; JPH09222394A; EP0768523A2; KR970023954A; CN1176382A; DE69632674D1; CN1283788A

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies in einer Probe durch Oberwellendetektionsspektroskopie und ein Verfahren zum Detektieren selbiger in einer Halbleiterverarbeitungsvorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein System zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies in einer Probe durch Oberwellendetektionsabsorptionsspektroskopie und eine diese umfassende Halbleiterverarbeitungsvorrichtung.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Integrierte Halbleiterschaltungen (ICs) werden über eine Reihe von Prozessen hergestellt, und an vielen von diesen ist die Verwendung von gasförmigen Materialien beteiligt. Zu solchen Prozessen zählen das Ätzen, die Diffusion, die chemische Dampfabscheidung (CVD), die Ionenimplantierung, das Sputtern und die schnelle thermische Verarbeitung. Bei diesen Prozessen wird zwischen einem Halbleitersubstrat und Molekülspezies in der Gasphase Kontakt hergestellt. Infolge der extrem feinen Merkmale der IC-Bauelemente werden Teile pro Milliarde (ppb) und niedrigere Konzentrationen an Verunreinigungen in den die Halbleitersubstrate kontaktierenden Gasen üblicherweise als notwendig angesehen, um den Ausbeuteverlust auf ein Minimum zu reduzieren. Unter den molekularen Verunreinigungen ist Feuchtigkeit extrem schwer zu eliminieren und es beeinträchtigt viele Halbleiterherstellungsprozesse.
Ein bekanntes Verfahren zum Detektieren von Molekülspezies ist die Infrarotabsorptionsspektroskopie. Dieses Verfahren basiert auf der Messung der Infrarotlichtabsorption, die bei für ein gegebenes Molekül charakteristischen spezifischen Frequenzen auftritt. Wenn dieses Verfahren jedoch dazu verwendet wird, Spurenmengen an Molekülspezies in einer Vakuumkammer zu messen, wird die Meßpräzision oftmals durch Lichtabsorption begrenzt, die auf das Vorliegen der gleichen Spezies außerhalb der Kammer, wo die Lichtquelle und der Detektor angeordnet sind, zurückzuführen ist.
Es sind drei Verfahren zum Mildern des oben beschriebeben Problems vorgeschlagen worden. Bei dem ersten wird der Lichtweg außerhalb der Vakuumkammer relativ zum Weg darin so kurz wie möglich gemacht, bei dem zweiten wird der Lichtweg außerhalb der Vakuumkammer mit einem reinen Gas gespült, und beim dritten wird dieser Lichtweg unter Vakuum gesetzt. Der Ausdruck "reines Gas", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf ein Gas mit einem Feuchtigkeitsgehalt von im wesentlichen Null. Der zweite und dritte Vorgang können außerdem kombiniert werden, indem vor der Messung evakuiert wird.
Diese Vorgehensweisen haben jedoch nur eine begrenzte Effektivität. Wenn beispielsweise der Partialdruck der interessierenden Molekülspezies innerhalb der Vakuumkammer sehr niedrig ist, kann es trotz dieser Vorkehrungen immer noch zu einer signifikanten Störung kommen. Insbesondere wenn die interessierende Molekülspezies Wasser ist, gasen Komponenten außerhalb der Vakuumkammer oftmals Wasser mit einer Konzentration aus, die ausreicht, um die Messung zu stören. Zusätzlich zu dem Ausgasen können auch Lecks und schlecht gespülte Volumen, die durch die Geometrie des Wegs außerhalb der Kammer verursacht werden, zu der Störung beitragen. Es ist extrem schwierig oder unmöglich, diese unerwünschten Quellen von Molekülspezies vollständig zu eliminieren, wodurch das Vornehmen präziser Messungen verhindert wird.
Bei der Infrarotabsorptionsspektroskopie tritt die Absorption von Licht mit einer Spreizung um die absorptionsmittende Frequenz auf, die linear mit dem Druck zunimmt. Deshalb ist die Breite der Lichtabsorption, die auf die Moleküle in dem unter einem höheren Druck stehenden Gebiet außerhalb der Vakuumkammer zurückzuführen ist, größer als die Breite aufgrund der Moleküle in dem einen geringeren Druck aufweisenden Gebiet innerhalb der Vakuumkammer. Außerdem ist die maximale Lichtabsorption bei der Mittenfrequenz direkt proportional zum Partialdruck der interessierenden Spezies und umgekehrt proportional zu der Breite des Übergangs. Folglich steigt mit zunehmendem Gesamtdruck des Gases außerhalb der Vakuumkammer auch die Breite des Übergangs.
Wenn eine einfache Infrarotabsorptionsmessung verwendet wird, erhält man durch Erhöhen des Drucks außerhalb der Vakuumkammer keinen Vorteil, obwohl die Breite des auf Moleküle in diesem Gebiet zurückzuführenden Signals erhöht ist, weil der Partialdruck der interessierenden Spezies proportional zunimmt (unter der Annahme, daß die Konzentration der Spezies konstant bleibt), das auf die Moleküle außerhalb der Vakuumkammer zurückzuführende Signal wird wegen der Aufhebung der beiden Effekte nicht unterdrückt. Tatsächlich würde eine geringfügige Verbesserung vorliegen, deren Größe von der Doppler-Linienbreite abhängt. Dadurch können die Molekülspezies im Lichtweg außerhalb der Vakuumkammer nicht negiert werden. Die Infrarotabsorptionsspektroskopie eignet sich deshalb nicht für das präzise Messen von Spurenmengen der Molekülspezies innerhalb der Vakuumkammer.
Gemäß einem weiteren bekannten spektroskopischen Verfahren, der Oberwellendetektionsspektroskopie, kann die auf Moleküle außerhalb der Vakuumkammer zurückzuführende größere Breite des Übergangs vorteilhaft verwendet werden. Eine allgemeinere Erörterung des folgenden findet man in C.R. Webster et al. Infrared Laser Absorption: Theory and Applications in Laser Remote Chemical Analysis, Wiley, New York, USA (1988).
In dem Fall, daß sich der Wasserdampf in einer Luft- oder Stickstoffmatrix mit einem Druck von 1 Atmosphäre oder darüber befindet, wird die Form des Absorptionsmerkmals durch das wohlbekannte Lorentz-Profil wie folgt beschrieben:
wobei I₀(v) die Intensität des einfallenden Lichts bei der Frequenz v ist, I(v) die Intensität des übertragenen Lichts bei v, P der Druck, c die Volumenkonzentration von Wasserdampf, I die Länge des Lichtwegs durch die Probe, S die Linienstärkencharakteristik des gegebenen Absorptionsmerkmals, γ die Halbwertsbreite des Absorptionsmerkmals und v₀ seine Mittenfrequenz ist. Durch diesen Ausdruck ergibt sich eine maximale Lichtabsorption:
wenn die Frequenz des einfallenden Lichts v₀ ist.
