JP2012529639A - 気体を分析するための装置および方法ならびに関連測定ステーション - Google Patents

Abstract

本発明は、分析されるべき気体の濃度を判定するための気体分析装置を備える、半導体基板の輸送容器内の気体の汚染を測定するためのステーションであって、前記分析装置が、希釈係数（Ｄ）によって分析されるべき気体の流れ（Ｑ）を希釈するように構成された希釈ユニット（３）と、ポンピングによって希釈された気体の流れ（Ｑａ）をサンプリングするためにサンプリングパイプ（７）を介して希釈ユニット（３）と連通しており、サンプリングされた希釈された気体の流れ（Ｑａ）を分析し、前記分析された希釈された気体の流れ（Ｑａ）および希釈係数（Ｄ）によって分析されるべき気体の流れ（Ｑ）の濃度（Ｃ）を判定するための少なくとも１つの処理手段を備える分析ユニット（５）とを備える、気体の汚染を測定するためのステーションに関する。本発明はさらに、関連する気体分析方法に関する。

Description

本発明は、気体を分析するための装置および方法に関する。本発明はまた、関連測定ステーションに関する。

知られている気体分析装置は、例えば、半導体基板の搬送および大気中保管のための輸送容器の出口において、またはさらに１「ｐｐｂ」（十億分率）程度の微量の気体の存在を検出するためのフィルタの入口もしくは出口において、分析されるべき特定の気体の流れをサンプリングする。

知られているやり方では、分析装置は、サンプリングされた気体の流れを分析ユニットまたは分析器に搬送するためのサンプリングポンプを備える。

これらの分析装置は、その動作範囲および不確実性が、使用される分析技術によってならびに校正手段によって決められる。さらに、これらの分析装置は、分析されるべき気体のそれぞれの範囲の濃度に関してしか正しく機能しない。したがって、各分析装置の最適動作範囲は、分析されるべき気体の性質に応じて変わる。

これは、所望の測定範囲に応じていくつかの分析装置を必要とするという欠点を有する。この欠点からコストの問題および全体の大きさの問題が生じる。さらに、これは、分析装置の選択を最適化するために気体の濃度範囲を非常に正確に知ることを必要とする。

さらに、所与の範囲の濃度では、分析装置は、一般に、１つまたは複数のマルチウェイバルブを介してマルチプレックスすることによって、様々な気体の流れを分析することができる。例えば、分析装置は、第１の気体の流れの濃度が第２の気体の流れの濃度より高い、第１の気体の流れおよび第２の気体の流れの分析を実行することができる。

しかし、分析ユニットが最初により高い濃度の第１の気体の流れを受け取った場合は、分析ユニットおよびサンプリングポンプは、例えば、分析されるべき気体の流れを汚染することになる、ポンプ内の詰まりまたはポンプ内に蓄積された化合物の脱気のために、汚染される可能性がある。この汚染は、分析の品質の低下を引き起こす可能性がある。

さらに、第２の気体の流れの分析を実行する前に残留気体を除去するために、比較的長い応答時間が必要である可能性がある。

本発明の目的は、拡大された動作範囲および縮小された応答時間を有し、様々な範囲の濃度を有する気体の分析によるその汚染の問題が低減される、最適化された性能を有する気体分析装置を提案することである。

この目的のために、本発明は、分析されるべき気体の濃度を判定するための気体分析装置を備えた、半導体基板用の輸送容器内の気体の汚染を測定するためのステーションであって、前記分析装置が、
− 希釈係数によって分析されるべき気体の流れを希釈するように構成された希釈ユニットと、
− ポンピングによって希釈された気体の流れをサンプリングするためにサンプリングパイプを介して希釈ユニットと連通しており、
サンプリングされた希釈された気体の流れを分析し、
前記分析された希釈された気体の流れおよび希釈係数から、分析されるべき気体の流れの濃度を判定する
ための少なくとも１つの処理手段を備える分析ユニット（５）と
を備える、気体の汚染を測定するためのステーションに関する。

分析されるべき気体の流れの希釈を多様にすることによって一定の流れおよび比較的低い濃度が分析ユニットのレベルにおいて維持され、これは、様々な範囲の濃度を有するいくつかの気体のために同じ分析ユニットを使用することを可能にする。

