KR20210027267A - 전구체 전달 시스템 및 이와 관련된 방법들 - Google Patents

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조나단 로버트 바케
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Abstract

원하는 디보란 농도를 갖는 프로세싱 가스를 프로세싱 챔버의 프로세싱 볼륨에 전달하는 데 사용되는 시스템들 및 방법들이 본원에서 제공된다. 일 실시예에서, 시스템은 보란 농도 센서를 포함한다. 보란 농도 센서는 바디 및 복수의 윈도우들을 포함한다. 여기서, 복수의 윈도우들 중 개별 윈도우들은 바디의 대향 단부들에 배치되고, 바디와 복수의 윈도우들은 집합적으로 셀 볼륨을 정의한다. 보란 농도 센서는, 복수의 윈도우들 중 제1 윈도우에 근접하게, 셀 볼륨의 외측에 배치된 방사 소스, 및 복수의 윈도우들 중 제2 윈도우에 근접하게, 셀 볼륨 외측에 배치된 방사 검출기를 더 포함한다.

Description

전구체 전달 시스템 및 이와 관련된 방법들
[0001] 본 개시내용의 실시예들은 일반적으로, 전자 디바이스 제조 분야에 관한 것으로, 더 구체적으로는 내부에 원하는 디보란 농도를 갖는 프로세싱 가스를 프로세싱 챔버의 프로세싱 볼륨에 전달하는 데 사용되는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
[0002] 붕소 함유(붕소 도핑된) 재료 층들, 이를테면, 붕소 도핑된 실리콘 또는 게르마늄 반도체 층들, 붕소 도핑된 유전체 층들, 붕소 도핑된 실리콘 하드마스크 층들, 또는 붕소 도핑된 텅스텐 핵생성 층들이 전자 디바이스 제조 분야에서 널리 사용된다. 대개, 붕소 도핑된 재료 층들은 CVD(chemical vapor deposition) 프로세스를 사용하여 형성되며, 여기서 붕소 함유 가스는, 기판의 표면 상에 붕소 도핑된 재료 층을 증착하기 위해, 하나 이상의 재료 전구체 가스들과 반응하거나 또는 하나 이상의 재료 전구체 가스들의 존재에서 해리된다.
[0003] 디보란(B2H6)은 흔히, 도핑을 위한 붕소 전구체로서 선택되는데, 왜냐하면, 디보란은 다른 붕소 도펀트 소스 가스들과 비교할 때 비교적 더 낮은 온도들에서 바람직하게 해리되고, 비교적 저장 및 이송이 용이하기 때문이다. 디보란은 전형적으로, 수소(H2), 아르곤(Ar), 질소(N2), 또는 헬륨(He) 중 하나 또는 이들의 조합과 같은 희석 가스와 함께 가압 가스 실린더에 저장되어, 도핑 가스 혼합물, 즉, 붕소 도핑 가스를 형성한다. 붕소 도핑 가스는 전형적으로, 가압 가스 실린더와 CVD 프로세싱 챔버 사이에 유동적으로 커플링된 가스 전달 도관을 사용하여, 가압 가스 실린더로부터 CVD 프로세싱 챔버의 프로세싱 볼륨으로 전달된다. 불행히도, 시간의 경과에 따라, 가압 가스 실린더 내의 디보란은 바람직하지 않게 분해되어, 자유 수소 및 더 고차의 보란들을 생성하여 가압 가스 실린더 내의 디보란의 농도 감소를 초래할 것이다. 이러한 바람직하지 않은 디보란 농도 변화는, 시간의 경과에 따라, 기판 상에 형성되는 CVD 증착 재료 층들에서 바람직하지 않은, 기판마다의 붕소 농도 변동을 야기할 것이다.
[0004] 따라서, 붕소 도핑 가스 내의 디보란 농도를 모니터링 및 제어하기 위한 개선된 시스템들 및 이와 관련된 방법들이 당해 기술분야에 필요하다.
[0005] 본 개시내용의 실시예들은 일반적으로, 전자 디바이스 제조 분야에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 원하는 디보란 농도를 갖는 도핑 가스 혼합물을 프로세싱 챔버의 프로세싱 볼륨에 전달하는 데 사용되는 프로세싱 시스템들, 디보란 센서들, 및 방법들에 관한 것이다.