Bei Infrarotlichtabsorption durch Wasserdampf unter Vakuumbedingungen, d.h. bei einem sehr niedrigen Partialdruck (z.B. unter etwa 13,33 Pa (0,1 Torr) sind bei einem Gesamtgasdruck in der Kammer von höchstens etwa 66,66 Pa (0,5 Torr) die Absorptionsmerkmale viel schmaler. Die Absorptionsmerkmalsbreite wird in erster Linie durch den Doppler-Effekt bestimmt und ergibt sich aus der Zufallsbewegung von Molekülen bezüglich des einfallenden Lichts und wird durch den folgenden Ausdruck beschrieben (Gauß'sche Linienform):
Bei der obigen Gleichung ist γ_ED√ln(2) die Halbwertsbreite des Absorptionsmerkmals unter den obigen Bedingungen und hängt von der Mittenfrequenz der Absorptionsfrequenz, der Molekülmasse und der Temperatur ab. Das Linienmittensignal ist gegeben durch die Formel:
Bei Wasserdampf unter Vakuumbedingungen und bei Raumtemperatur, d.h. etwa 25°C, ist γ_ED etwa gleich 0,01 cm^–1 für die Absorption von Infrarotlicht bei Frequenzen in der Nähe von 7100 cm^–1 (wo relativ starke Absorptionsmerkmale liegen, die durch zweckmäßige Nahinfrarot-Diodenlaserquellen zugänglich sind). Bei Wasserdampf in einer Matrix aus Luft oder Stickstoff bei einem Druck von 1 Atmosphäre beträgt ein typischer Wert für γ 0,1 cm^–1. Der Wert für γ hängt von dem Druck und der Temperatur der gasförmigen Probe und der Mittenfrequenz des Absorptionsmerkmals ab. Für ein gegebenes Absorptionsmerkmal bei konstanter Temperatur wird γ ungefähr durch die folgende Formel beschrieben:
wobei b eine Konstante ist. Eine präzisere Gleichung wurde von Olivero und Longbotham geliefert, jedoch reicht obige Gleichung für die Zwecke dieser Erörterung aus.
Um eine Oberwellendetektion durchzuführen, wird die Frequenz der einfallenden Lichtquelle mit einer sinusförmigen Modulation der Amplitude a und der Frequenz ω moduliert, so daß die Frequenz des Lichts zum Zeitpunkt t gegeben ist durch den Ausdruck:
Bei einer Detektion der ersten Oberwelle wird jene Komponente des Signals beim Detektor ausgewählt, das eine Frequenz ω und die gleiche Phase wie die Lasermodulation aufweist. Dies kann man beispielsweise dadurch erzielen, daß man einen Lock-in-Verstärker oder eine Mischstufe zum Kombinieren des Detektorausgangssignals mit einem sinusförmigen Signal der Frequenz ω verwendet, dessen Phase unter Verwendung eines Phasenschiebers auf geeignete Weise justiert wird, und das Mischstufenausgangssignal durch ein geeignetes Tiefpaßfilter schickt. Eine ausführliche Beschreibung findet man in The Art of Electronics von Horowitz und Hill. Diese Technik ist wohlbekannt und wird dazu verwendet, Rauschkomponenten mit einer Frequenz unter ω aus dem Signal zu entfernen.
Bei der Detektion der zweiten Oberwelle wird die Komponente des Signals mit der Frequenz 2ω ausgewählt, bei der Detektion der dritten Oberwelle wird die Komponente des Signals mit der Frequenz 3ω ausgewählt usw.
Für den Fall von Wasserdampf in Stickstoff oder Luft bei einem Druck von 1 Atmosphäre ist das zweite Oberwellensignal bei v₀ (Linienmitte) gegeben durch die Formel:
Analog für den Fall von Wasserdampf unter Vakuumbedingungen
Diese Ausdrücke wurden von G.V.H. Wilson, J. Appl. Phys., Band 34, Nr. 11, S. 3276 (1963), abgeleitet, der auch zeigte, daß man den Höchstwert von Signal (v₀) erhält, wenn a/γ (oder a/γ_ED) = 2,2 für beide Fälle.
Die Spektroskopie der zweiten Oberwelle kann implementiert werden, indem entweder die Frequenz des von der Lichtquelle emittierten Lichts v gleich der Mittenfrequenz des Absorptionsmerkmals v₀ gesetzt wird oder indem die Frequenz wiederholt über ein Gebiet abgelenkt wird, das v₀ enthält. Das erste Verfahren erfordert üblicherweise eine aktive Rückkopplungssteuerung der Lichtquelle, falls dies eine Laserdiode ist. In letzterem Fall erhält man Scans über das ganze interessierende Absorptionsmerkmal. In beiden Fällen ist es höchst vorteilhaft, wenn das Signal bei v₀ in erster Linie auf die Absorption durch Wassermoleküle im interessierenden Probengebiet zurückzuführen ist.
1 ist eine graphische Darstellung von Signal, die aus Signal (v₀) erhalten wird, indem γ = 0,1, PlS = 1 (zur leichteren Berechnung, weil nur relative Werte von Interesse sind), c = 10^–6 und a = mod_j gesetzt wird, wobei mod_j zwischen 0 und 1 variiert. Aus 1 kann man erkennen, daß Signal_j ein Maximum ist bei mod_j 0,22 (d.h. 2,2.0,1) und daß das Signal für kleinere Werte der Modulationsamplitude kleiner wird. Daraus folgt dann, daß bei einer Probe im Vakuum, wobei die Umgebung außerhalb der Vakuumkammer sich auf atmosphärischem Druck befindet, falls die Modulationsamplitude auf das 2,2fache der Breite der auf die interessierende Molekülspezies innerhalb der Vakuumkammer zurückzuführenden Absorption gesetzt wird, diese Modulationsamplitude notwendigerweise viel kleiner ist als der optimale Wert für die gleiche Molekülspezies außerhalb der Kammer.
Wenn jedoch in der Praxis gewünscht wird, einen kleinen Partialdruck einer Molekülspezies wie etwa Wasser in einer Vakuumkammer zu detektieren und diese Spezies in dem Lichtweg außerhalb der Kammer vorliegt, ist eine Modulationsamplitude verwendet worden, die kleiner ist als der optimale Wert für die Detektion von Molekülen innerhalb der Kammer. Unter dem Optimum liegende Modulationsamplituden werden absichtlich gewählt, da sie das Signal weiter unterdrücken, das auf unter einem höheren Druck vorliegende Moleküle außerhalb der Vakuumkammer zurückzuführen ist.