さらに、純粋の希釈されていない気体の流れを分析する装置に比べてサンプリングパイプ内の残留気体を除去するために必要な待ち時間が短いので、ユニットの応答時間の改善が観察される。

そのような分析装置は、さらに、そこを通過する気体の流れが常に希釈されているので、分析ユニットおよびサンプリングパイプの汚染のリスクを低減することを可能にする。

半導体基板用の輸送容器の気体の汚染を測定するためのステーションは、以下の特徴のうちの１つまたは複数を、別々にまたは組み合わせて、さらに備えることができる気体分析装置を備える：
− 分析ユニットが、１ｐｐｂ（十億分率）程度の濃度を測定する気体分析器を備えること。
− 希釈ユニットが、前記パイプに関してブランチとして接続されていること。
− 希釈ユニットが、前記パイプに関してブランチとして接続されている複数の希釈チャンネルを備え、各希釈チャンネルがそれぞれ希釈係数に関連付けられていること。
− 各稀釈チャンネルが、
分析されるべき前記気体の流れを希釈するために中性気体の流れを前記パイプに注入する手段と、
希釈された気体の流れをポンピングして、それを前記パイプ内の一定の流れを維持するようなやり方で前記パイプから抽出する手段と
を有すること。
− 各希釈チャンネルがそれぞれ分析されるべき気体の流れの希釈に関連すること。
− 少なくとも２つの希釈チャンネルが分析されるべき気体の流れの希釈のために結合されること。
− 前記分析装置が、一方では、フィルタの入口において気体の流れを分析し、他方では、フィルタの出口において気体の流れを分析するように構成されること。

本発明はまた、以下のステップを備える、分析されるべき気体の濃度を判定するための気体分析方法に関する：
− 希釈係数が判定されるステップ。
− 分析されるべき気体の流れを希釈するようなやり方で、予め決められた中性気体の流れが注入され、希釈された気体の流れがポンピングされるステップ。
− 希釈された気体の流れがポンピングによってサンプリングされるステップ。
− サンプリングされた希釈された気体の流れが分析されるステップ。
− 分析されるべき気体の流れの濃度が、前記分析された希釈された気体の流れおよび希釈係数から判定されるステップ。

前記分析方法は、希釈係数が、分析されるべき気体の濃度の範囲の濃度の最大値の関数として判定される準備ステップを備えることができる。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照することによって、本来、例としてであって限定としてではなく提供される、以下の説明から明らかになるであろう。

第１の実施形態による気体分析装置を示す図である。 第２の実施形態による気体分析装置を示す図である。 第３の実施形態による気体分析装置を示す図である。 気体を分析するための方法の様々なステップを示す図である。

これらの図では、事実上同一の要素は、同じ参照符号を有する。

図１は、分析されるべき気体、例えば５０００ｐｐｂ程度の濃度を有するアンモニア気体の濃度を判定するための分析装置１を示す。より正確には、気体混合物では、そのような分析装置１は、低い比率でも、気体の流れＱから所与の気体の濃度を判定することができる。気体の流れＱの値は、以下の等式（１）によって確認される。
（１） Ｑ＝Ｓ＊Ｐ（ここで、Ｑ＝気体の流れ、Ｓ＝ポンピング速度、Ｐ＝圧力）。

例として、分析装置１は、０から５０ｐｐｂの動作範囲を有する分析ユニット５を備える。したがって、例えばアンモニア気体の分析は、気体が少なくとも１００倍で希釈されることを必要とする。

これを実行するために、分析装置１は、サンプリングパイプ７を介して分析装置５と連通する、希釈係数Ｄによって分析されるべき気体の流れＱを希釈するためのユニット３を備える。

分析のための希釈された気体の流れＱａをサンプリングするために、図示されていないポンプが提供され、このポンプはパイプ７に接続されていてもよく、分析ユニット５と統合されていてもよく、分析ユニット５の上流または下流に配置されていてもよい。分析のためのサンプリングされた希釈された気体の流れＱａは、分析ユニット５によって課される。

分析ユニット５は、少なくとも以下のことのための処理手段を備える：
− サンプリングされた希釈された気体の流れＱａを分析すること、および
− 分析された希釈された気体の流れＱａおよび希釈係数Ｄから、分析されるべき気体の流れＱの濃度を判定すること。