[0006] 일 실시예에서, 보란 농도 센서는 바디 및 복수의 윈도우들을 포함한다. 여기서, 복수의 윈도우들 중 개별 윈도우들은 바디의 대향 단부들에 배치되고, 바디와 복수의 윈도우들은 집합적으로 셀 볼륨을 정의한다. 보란 농도 센서는, 복수의 윈도우들 중 제1 윈도우에 근접하게, 셀 볼륨의 외측에 배치된 방사 소스, 및 복수의 윈도우들 중 제2 윈도우에 근접하게, 셀 볼륨 외측에 배치된 제1 방사 검출기를 더 포함한다.
[0007] 다른 실시예에서, 기판을 프로세싱하는 방법은 제1 가스 소스와 프로세싱 챔버를 유동적으로 커플링하는 가스 도관으로부터 획득된 가스 샘플 내의 디보란 농도를 결정하는 단계를 포함한다. 여기서, 디보란 농도를 결정하는 단계는 광학 센서를 사용하는 단계를 포함한다. 방법은, 제1 가스 소스로부터의 제1 가스, 제2 가스 소스로부터의 제2 가스, 또는 이 둘 모두의 유량을 변화시킴으로써, 원하는 디보란 농도를 갖는 붕소 도핑 가스를 혼합하는 단계 및 붕소 도핑 가스를 프로세싱 챔버의 프로세싱 볼륨에 전달하는 단계를 더 포함한다.
[0008] 다른 실시예에서, 기판을 프로세싱하는 방법을 위한 명령들이 저장된 컴퓨터 판독가능 매체를 특징으로 하는 프로세싱 시스템이 제공된다. 방법은 제1 가스 소스와 프로세싱 챔버를 유동적으로 커플링하는 가스 도관으로부터 획득된 가스 샘플 내의 디보란 농도를 결정하는 단계를 포함한다. 여기서, 디보란 농도를 결정하는 단계는 광학 센서를 사용하는 단계를 포함한다. 방법은, 제1 가스 소스로부터의 제1 가스, 제2 가스 소스로부터의 제2 가스, 또는 이 둘 모두의 유량을 변화시킴으로써, 원하는 디보란 농도를 갖는 붕소 도핑 가스를 혼합하는 단계 및 붕소 도핑 가스를 프로세싱 챔버의 프로세싱 볼륨에 전달하는 단계를 더 포함한다.
[0009] 본 개시내용의 상기 열거된 특징들이 상세히 이해될 수 있는 방식으로, 앞서 간략히 요약된 본 개시내용의 보다 구체적인 설명이 실시예들을 참조로 하여 이루어질 수 있는데, 이러한 실시예들의 일부는 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 개시내용의 단지 전형적인 실시예들을 예시하는 것이므로 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 주목되어야 하는데, 이는 본 개시내용이 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
[0010] 도 1은 일 실시예에 따른, 본원에서 제시되는 방법들을 실시하도록 구성된 기판 프로세싱 시스템의 개략적인 단면도이다.
[0011] 도 2a는 도 1에서 설명된 기판 프로세싱 시스템에 사용될 수 있는, 일 실시예에 따른 광학 센서의 개략적인 단면도이다.
[0012] 도 2b는 도 1에서 설명된 기판 프로세싱 시스템에 사용될 수 있는, 다른 실시예에 따른 광학 센서의 개략적인 단면도이다.
[0013] 도 3은 디보란의 UV 흡수 스펙트럼을 예시하는 그래프이다.
[0014] 도 4a는 디보란의 IR 흡수 스펙트럼을 예시하는 그래프이다.
[0015] 도 4b는 테트라보란의 IR 흡수 스펙트럼을 예시하는 그래프이다.
[0016] 도 5는 일 실시예에 따른, 다양한 농도들의 디보란 및 테트라보란을 갖는 가스 샘플들을 통과하는 방사의 감쇠를 개략적으로 예시하는 그래프이다.
[0017] 도 6a는 도 1에서 설명된 기판 프로세싱 시스템에 사용될 수 있는, 다른 실시예에 따른 광학 센서의 개략적인 단면도이다.
[0018] 도 6b는 도 1에서 설명된 기판 프로세싱 시스템에 사용될 수 있는, 다른 실시예에 따른 광학 센서의 개략적인 단면도이다.