Die obigen Vorteile der Oberwellenspektroskopie für das Unterdrücken von Signalen, die auf Moleküle bei atmosphärischem Druck im Lichtweg außerhalb der Kammer zurückzuführen sind, wurde von Mucha, ISA Transactions, Band 25, Nr. 3, S. 25 (1986), erkannt. Mucha erwähnt außerdem die Existenz einer optimalen Modulationsamplitude, die die Unterdrückung von Signalen bei atmosphärischem Druck gegen die Optimierung der Signale aufgrund von Molekülen innerhalb der Vakuumkammer abwägt. In dieser Hinsicht wurde in vorausgegangener Arbeit der vorliegend benannten Erfinder, Inman et al., Application of Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy to Trace Moisture Measurements in Gases, Anal. Chem., Band 66, Nr. 15, S. 2471–2479 (1994), die Technik von Mucha implementiert, indem Modulationsamplituden zwischen dem 1,3- und dem 1,8fachen der auf Spezies innerhalb der Kammer zurückzuführenden Linienbreite angewendet wird.
Podolska J. et al. Applied Optics, Band 32, Nr. 27, 20. September 1993, Seiten 5324–5333, beschreibt die Verwendung von Laserwellenlängenmodulation und Detektion der zweiten Oberwelle in einem Laserabsorptionsspekrometer für die in-situ-Spurengasmessung in der unteren Stratosphäre.
Durch Verwendung von unter dem Optimum liegenden Modulationsamplituden jedoch ist diese Technik mit dem Nachteil eines erheblichen Signalverlustes bis zu einem Faktor von 4 im Vergleich zu dem theoretisch erhältlichen Signal behaftet, was zu mangelnder Empfindlichkeit und Fähigkeit zum Messen von Spurenmengen von Molekülspezies in einer Vakuumkammer führt.
Um die Anforderungen der Halbleiterverarbeitungsindustrie zu erfüllen und die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines neuartigen Verfahrens zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies in einer Probe durch Oberwellendetektionsspektroskopie, die eine präzise in-situ-Bestimmung von Gasphasen-Molekülspezies in einer Probe mit einer Konzentration gestattet, die mindestens so niedrig ist wie im ppb-Bereich.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies in einer Halbleiterverarbeitungsvorrichtung durch Oberwellendetektionsspektroskopie unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Systems zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies in einer Probe durch Oberwellendetektionsspektroskopie zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Halbleiterverarbeitungs vorrichtung, die das erfindungsgemäße System zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies in einer Probe durch Oberwellendetektionsspektroskopie enthält.
Dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ergeben sich bei Betrachtung der Patentschrift, der Zeichnungen und der daran angehängten Ansprüche weitere Aufgaben und Aspekte der vorliegenden Erfindung.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die obigen Aufgaben werden durch das Verfahren nach Anspruch 1 und das System nach Anspruch 16 gelöst. Dementsprechend wird ein neuartiges Verfahren zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies in einer Probe durch Oberwellendetektionsspektroskopie bereitgestellt. Das Verfahren umfaßt das Bereitstellen einer Zelle mit einem Probengebiet, das von mindestens einer Wand umschrieben wird. Die Zelle weist mindestens einen Lichteintritts-/-austrittskanal auf, wobei jeder Eintritts-/Austrittskanal ein lichtdurchlässiges Fenster mit einer Oberfläche aufweist, die dem Probengebiet zugewandt ist und so angeordnet ist, daß sie die Zelle in Umfangsrichtung abdichtet. Ein Probengas strömt durch das Probengebiet in einer Richtung parallel zu einer Zellenmittelachse, und die Zelle arbeitet bei einem unter dem atmosphärischen Druck liegenden Druck.
Eine frequenz- (oder wellenlängen-) -modulierte Lichtquelle ist bereitgestellt zum Lenken eines Lichtstrahls durch eines des mindestens einen lichtdurchlässigen Fensters in die Zelle. Die Modulationsamplitude der Lichtquelle ist auf einen Wert eingestellt, der den Wert eines Oberwellensignals in der Mitte des Absorptionsmerkmals aufgrund der detektierten Gasphasen-Molekülspezies im Probengebiet maximiert. Die Mittenfrequenz der Lichtquelle ist so justiert, daß sie entweder auf die Mitte des Absorptionsmerkmals synchronisiert ist oder wiederholt den Frequenzbereich überstreicht, der das Merkmal enthält. Dann wird ein Spektrum erzeugt, das individuell oder gemittelt aufgezeichnet werden kann.
Ein Detektor wird bereitgestellt zum Messen des durch eines des mindestens einen lichtdurchlässigen Fensters aus der Zelle austretenden Lichtstrahls. Die Lichtquelle und der Detektor sind in einer Kammer enthalten, die sich außerhalb der Zelle befindet und vom Probengebiet getrennt ist, wobei die Kammer und das Probengebiet durch mindestens eines des mindestens einen lichtdurchlässigen Fensters in optische Kommunikation miteinander versetzt werden. Der Druck in der Kammer wird auf einen Wert gesteuert, der relativ zum atmosphärischen Druck positiv ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Zahlen gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigen:
1 eine graphische Darstellung, die das Signal der zweiten Oberwelle in der Mitte des Absorptionsgebiets bei einem Gesamtdruck von 1 Atmosphäre als Funktion der Modulationsamplitude zeigt,
2A und 2B eine Querschnitts- bzw. eine Perspektivansicht eines Systems zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies gemäß der vorliegenden Erfindung,
3 eine vergleichende graphische Darstellung, die das Verhältnis des Signals der zweiten Oberwelle aufgrund von Wassermolekülen in der Außenkammer zu dem in der Innenkammer als Funktion des Drucks in der Außenkammer für drei Innenkammer-Wassermolekül-Partialdrücke zeigt,
4 eine vergleichende graphische Darstellung, die das Verhältnis des Signals der vierten Oberwelle aufgrund von Wassermolekülen in der Außenkammer zu dem in der Innenkammer als Funktion des Drucks in der Außenkammer für drei Innenkammer-Wassermolekül-Partialdrücke zeigt,
5 eine vergleichende graphische Darstellung, die das Verhältnis des Signals aufgrund von Wassermolekülen in der Außenkammer zu dem in der Innenkammer als Funktion des Drucks in der Außenkammer für die Detektion der zweiten und vierten Oberwelle und für die Detektion ohne Modulation der Lichtquellenfrequenz zeigt,
6 im Querschnitt eine Halbleiterverarbeitungsvorrichtung, die das System zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Das Oberwellendetektionsspektroskopieverfahren der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Bereitstellen einer Zelle mit einem Probengebiet, das von mindestens einer Wand umschrieben wird. In der Zelle befindet sind mindestens ein Lichteintritts-/-austrittskanal, und jeder Eintritts-/Austrittskanal enthält ein lichtdurchlässiges Fenster mit einer Oberfläche, die dem Probengebiet zugewandt ist und so angeordnet ist, daß sie die Zelle in Umfangsrichtung abdichtet. Ein Probengas strömt durch das Probengebiet in einer Richtung parallel zu einer Zellenmittelachse, und die Zelle arbeitet bei einem unter dem atmosphärischen Druck liegenden Druck.