例えば、分析ユニット５は、サンプリングされた希釈された気体の流れＱａの濃度Ｃｍ（図４）を測定するための気体分析器（図示せず）を備える。

リアルタイムで、すなわち、非常に短い時間で、および（１ｐｐｂ程度の）微量状態の非常に低いレベルの気体汚染を検出するのに十分に敏感なやり方で、分析を実行するために、１つの可能性は、イオンの移動度が、例えば、ＩＭＳ（イオン移動度分光計）計測原理によって、またはＩＡＭＳ（イオン付着質量分析装置）技術によって測定される、気体分析器を使用することである。

さらに、分析ユニット５は、サンプリングされた希釈された気体の流れＱａの測定された濃度Ｃｍに希釈係数Ｄを乗ずることによって、分析されるべき気体の流れＱの濃度Ｃを計算するための手段（図示せず）を備える。

この希釈係数Ｄは、分析ユニット５によって分析されたサンプリングされた希釈された気体の流れＱａが分析ユニット５の動作範囲に対応するように判定される。これを実行するために、有することが可能である分析されるべき気体の濃度の範囲の最大濃度値が判定され、希釈係数Ｄがこの値によって決められる。

したがって、希釈係数Ｄは、分析されるべき気体の濃度の範囲ごとに適応されることが可能であることが理解される。したがって、様々な範囲の濃度を有する分析されるべきいくつかの気体では、希釈は、１つの同じ分析ユニットが使用されることが可能であるようなやり方で、様々である。

さらに、希釈された気体しか分析ユニット５のポンプおよび分析ユニット５を通過せず、これは分析ユニットの測定品質を低下させるリスクを低減する。さらに、比較的低い濃度値がこの分析ユニット５内で維持されるので、希釈は、分析ユニット５の重大な汚染を回避することを可能にする。

図１から３を参照すると、希釈ユニット３は、パイプ７に関してブランチ接続された１つまたは複数の希釈チャンネル９を有することができる。これらの希釈チャンネル９は、図１から３に破線で描かれたボックス内に示されている。

図１に示されている例では、希釈ユニット３は、単一の希釈チャンネル９を備える。この希釈チャンネル９は、パイプ７に接続されている２つのブランチを備える。

第１のブランチは、分析されるべき気体の流れＱを希釈するために中性気体の流れＱｉをパイプ７に注入する手段１１を有する。用語「中性気体」は、ここでは、窒素などの不活性気体であると解釈される。注入された中性気体の流れＱｉの値は、装置がセットアップされている設置環境から利用可能な流れによって限定される。中性気体の流れＱｉの値は、動作コストおよび設置環境の大きさを考慮しながらできるだけ大きいように判断して選択される。さらに、分析器の近くに注入される流れが多すぎると、分析器は妨害される。

第２のブランチは、分析されるべき気体の流れＱをパイプ７から排出することを可能にするポンピング手段１３を有する。分析されるべき気体の流れＱの値は、等式（２）によって希釈係数Ｄおよび中性気体の流れＱｉから得られる。

一方、ポンピング手段１３は、パイプ７内で一定の流れを維持するようなやり方で、パイプ７から希釈された気体の流れＱｐを抽出することを可能にする。

次いで、ポンピングされた希釈された気体の流れＱｐが等式（３）を使用して計算される。
（３）Ｑ＝−（Ｑｉ＋Ｑｐ＋Ｑａ）

例として、４．５ｓｌｍの注入された中性気体の流れＱｉ（ｓｌｍ＝「標準リットル／分」、すなわちＬ．ｍｉｎ^−１、１ｓｌｍ＝１．６８８３Ｐａ．Ｍ^３．ｓ^−１の流れ）、−４．５ｓｌｍのポンピングされた希釈された気体の流れＱｐ、および０．５ｓｌｍの分析されるべきサンプリングされた気体の流れＱａでは、分析されるべき気体の流れＱは、等式（３）によって０．５ｓｌｍに等しい。

希釈係数Ｄに関しては、これは等式（２）によって１０に等しい。

分析装置１は、注入された中性気体の流れＱｉ、ポンピングされた希釈された気体の流れＱｐ、および分析のためにサンプリングされた希釈された気体の流れＱａをそれぞれ調整することを可能にする流量計１５をさらに備えることができる。