Eine frequenz- (oder wellenlängen-) -modulierte Lichtquelle ist bereitgestellt zum Lenken eines Lichtstrahls durch eines des mindestens einen lichtdurchlässigen Fensters in die Zelle. Die Modulationsamplitude der Lichtquelle ist auf einen Wert eingestellt, der den Wert eines Oberwellensignals in der Mitte des Absorptionsmerkmals aufgrund der detektierten Gasphasen-Molekülspezies im Probengebiet maximiert. Beispielsweise im Fall der zweiten Oberwelle beträgt dieser Wert etwa das 2,2fache der Breite des Spektralmerkmals aufgrund der detektierten Gasphasen-Molekülspezies innerhalb des Probengebiets. Für die vierte Oberwelle beträgt dieser Wert etwa das 3,9fache der Breite des Spaktralmerkmals aufgrund der detektierten Gasphasen-Molekülspezies innerhalb des Probengebiets.
Die Mittenfrequenz der Lichtquelle, d.h. jene Frequenz, um die herum die Modulation erfolgt, kann entweder auf die Mitte des Absorptionsmerkmals synchronisiert sein oder wiederholt den Frequenzbereich überstreichen, der das Merkmal enthält. Es werden Spektren erzeugt, die wie gewünscht individuell oder gemittelt aufgezeichnet werden können. Wenn die Mittenfrequenz wiederholt über das interessierende Spektralgebiet geführt wird, sollten derartige Scans mit einer Rate erfolgen, die im Vergleich zu der Modulationsfrequenz langsam ist.
Ein Detektor wird bereitgestellt zum Messen des durch eines des mindestens einen lichtdurchlässigen Fensters aus der Zelle austretenden Lichtstrahls. Die Lichtquelle und der Detektor sind in einer Kammer enthalten, die sich außerhalb der Zelle befindet und vom Probengebiet getrennt ist. Die Kammer und das Probengebiet werden durch mindestens eines des mindestens einen lichtdurchlässigen Fensters in optische Kommunikation miteinander versetzt. Der Druck in der Kammer wird auf einen Wert gesteuert, der relativ zum atmosphärischen Druck positiv ist.
Die Verfahren und das System der vorliegenden Erfindung eignen sich besonders gut zum Überwinden der Probleme, die mit spektroskopischen Messungen von Molekülspezies in einer Vakuumkammer verbunden sind. Diese Probleme rühren teilweise von Störungen aufgrund von Lichtabsorption, die durch das Vorliegen der gleichen Molekülspezies in dem Lichtweg außerhalb der Vakuumkammer verursacht wird. Durch die vorliegende Erfindung haben die Anmelder insbesondere die abträglichen Effekte, die durch diese Störung verursacht werden, verhindert oder auf ein Minimum reduziert, indem sie denjenigen Teil des Lichtwegs, der sich außerhalb der Vakuumkammer/Meßzelle befindet, in eine Druckkammer verlegt haben. Die Druckkammer eignet sich für den Betrieb unter Überdrücken relativ zum atmosphärischen Druck.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 2A und 2B erörtert, die in einer Querschnitts- bzw. Perspektivansicht ein System zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies darstellen.
Das erfinderische System 200 umfaßt eine Absorptionsspektroskopiezelle 201, die eine Detektion von Molekülspezies in einer Gasprobe vor Ort gestattet. Die Zelle 201 weist ein Probengebiet 202 auf, das eine zu messende Probe enthält. Das Probengebiet wird von einer Wand oder mehreren Wänden 203 umschrieben. Die Zelle 201 enthält weiterhin eine Öffnung, die sich entlang ihrer Längsachse 204 erstreckt, die sich durch die Zelle erstreckt. Durch diese Anordnung kann eine Probe die Zelle in der Richtung parallel zu der Zellenmittelachse passieren (durch Pfeile angezeigt).
Ein oder mehrere Lichteintritts-/-austrittskanäle 205 sind in den Wänden der Zelle enthalten, wobei jeder Eintritts-/Austrittskanal ein lichtdurchlässiges Fenster 206 enthält, das dem Probengebiet zugewandt ist. Die Zellenwände und die lichtdurchlässigen Fenster dichten zusammen die Zelle in der Umfangsrichtung ab. Um eine Abdichtung zu bilden, die sich für Vakuumumgebungen eignet, kann ein O-Ring oder ein anderes konventionelles Vakuumabdichtungsmaterial verwendet werden.
Die Zelle umfaßt weiterhin mindestens eine lichtreflektierende Oberfläche 207 wie etwa einen Spiegel zum Reflektieren eines Lichtstrahls innerhalb der Zelle 201. Diese lichtreflektierende Oberfläche 207 ist bevorzugt ein poliertes Metall.
Das System enthält außerdem eine Lichtquelle 208. bei der es sich um eine frequenzmodulierte Lichtquelle handeln kann, bevorzugt einen Diodenlaser. Die Lichtquelle 208 lenkt einen Lichtstrahl 209 durch ein lichtdurchlässiges Fenster 206 in das Zellenprobengebiet 202, wo der Strahl von der lichtreflektierenden Oberfläche 207 reflektiert wird.
Eine etwaige interessierende Molekülverunreinigung kann detektiert werden, vorbehaltlich lediglich der Verfügbarkeit einer geeigneten Lichtquelle. Beispielsweise können Wasserdampf, Stickoxid, Kohlenmonoxid und Methan oder andere Kohlenwasserstoffe detektiert werden, indem die Dämpfung des Lichts von einer Diodenlaserquelle gemessen wird, die Licht mit einer für die Verunreinigung charakteristischen Wellenlänge emittiert.
Laserlichtquellen, die Licht in Spektralbereiche emittieren, in denen die interessierenden Moleküle am stärksten absorbieren, führen zu Verbesserungen bei der Meßempfindlichkeit. Insbesondere werden Lichtquellen bevorzugt, die bei Wellenlängen von über etwa 2 μm emittieren, da viele interessierende Molekülverunreinigungen in diesem Bereich starke Absorptionsbanden aufweisen.
Es kann jede geeignete wellenlängenabstimmbare Lichtquelle verwendet werden. Unter den gegenwärtig bevorzugten Lichtquellen werden Diodenlaserlichtquellen wegen ihrer geringen Linienbreite (unter etwa 10^–3 cm^–1) und ihrer relativ hohen Intensität (etwa 0,1 bis mehrere Milliwatt) bei der Emissionswellenlänge bevorzugt.
Zu Beispielen für Diodenlaser zählen Diodenlaser vom Pb-Salz- und GaAs-Typ. Der Laser vom Pb-Salz-Typ erfordert kryogene Temperaturen für den Betrieb und emittiert Infrarotlicht (d.h. eine Wellenlänge von über 3 μm), während der Diodenlaser vom GaAs-Typ in der Nähe von Raumtemperatur arbeiten kann und im Nahinfrarotbereich (0,8 – 2 μm) emittiert.
Es wurden jüngst Diodenlaser beschrieben, die zusätzlich zu GaAs Sb (oder andere Paare von III–V-Verbindungen wie AsP) enthalten (siehe „Mid-infrared wavelengths enhance trace gas sensing", R. Martinelli, Laser Focus World, März 1996, S. 77). Diese Dioden emittieren Licht bei einer Wellenlänge von über 2 μm und arbeiten bei –87,8°C. Wenngleich eine derartig tiefe Temperatur nicht zweckmäßig ist, ist sie vergleichsweise günstig gegenüber den kryogenen Temperaturen (unter –170°C), die Pb-Salz-Laser erfordern. Es wurde auch über den Betrieb von ähnlichen Lasern bei 4 μm und 12°C berichtet (siehe Lasers and Optronics, März 1996). Diodenlaser vom oben beschriebenen Typ arbeiten ganz besonders bevorzugt bei Temperaturen von mindestens –40°C. Durch die Verwendung eines thermoelektrischen Kühlers zur Temperatursteuerung bei derartigen Temperaturen werden diese Lichtquellen weniger kompliziert als die Diodensysteme für niedrigere Temperaturen. Um den Einsatz dieser Laser wünschenswerter zu machen, ist eine Verbesserung der optischen Eigenschaften im Vergleich zum gegenwärtigen Stand wichtig. Beispielsweise sollten Einmodendioden zur Verfügung stehen (d.h. Dioden, deren Emission bei einer festen Temperatur und bei einem festen Ansteuerstrom bei einer einzigen Wellenlänge liegt, wobei die Emission bei anderen Wellenlängen um mindestens 40 dB geringer ist).
Geeignete Lichtquellen zur Verwendung in der Erfindung sind nicht auf die oben beschriebenen Diodenlaser beschränkt. Beispielsweise werden andere Arten von Lasern in Betracht gezogen, die ähnliche Größe aufweisen und sich durch einfache elektrische Mittel wie etwa Faserlaser und Quantenkaskadenlaser abstimmen lassen. Die Verwendung von solchen Lasern wird in Betracht gezogen, wenn sie kommerziell verfügbar werden.
Die Lichtquellenmodulationsamplitude wird auf einen Wert gesetzt, der den Wert eines Oberwellensignals in der Mitte des Absorptionsmerkmals aufgrund der detektierten Gasphasen-Molekülspezies im Probengebiet etwa maximiert. Dieser Wert ist das 2,2fache der Breite der Spektralmerkmale aufgrund der detektierten Gasphasen-Molekülspezies im Probengebiet bei der zweiten Oberwelle. Bei der vierten Oberwelle beträgt dieser Wert das 3,9fache der Breite des Spektralmerkmals.
Die Mittenfrequenz der Lichtquelle, d.h. jene Frequenz, um die herum die Modulation erfolgt, kann entweder auf die Mitte des Absorptionsmerkmals synchronisiert sein oder wiederholt den Frequenzbereich überstreichen, der das Merkmal enthält. Es werden Spektren erzeugt, die wie gewünscht individuell oder gemittelt aufgezeichnet werden können. Wenn die Mittenfrequenz wiederholt über das interessierende Spektralgebiet geführt wird, sollten derartige Scans mit einer Rate erfolgen, die im Vergleich zu der Modulationsfrequenz langsam ist.
Um den Lichtstrahl 209 nach seinem Passieren des Probengebiets und seinem Austritt aus der Zelle durch das lichtdurchlässige Fenster zu detektieren, ist ein Detektor 210, der bevorzugt eine Photodiode ist, bereitgestellt.
Der Fachmann ist ohne weiteres in der Lage, die angemessenen Mittel zum Ausführen einer Frequenzmodulation, die Mittel zum Justieren der Mittenfrequenz der Lichtquelle und die Mittel zum Erzeugen von Spektren durch die Verwendung wohlbekannter Einrichtungen, Schaltungen und/oder Prozessoren und Mittel zu ihrer Steuerung auszulegen. Die weitere Erörterung der Ermöglichung der Frequenzmodulation und/oder -steuerung und Spektrenerzeugung entfällt hier, da davon ausgegangen wird, daß dies innerhalb des Bereichs des Durchschnittsfachmanns liegt.
Sowohl die Lichtquelle 208 als auch der Detektor 210 sind innerhalb einer Druckkammer 211 enthalten, die außerhalb der Zelle 201 angeordnet ist. Damit der Lichtstrahl zwischen der Druckkammer und dem Zellenprobengebiet passieren kann, befinden sich die Druckkammer und das Probengebiet durch mindestens ein lichtdurchlässiges Fenster in optischer Kommunikation miteinander. Die jeweiligen Atmosphären innerhalb der Druckkammer und dem Probengebiet sind jedoch voneinander getrennt.
Das System kann weiterhin Mittel zum Steuern des Drucks innerhalb der Druckkammer 211 auf einen Wert, der relativ zum atmosphärischen Druck positiv ist, enthalten. Das Druckniveau in der Druckkammer kann entweder mit oder ohne Verwendung einer Gasströmung aufrechterhalten werden. Sollte eine Gasströmung verwendet werden, so zählen reine oder inerte Gase wie etwa z.B. Stickstoff, Argon und Helium zu den geeigneten Gasen. Diese Gase können durch eine Druckgaseinlaßleitung 212 in die Druckkammer 211 eingeleitet werden. Die Druckkammer kann weiterhin eine Gasablaßleitung 213 enthalten. Außerdem kann an der Gasablaßleitung ein geeignetes Gasströmungsreduzierstück 214 wie etwa eine Öffnung oder ein Gegendruckregler enthalten sein.
Die Zelle ist bei Verwendung in Reihenschaltung mit einer Vakuumkammer und einem Vakuumpumpsystem zu einem Betrieb bei einem unter dem atmosphärischen Druck liegenden Druck, d.h. unter Vakuumbedingungen, in der Lage. Weil die Druckkammer 211 und die Zelle 201 voneinander getrennt sind, kann in diesem Fall die Druckkammer auf Drücken über atmosphärischem Druck gehalten werden.
Es wurde weiterhin bestimmt, daß der Prozentsatz des Gesamtsignals aufgrund von Molekülen in der Innenkammer relativ zum Gesamtsignal aufgrund von Molekülen in der Außenkammer maximiert werden kann, indem das Verhältnis des Drucks in der Druckkammer zum Druck in der Zelle optimiert wird. Das Verhältnis des Signals der zweiten Oberwelle aufgrund von Molekülen außerhalb der Kammer zum Gesamtsignal erhält man durch die folgende Formel:
Der Zähler ist gleich dem oben angegebenen Ausdruck für das Signal der zweiten Oberwelle aufgrund von Wasserdampf bei Vorliegen von Luft oder Stickstoff mit einem Druck von 1 Atmosphäre oder höher. Der Nenner ist die Summe des gleichen Ausdrucks mit dem zuvor angegebenen Ausdruck für das Signal der zweiten Oberwelle aufgrund von Wasserdampf unter Vakuumbedingungen.