これらの様々な流れを制御し変更するための制御手段（図示せず）によって、これらの流量計１５の自動制御を提供することが可能である。

変形形態として、これらの流れは、マイクロリークによって判定されることが可能である。

図２は、希釈ユニット３が、分析装置１の第１のブランチ１ａ上に第１の希釈チャンネル９ａを備え、分析装置１の第２のブランチ１ｂ上に第２の希釈チャンネル９ｂを備え、これら２つの希釈チャンネル９ａおよび９ｂがパイプ７に関してブランチ接続されている、第２の実施形態を示す。

図２に見られるように、これら２つのブランチ１ａおよび１ｂは、平行して接続されており、分析されるべき気体の流れＱ１またはＱ２の導入のために共通点Ａから始まり、分析ユニット５の入口における共通点において再度相互に結合する。

この目的のために、分析装置１は：
− 実行されるべき分析によって、分析されるべき気体の流れＱ１またはＱ２を対応するブランチに送り込むための第１のマルチウェイバルブ１７ａ、および
− 実行されるべき分析によって、第１のブランチ１ａまたは第２のブランチ１ｂから、分析されるべき希釈された気体の流れＱａ１およびＱａ２をサンプリングすることを可能にする第２のマルチウェイバルブ１７ｂ、を備える。

各希釈チャンネル９ａ、９ｂは、それぞれ第１の関連希釈係数Ｄ１および第２の関連希釈係数Ｄ２によって、分析されるべき気体の流れを希釈するように構成されることが可能である。この場合、分析されるべき気体ごとに、関連する希釈チャンネル９ａまたは９ｂが使用され、同じ分析ユニット５が使用される。したがって、分析されるべき気体の流れＱの濃度を判定するために、使用される希釈チャンネル９ａまたは９ｂに関連付けられた希釈係数Ｄ１またはＤ２が考慮される。

例として、分析ユニット５は、Ｑａ＝０．３ｓｌｍの分析されるべき希釈された流れを課す。

第１の希釈チャンネル９ａが、分析されるべき気体の第１の範囲の濃度に関連付けられているときは、第１の希釈係数Ｄ１は、この範囲の濃度の最大濃度に基づいて判定され、例えばＤ１＝１０である。

希釈のために注入されるべき中性気体の流れＱｉ１が課され、例えばＱｉ１＝２．７ｓｌｍである。

流れＱ１の値は、第１の希釈係数Ｄ１および中性気体の流れＱｉ１から得られ（等式（２））、この例では、Ｑ１＝０．３ｓｌｍである。

次いで、気体の流れＱ１を希釈するためにポンピングされるべき希釈された流れの値Ｑｐ１が計算され（等式（３））、この例では、Ｑｐ１＝−２．７ｓｌｍである。

希釈されたサンプリングされた気体の流れＱａ１が分析された後は、分析されるべき気体の流れＱ１の濃度は、第１の希釈係数Ｄ１から判定される。

同様に、第２の希釈チャンネル９ｂが第２の範囲の濃度に関連付けられているときは、第２の希釈係数Ｄ２は、この範囲の濃度の最大濃度から判定され、例えばＤ２＝２０である。

希釈のために注入されるべき中性気体の流れＱｉ２が課され、例えばＱｉ２＝５．４ｓｌｍである。

流れＱ２の値は、第２の希釈係数Ｄ２および中性気体の流れＱｉ２から得られ（等式（２））、この例では、Ｑ２＝０．３ｓｌｍである。

次いで、気体の流れＱ２を希釈するためにポンピングされるべき希釈された流れＱｐ２の値が計算され（等式（３））、この例では、Ｑｐ２＝−５．４ｓｌｍである。

希釈されたサンプリングされた気体の流れＱａ２が分析された後は、分析されるべき気体Ｑ２の濃度は、第２の希釈係数Ｄ２から判定される。

変形形態として、分析されるべき気体ごとに、より正確には濃度の範囲ごとに、１つまたは複数の希釈チャンネルに関連付けられるように提供することが可能である。

図３に示されている第３の実施形態によれば、所与の範囲の気体濃度では、
パイプ７に関してブランチ接続されている希釈チャンネルのすべて、例えば第１の希釈チャンネル９ａおよび第２の希釈チャンネル９ｂを結合することが可能である。この場合、希釈チャンネルは、共通のブランチ、この場合は分析装置１のブランチ１ｂ上で、連続して接続される。