Das Signal der vierten Oberwelle wird analog für den gleichen Fall durch die folgende Formel angegeben:
Bei dem oben Gesagten wurde davon ausgegangen, daß die Weglänge und der Wasserpartialdruck innerhalb und außerhalb der Zelle gleich sind, wenn der Druck außerhalb der Zelle 1 Atmosphäre beträgt, und daß die Konzentration des Wasserdampfs außerhalb der Zelle konstant bleibt, wenn der Druck in diesem Gebiet zunimmt (P_j ist in Atmosphären). Die Erweiterung dieser Prinzipien auf den Fall jedoch, bei dem die Weglängen und der Wasserpartialdruck verschieden sind, liegt innerhalb des Wissensbereichs des Durchschnittsfachmanns. Es wird angenommen, daß die Modulationsamplitude a in der Situation, in der die zweite Oberwelle verwendet wird, das 2,2fache der Doppler-Breite ist.
Wie in 3 gezeigt, wurde die obige Formel mit Werten der Parameter ausgewertet, die für die Absorption von Licht bei Wellenlängen in dem Bereich von 1400 nm aufgrund von Wasserdampf für eine Konzentration von Wasserdampf bei 1 ppm (nach Volumen) in Stickstoff in der Druckkammer und für Partialdrücke von 1,33·10^–4, 1,33·10^–3 und 1,33·10^–2 Pa (10^–6, 10^–5 und 10^–4 Torr) (Verhältnis 1, Verhältnis 2 bzw. Verhältnis 3) innerhalb der Zelle/Vakuumkammer angebracht sind. In 3 ist das Verhältnis des Signals der zweiten Oberwelle aufgrund von Wassermolekülen in der Außenkammer zu dem Signal in der Innenkammer als Funktion des Drucks in der Druckkammer für die drei Innenkammerpartialdrücke aufgetragen.
Diese graphische Darstellung veranschaulicht die allgemeine Beziehung einer Verringerung des Verhältnisses (d.h. eine Zunahme beim Signal aufgrund von Wasser innerhalb der Zelle relativ zu jener aufgrund von Wasser in der Druckkammer) zu einer Druckerhöhung in der Druckkammer. Beispielsweise werden bei einem Kammerdruck von einer Atmosphäre (10⁵ Pa) (0 psig) und einem Wasserdampfdruck in der Zelle/Vakuumkammer von 1,33·10^–4 Pa (10^–6 Torr) 80% des Gesamtsignals auf Wassermoleküle in der Druckkammer zurückzuführen sein. Dieses Verhältnis ist nicht akzeptabel, da es zu einem erheblichen Umfang an Störungen bei der Messung führt, es sei denn, der Partialdruck der Wassermoleküle ist außerordentlich stabil.
Um die optimale Modulationsamplitude zu verwenden, sollte deshalb der Druck in der Außenkammer so hoch wie möglich eingestellt werden, aber mindestens 5,48·10⁵ Pa (65 psig), um den Beitrag von Wasser dort auf 10% des Gesamtwerts zu reduzieren. Bei einem Wasserdampfpartialdruck von 1,33·10^–2 Pa (10^–4 Torr) in der Zelle/Vakuumkammer entfallen außerdem auf Wasser in der Druckkammer nur etwa 3% des Gesamtsignals am atmosphärischen Druck, und ein Betrieb kann unter diesen Bedingungen möglich sein. Wie in 3 gezeigt, würde man jedoch bei Erhöhung des Außendrucks auf 2,379·10⁵ Pa (20 psig) eine erhebliche Reduzierung des Beitrags von Wassermolekülen in der Außenkammer auf 0,6% des Gesamtwerts erwarten. Es ist kaum wahrscheinlich, daß weitere Erhöhungen des Drucks innerhalb der Druckkammer in diesem Fall zu einem zusätzlichen Vorteil führen würden, da andere Quellen der Instabilität zu erwarten sind, die zu Schwankungen beim Signal in der Größenordnung von 1% führen. Der Druck in der Zelle liegt bevorzugt unter 1 Torr, wenngleich man mit Zellendrücken von bis zu 10⁵ Pa (1 Atmosphäre) und zwischen 10⁵ und 5.10⁵ Pa (1 und 5 Atmosphären) in der Kammer einen gewissen Nutzen der Erfindung erzielen kann.
Es hat sich herausgestellt, daß besonders vorteilhafte und unerwartete Resultale erzielt werden können, wenn andere Oberwellen als die zweite auf die vorliegende Erfindung angewendet werden. Es hat sich sogar herausgestellt, daß man bei höheren Oberwellen eine noch bessere Unterdrückung des Signals aufgrund der Molekülspezies in der Druckkammer erhält, wenn der Druck darin erhöht wird.
4 ist eine vergleichende graphische Darstellung, die die für die Detektion der vierten Oberwelle aus der analogen Berechnung erhaltenen Ergebnisse mit denen oben unter Bezugnahme auf 3 (die sich auf die zweite Oberwelle bezieht) erörterten zeigt. In 4 ist das Verhältnis des Signals der vierten Oberwelle aufgrund von Wassermolekülen in der Druckkammer zu dem in der Innenkammer als Funktion des Drucks in der Druckkammer für drei Innenkammer-Wassermolekül-Partialdrücke von 1,33·10^–4, 1,33·10^–3 und 1,33 10^–2 Pa (10^–6, 10^–5 und 10^–4 Torr) (Verhältnis 1, Verhältnis 2 bzw. Verhältnis 3) aufgetragen. Wie man anhand dieser Figur sehen kann, zeigt die vierte Oberwelle im allgemeinen eine Abnahme des Verhältnisses bei einer Druckzunahme der Druckkammer. Bei Zunahmen über einen bestimmten Druck hinaus jedoch wird dieses Verhältnis relativ konstant, und weitere Druckzunahmen würden nicht zu weiteren erheblichen Reduzierungen bei dem Verhältnis führen.
5 veranschaulicht den relativen Nutzen, wenn die Außenkammer für den Fall der Detektion der zweiten Oberwelle (secharm) unter Druck gesetzt wird für die Detektion der vierten Oberwelle (fourharm) und die Detektion ohne jede Modulation der Lichtquellenfrequenz (nomod) für den Fall, daß der Partialdruck von Wasser und die Weglänge in der Innenkammer und der Außenkammer gleich sind. Man kann sehen, daß man dort, wo keine Modulation vorliegt, durch eine Druckbeaufschlagung keinen Vorteil erreicht. Die Detektion der zweiten Oberwelle mit atmosphärischem Druck in der Außenkammer führt zu einer 80%-igen Absorption durch Wasser in der Außenkammer, was wie bereits erwähnt inakzeptabel ist. Den Außenkammerdruck auf 5,48·10⁵ Pa (65 psig) zu erhöhen, führt zu einem Beitrag von 10% am Gesamtsignal von Wasserdampf in dieser Kammer, was akzeptabel sein sollte. Es wird in diesem Fall jedoch bevorzugt, die Detektion der vierten Oberwelle zu verwenden, die selbst dann, wenn der Druck in der Außenkammer eine Atmosphäre beträgt, zu einem Beitrag von 10% durch Wasserdampf in dieser Kammer führt und bei Kopplung mit einer bescheidenen Druckbeaufschlagung von 2,03·10⁵ Pa (15 psig) der Außenkammer den Beitrag von Wasser in dieser Kammer auf unter 1% reduzieren kann.
Das oben beschriebene neuartige System gestattet eine in-situ-Detektion von Molekülspezies in einem aus einer Vakuumkammer abgelassenen Gas und weist die Fähigkeit zum Betrieb bis zu hohen oder sogar ultrahohen Vakuumniveaus auf. In einem derartigen Fall kann die Zelle zwischen einer Vakuumkammer und dem Vakuumpumpsystem angeordnet werden. Das System ist mit einem großen Bereich von Materialien kompatibel. Beispielsweise kann die Vakuumkammer reaktive oder nichtreaktive (inerte) Gase enthalten, die sich in einem Plasmazustand oder einem Nichtplasmazustand befinden können. Zu Beispielen für reaktive Gase, die mit dem erfinderischen System kompatibel sind, zählen SiH₄, HCl und Cl₂, vorausgesetzt das Feuchtigkeitsniveau liegt unter 1000 ppm. In dem erfindungsgemäßen System können auch inerte Gase wie etwa O₂, N₂, Ar und H₂ verwendet werden. Wenn das erfindungsgemäße System in einer Plasmaumgebung verwendet wird, ist das System bevorzugt etwa 0,1524 m (6 Inch) oder mehr von der Plasmazone entfernt angeordnet, um die Ausbildung von Abscheidungen an den Fenstern und anderen Zellenoberflächen auf ein Minimum zu reduzieren.
Weil das oben unter Bezugnahme auf die 2A und 2B beschriebene System in einer Vielzahl von Atmosphären verwendet werden kann, eignet sich das System besonders gut für den Einsatz bei der Überwachung von Molekülspezies in einer Halbleiterverarbeitungsvorrichtung. Die Verwendung des Systems in Verbindung mit einer Halbleiterverarbeitungsvorrichtung gestattet die insitu-Detektion von Gasphasen-Molekülverunreinigungen in Echtzeit, was beim Minimieren von Ausbeuteverlusten von besonderer Wichtigkeit ist.
Ein Beispiel für eine derartige Konfiguration ist in 6 gezeigt. Die dargestellte Vorrichtung 615 umfaßt eine Vakuumkammer 616, in der ein Halbleitersubstrat 617 auf einer Substrathalterung 618 angeordnet ist. Ein Prozeßgaseinlaß 619 ist zum Zuführen eines Gases oder mehrerer Gase zu der Vakuumkammer vorgesehen. Die Vakuumkammer wird durch eine Austrittsöffnung 620 in der Vakuumkammer evakuiert. Eine nicht gezeigte Vakuumpumpe zum Evakuieren der Vakuumkammer ist entweder direkt oder durch eine Vakuumleitung an die Kammer angeschlossen. Eine Pumpaustrittsleitung kann an die Pumpe angeschlossen werden, die an eine weitere Pumpe oder an einen Gaswäscher angeschlossen sein kann. Beispiele für Vakuumpumpen, die verwendet werden können, sind mechanische, Druckverstärkerpumpen, Kreiselpumpen, Diffusionspumpen, kryogene Pumpen, Sorbtionspumpen und Turbomolekularpumpen. Das System wurde oben unter Bezugnahme auf die 2A und 2B ausführlich beschrieben.
Wenngleich das erfindungsgemäße System 600 so dargestellt worden ist, daß es unter der Vakuumkammer angeordnet ist, erkennt der Fachmann ohne weiteres, daß auch andere Orientierungen möglich sind. Wenngleich die Struktur der Halbleiterverarbeitungsvorrichtung in 6 generisch gezeigt worden ist, versteht der Fachmann ohne weiteres, daß das System auf praktisch alle Halbleiterverarbeitungsvorrichtungen angewendet werden kann, die ein Vakuumsystem verwenden. Beispiele für derartige Vorrichtungen sind Ätz-, Diffusions-, chemische Dampfabscheidungs- (CVD), Ionenimplantierungs-, Sputter- und schnelle thermische Verarbeitungsvorrichtungen.
Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf ihre spezifischen Ausführungsformen ausführlich beschrieben worden ist, ist dem Fachmann offensichtlich, daß zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen und Äquivalente verwendet werden können, ohne von dem Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies in einer Probe durch Oberwellendetektionsspektroskopie, umfassend: – Bereitstellen einer Zelle (201) mit einem Probengebiet (202), das von mindestens einer Wand (203) umschrieben wird, wobei sich in der Zelle (201) mindestens ein Lichteintritts-/-austrittskanal (205) befindet, wobei jeder Eintritts-/Austrittskanal (205) ein lichtdurchlässiges Fenster (206) mit einer Oberfläche aufweist, die dem Probengebiet (202) zugewandt ist und so angeordnet ist, daß sie die Zelle (201) in Umfangsrichtung abdichtet, wobei die Zelle (201) bei atmosphärischem Druck oder weniger arbeitet; – Bereitstellen einer frequenz- und/oder amplitudenmodulierten Lichtquelle (208) zum Lenken eines Lichtstrahls (209) durch eines des mindestens einen lichtdurchlässigen Fensters (206) in die Zelle (201); – Bereitstellen eines Detektors (210) zum Messen des Lichtstrahls (209), der durch eines des mindestens einen lichtdurchlässigen Fensters (206) aus der Zelle (201) austritt; wobei: – ein Probengas durch das Probengebiet (202) in eine Richtung parallel zu einer Zellenmittelachse (204) strömt; – die Modulationsamplitude der Lichtquelle (208) auf einen Wert eingestellt ist, der den Wert eines Oberwellensignals in der Mitte des Absorptionsmerkmals aufgrund der detektierten Gasphasen-Molekülspezies im Probengebiet (202) maximiert; – die Mittenfrequenz der Lichtquelle (208) so justiert ist, daß sie entweder auf die Mitte des Absorptionsmerkmals synchronisiert ist oder wiederholt den Frequenzbereich überstreicht, der das Merkmal enthält, wobei Spektren erzeugt werden, die wie gewünscht individuell oder gemittelt aufgezeichnet werden können; – die Lichtquelle (208) und der Detektor (210) in einer Kammer (211) enthalten sind, die sich außerhalb der Zelle (201) befindet und vom Probengebiet (202) getrennt ist, wobei die Kammer (211) und das Probengebiet (202) durch mindestens eines des mindestens einen lichtdurchlässigen Fensters (206) in optische Kommunikation miteinander versetzt werden, und Steuern des Drucks innerhalb der Kammer (211) auf einen Wert, der relativ zum atmosphärischen Druck positiv ist.
Verfahren zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach Anspruch 1, wobei das Oberwellensignal ein zweites Oberwellensignal ist und die Modulationsamplitude auf das 2,2fache der Breite des Spektralabsorptionsmerkmals aufgrund der detektierten Gasphasen-Molekülspezies im Probengebiet (202) eingestellt ist.