さらに、分析されるべき気体の流れＱが希釈されてはならないときは、分析装置１は、分析されるべき気体の流れＱのための希釈チャンネルを有しないバイパスブランチ１ａを備える。

例えば、気体の濃度の範囲が知られていない場合は、希釈チャンネル９ａおよび９ｂは２つとも最初から結合され、希釈された気体のサンプリングされた流れＱａの濃度Ｃｍが低すぎるので判定されることが不可能な場合は、気体の流れＱは、希釈チャンネルを備えないバイパスブランチに送り込まれる。

この場合、第１のバルブ１７ａは、気体の流れＱまたはＱ’を対応するブランチ１ａまたは１ｂに分配することを可能にし、第２のバルブ１７ｂは、分析のために流れＱ’または希釈された流れＱａをサンプリングすることを可能にする。

いくつかの希釈チャンネルが連続して使用されるときは、全希釈係数Ｄは、等式（３）によって、使用される各希釈チャンネルの希釈係数の積に等しいと判定される。

例えば、分析されるべき気体の第３の範囲の濃度では、分析されるべき気体Ｑを希釈するために両方の希釈チャンネル９ａおよび９ｂを結合することが可能である。この場合、等式（４）によって、全希釈係数Ｄは、第１の希釈係数Ｄ１と第２の希釈係数Ｄ２の積である。

さらに、この第３の実施形態によれば、様々な希釈係数は等しい（等式５）。
（５）Ｄｉ＝Ｄｊ（すべての値ｉ、ｊに関して）

結果として、等式（６）によって、全希釈係数Ｄから希釈係数Ｄｉの値を判定することが可能である。
（６）Ｄｉ＝^ｎ√Ｄ（ｎ＝希釈チャンネルの数）

したがって、等式（５）および（６）によって、図３に示されている例では、Ｄ１＝Ｄ２＝√Ｄである。

したがって、そのような分析装置は、一方では、フィルタの入口における気体の流れを分析し、他方では、フィルタの出口における気体の流れを分析するように構成される。実際、気体の濃度がフィルタの入口および出口において異なり、入口濃度が出口濃度よりずっと低くても、同じ分析装置が両方の測定を提供することができる。

代替形態として、そのような分析装置は、半導体基板の搬送および大気中保管のための輸送容器に入っている気体を分析するように構成されることが可能である。分析装置は、例えば、容器の汚染を測定するためのステーションの一部でよく、測定のためにそのような容器と結合される。

実際、半導体または電気機械マイクロシステム（ＭＥＭＳ）を製造するためのプロセスにおいては、ウェハなどの基板およびマスクは、通常、プロセスの段階間で、ＦＯＵＰ（フロントオープニングユニファイドポッド）タイプの横の開口部、またはＳＭＩＦ（スタンダードメカニカルインターフェース）タイプの底部の開口部を有する標準化された輸送および／または保管容器に入れて輸送および／または保管される。

これらの輸送および／または保管容器は、空気または窒素の大気圧にある。

容器に入っている気体は、基板またはさらに容器そのものの気体の汚染をモニタリングするための分析装置を備える、例えば半導体製造装置のための制御ステーションまたはさらに入口／出口室を形成するためにクリーンルームに配置された測定ステーションによって、分析されることが可能である。

したがって、前述の分析装置は、分析されるべき気体の濃度を判定するために気体を分析するための方法を使用する（図４）。

この分析方法は、１つまたは複数の希釈チャンネルの希釈係数Ｄが、分析されるべき気体の流れＱの濃度の範囲の最大濃度値の関数として判定される準備ステップ１００を備えることができる。分析されるべき気体の流れＱは、この希釈係数Ｄおよび注入されるべき中性気体の流れＱｉから判定される（等式（２））。

次いで、ステップ１１０中に、分析されるべき気体の流れＱが希釈係数Ｄによって希釈される。これを行うために、ステップ１１２において、予め決められた中性気体の流れＱｉが注入され、ステップ１１４において、希釈された気体の流れＱｐが事実上一定の圧力を維持するためにポンピングされる。ポンピングされた希釈された気体の流れＱｐは、等式（３）から計算される。