Verfahren zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach Anspruch 1, wobei das Oberwellensignal ein viertes Oberwellensignal ist und die Modulationsamplitude auf das 3,9fache der Breite des Spektralabsorptionsmerkmals aufgrund der detektierten Gasphasen-Molekülspezies im Probengebiet (202) eingestellt ist.
Verfahren zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin mit dem Steuern des Drucks innerhalb der Kammer (211), um den Prozentsatz des gemessenen Signals aufgrund der detektierten Gasphasen-Molekülspezies in der Kammer (211) zu maximieren.
Verfahren zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach Anspruch 4, wobei der Druck in der Kammer (211) durch Verwendung eines Lochs oder eines Gegendruckreglers gesteuert wird.
Verfahren zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem weiterhin ein unter Druck setzendes Gas in die Kammer (211) eingeleitet und wahlweise Gas aus der Kammer (211) abgelassen wird.
Verfahren zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die frequenz- und/oder amplitudenmodulierte Lichtquelle (208) ein Diodenlaser ist.
Verfahren zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Molekülspezies Wasserdampf ist.
Verfahren zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Molekülspezies in einem aus einer Kammer (616) oder aus einer bei etwa atmosphärischem Druck betriebenen Kammer abgelassenen Gas detektiert wird.
Verfahren zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach Anspruch 9, wobei die Zelle (201) zwischen einer Kammer (616) und einer Vakuumpumpe angeordnet ist und mit diesen in Verbindung steht.
Verfahren zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach Anspruch 10, wobei die Kammer (616) eine Partie einer Halbleiterverarbeitungsvorrichtung (615) bildet.
Verfahren zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach Anspruch 11, wobei die Halbleiterverarbeitungsvorrichtung (615) ausge wählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Ätzvorrichtung, einer chemischen Dampfabscheidungsvorrichtung, einer Ionenimplantierungsvorrichtung, einer Sputtervorrichtung und einer Vorrichtung zur schnellen thermischen Bearbeitung.
Verfahren zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiterhin mit dem Erzeugen eines Plasmas in der Kammer (616).
Verfahren zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach einem der Ansprüche 1 bis 13, weiterhin mit dem Einleiten eines reaktiven Gases in die Kammer (616).
Verfahren zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach Anspruch 11, wobei die Vakuumpumpe die Kammer (616) evakuiert.
System zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies in einer Probe durch Oberwellendetektionsspektroskopie, umfassend: – eine Zelle (201) mit einem Probengebiet (202), das von mindestens einer Wand (203) umschrieben wird und mit mindestens einem Lichteintritts-/-austrittskanal (205) darin, wobei jeder Eintritts-/Austrittskanal (205) ein lichtdurchlässiges Fenster (206) mit einer Oberfläche aufweist, die dem Probengebiet (202) zugewandt ist und so angeordnet ist, daß sie die Zelle (201) in Umfangsrichtung abdichtet, wobei die Zelle (201) bei weniger als atmosphärischem Druck arbeiten kann, – ein System mit frequenz- und/oder amplitudenmodulierter Lichtquelle (208), das eine Lichtquelle (208) umfaßt, um einen Lichtstrahl (209) durch eines des mindestens einen lichtdurch lässigen Fensters (206) in die Zelle (201) zu lenken, – einen Detektor (210) zum Messen des durch eines des mindestens einen lichtdurchlässigen Fensters (206) aus der Zelle (201) austretenden Lichtstrahls (209), wobei: – eine Öffnung sich entlang der Längsachse (204) der Zelle und durch die Zelle (201) erstreckt; – dieses System Mittel zum Einstellen der Modulationsamplitude der Lichtquelle (208) auf einen Wert umfaßt, der den Wert eines Oberwellensignals in der Mitte des Absorptionsmerkmals aufgrund der detektierten Gasphasen-Molekülspezies innerhalb des Probengebiets (202) maximiert; – dieses System Mittel zum Justieren der Mittenfrequenz der Lichtquelle (208) aufweist, so daß sie entweder auf die Mitte des Absorptionsmerkmals synchronisiert ist oder wiederholt den Frequenzbereich überstreicht, der das Merkmal enthält, Mittel zum Erzeugen von Spektren, die individuell oder gemittelt aufgezeichnet werden können; – die Lichtquelle (208) und der Detektor (210) in einer Kammer (211) enthalten sind, die sich außerhalb der Zelle (201) befindet und vom Probengebiet (202) getrennt ist, wobei die Kammer (211) und das Probengebiet (202) durch mindestens eines des mindestens einen lichtdurchlässigen Fensters (206) in optische Kommunikation miteinander versetzt werden, und Mittel zum Steuern des Drucks innerhalb der Kammer (211) auf einen Wert, der relativ zum atmosphärischen Druck positiv ist.
System zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach Anspruch 16, wobei das Oberwellensignal ein zweites Oberwellensignal ist und die Modulationsamplitude das 2,2fache der Breite des Spektralabsorptionsmerkmals aufgrund der detek tierten Gasphasen-Molekülspezies im Probengebiet (202) beträgt.
System zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach Anspruch 16, wobei das Oberwellensignal ein viertes Oberwellensignal ist und der optimale Wert der Modulationsamplitude das 3,9fache der Breite des Spektralabsorptionsmerkmals aufgrund der detektierten Gasphasen-Molekülspezies im Probengebiet (202) beträgt.
System zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei der Druck innerhalb der Kammer (211) so eingestellt ist, daß der Prozentsatz eines Gesamtsignals aufgrund der detektierten Gasphasen-Molekülspezies in der Kammer (211) maximiert ist.
System zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das Druckkontrollmittel der Kammer (211) einen Einlaß für unter Druck setzendes Gas und einen Abgasauslaß umfaßt, die mit der Kammer (211) verbunden sind.
System zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach Anspruch 16, wobei das Drucksteuermittel der Kammer (211) weiterhin ein Loch oder einen Gegendruckregler umfaßt.
System zum Detektieren von Gasphasen-Molekülspezies nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei die frequenz- und/oder amplitudenmodulierte Lichtquelle (208) ein Diodenlaser ist.
Halbleiterverarbeitungsvorrichtung (615), die folgendes umfaßt: – eine Kammer (616) und eine Vakuumpumpe in Verbindung damit zum Evakuieren der Kammer; – ein System nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei die Zelle (201) zwischen der Kammer (616) und der Vakuumpumpe angeordnet ist und mit diesen in Verbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die Kammer (616) dafür ausgelegt ist, eine Plasmaatmosphäre zu enthalten.
Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, wobei die Kammer (616) dafür ausgelegt ist, eine Atmosphäre aus reaktivem Gas zu enthalten.
Ätzvorrichtung, die eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25 enthält.
Chemische Dampfabscheidungsvorrichtung, die eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25 enthält.
Ionenimplantierungsvorrichtung, die eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25 enthält.
Sputtervorrichtung, die eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25 enthält.
Vorrichtung zur schnellen thermischen Verarbeitung, die eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25 enthält.