次いで、ステップ１２０において、分析装置５によって課された希釈された気体の流れＱａが、ポンピングによってサンプリングされ、次いで、ステップ１３０において、サンプリングされた希釈された気体の流れＱａが、例えばサンプリングされた希釈された気体の流れＱａの濃度Ｃｍを測定することによって分析され、その後で、ステップ１４０において、分析された希釈された気体の流れＱａおよび希釈係数Ｄから、例えば測定された濃度Ｃｍに希釈係数Ｄを乗ずることによって、分析されるべき気体Ｑの濃度Ｃを判定する。

したがって、希釈ユニットを有するそのような分析装置は、様々な範囲の濃度を有する複数の気体を分析することを可能にすることが理解される。さらに、分析されるべき気体の希釈は、汚染のリスクを防止し、分析ユニットの応答時間を低減する。

Claims (9)

1. 分析されるべき気体の濃度を判定するための気体分析装置を備える、半導体基板用の輸送容器内の気体の汚染を測定するためのステーションであって、前記分析装置が、
   希釈係数（Ｄ）によって分析されるべき気体の流れ（Ｑ）を希釈するように構成された希釈ユニット（３）と、
   ポンピングによって希釈された気体の流れ（Ｑａ）をサンプリングするためにサンプリングパイプ（７）を介して希釈ユニット（３）と連通しており、
   サンプリングされた希釈された気体の流れ（Ｑａ）を分析し、
   前記分析された希釈された気体の流れ（Ｑａ）および希釈係数（Ｄ）から分析されるべき気体の流れ（Ｑ）の濃度（Ｃ）を判定する
   ための少なくとも１つの処理手段を備える分析ユニット（５）と
   を備える、気体の汚染を測定するためのステーション。
2. 希釈ユニット（３）が前記パイプ（７）に関してブランチとして接続される、請求項１に記載の気体の汚染を測定するためのステーション。
3. 希釈ユニット（３）が、前記パイプ（７）に関してブランチとして接続された複数の希釈チャンネル（９ａ、９ｂ）を備え、各希釈チャンネル（９ａ、９ｂ）がそれぞれ希釈係数（Ｄ１、Ｄ２）に関連付けられる、請求項１または２に記載の気体の汚染を測定するためのステーション。
4. 各希釈チャンネルが、
   分析されるべき前記気体の流れ（Ｑ）を希釈するために中性気体の流れ（Ｑｉ）を前記パイプ（７）に注入する手段（１１）と、
   前記パイプ（７）において一定の流れを維持するようなやり方で、希釈された気体の流れ（Ｑｐ）を前記パイプ（７）から抽出するために希釈された気体の流れ（Ｑｐ）をポンピングする手段（１３）と
   を有する、請求項３に記載の気体の汚染を測定するためのステーション。
5. 各希釈チャンネル（９ａ、９ｂ）が、それぞれ分析されるべき気体の流れの希釈に関連する、請求項３または４に記載の気体の汚染を測定するためのステーション。
6. 少なくとも２つの希釈チャンネル（９ａ、９ｂ）が分析されるべき気体の流れの希釈のために結合される、請求項３から５のいずれか一項に記載の気体の汚染を測定するためのステーション。
7. 一方では、フィルタの入口において気体の流れを分析し、他方では、フィルタの出口において気体の流れを分析するように構成される、請求項１から６のいずれか一項に記載の気体の汚染を測定するためのステーション。
8. 分析されるべき気体の濃度を判定するための気体分析方法であって、
   希釈係数（Ｄ）が判定されるステップと、
   分析されるべき気体の流れ（Ｑ）を希釈するようなやり方で、予め決められた中性気体の流れ（Ｑｉ）が注入され、希釈された気体の流れ（Ｑｐ）がポンピングされるステップと、
   分析されるべき希釈された気体の流れ（Ｑａ）がポンピングによってサンプリングされるステップと
   サンプリングされた希釈された気体の流れ（Ｑａ）が分析されるステップと、
   分析されるべき気体の流れ（Ｑ）の濃度（Ｃ）が前記分析された希釈された気体の流れ（Ｑａ）および希釈係数（Ｄ）から判定されるステップと
   を備える、気体分析方法。
9. 希釈係数（Ｄ）が分析されるべき気体の濃度の範囲の濃度の最大値の関数として判定される準備ステップを備える、請求項８に記載の気体分析方法。

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