[0019] 도 7은 다른 실시예에 따른, 다양한 농도들의 디보란 및 테트라보란을 갖는 가스 샘플들을 통과하는 방사의 감쇠를 개략적으로 예시하는 그래프이다.
[0020] 도 8은 일 실시예에 따른, 기판을 프로세싱하는 방법을 제시하는 흐름도이다.
[0021] 이해를 용이하게 하기 위해, 도면들에 대해 공통인 동일한 엘리먼트들을 지정하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 실시예의 엘리먼트들 및 피처들이 추가의 언급없이 다른 실시예들에 유익하게 통합될 수 있음이 고려된다.
[0022] 본 개시내용의 실시예들은 일반적으로, 전자 디바이스 제조 분야에 관한 것이다. 특히, 본원의 실시예들은, 원하는 디보란 농도를 갖는 붕소 도핑 가스를 프로세싱 챔버의 프로세싱 볼륨에 전달하는 데 사용되는 방법들, 보란 농도 센서들, 및 프로세싱 시스템들에 관한 것이다.
[0023] 보란 도핑된 재료들을 증착하기 위한 전형적인 반도체 디바이스 제조 프로세스에서, 디보란은 디보란 가스 소스로부터 프로세싱 챔버의 프로세싱 볼륨에 전달된다. 디보란 가스 소스는 대개, 수소(H2), 아르곤(Ar), 질소(N2), 또는 헬륨(He)과 같은 희석 가스 및 디보란을 포함하는 가압 실린더이다. 불행히도, 시간의 경과에 따라, 실린더 내의 디보란은 수소 및 더 고차의 보란들, 예컨대 테트라보란으로 분해되어, 프로세스 챔버에 전달되는 디보란 대 희석 가스의 비율의, 바람직하지 않고 제어가능하지 않은 변동을 야기할 것이다. 따라서, 본원의 실시예들은, 원하는 그리고 알려진 디보란 농도를 갖는 붕소 도핑 가스를 제공하기 위해, 가압 실린더에 의해 제공되는 가스를 추가적인 희석 가스와 추가로 혼합함으로써, 디보란 가스 소스로부터의 디보란 농도의 변동들을 보상한다.
[0024] 여기서, 붕소 도핑 가스의 디보란 농도는 바람직하게, 본원에서 제공된 보란 농도 센서들 중 하나 이상에 의해 획득된 인-시튜(in-situ) 측정치들을 사용하여 제어된다. 전형적으로, 하나 이상의 보란 농도 센서들은 광-흡수 기반 센서들, 즉, 광학 분광계들이다. 광-흡수 기반 센서들은, 가스 샘플 내의 디보란, 테트라보란, 또는 이 둘 모두와 같은 보란 분자들에 의한 UV 또는 IR 방사(센서의 방사 소스에 의해 방출됨)의 흡수를 선택적으로 측정하도록 구성된다. 그런 다음, 측정된 흡수(들)로부터 디보란 및 테트라보란 분자들 중 하나 또는 둘 모두의 농도가 결정된다.
[0025] 도 1은 일 실시예에 따른, 본원에서 제시되는 방법들을 실시하도록 구성된 기판 프로세싱 시스템(100)의 개략적인 단면도이다. 프로세싱 시스템(100)은 프로세싱 챔버(101) 및 전구체 전달 시스템(102)을 특징으로 한다. 본원에서 제시된 방법들을 실시하기 위해 전구체 전달 시스템(102)과 조합되어 사용될 수 있는 다른 프로세싱 챔버들은, Producer® ETERNA CVD® 시스템, Ultima HDP CVD® 시스템, 또는 Producer® XP Precision™ CVD 시스템(이들 모두는 캘리포니아, 산타클라라의 Applied Materials, Inc.로부터 입수가능함)의 프로세싱 챔버들뿐만 아니라 다른 제조사들로부터의 적절한 프로세싱 챔버들을 포함한다.
[0026] 프로세싱 챔버(101)는 챔버 덮개 어셈블리(103), 하나 이상의 측벽들(104), 및 챔버 베이스(105)를 포함한다. 챔버 덮개 어셈블리(103)는 챔버 덮개(106), 챔버 덮개(106)에 배치된 샤워헤드(107), 및 챔버 덮개(106)와 하나 이상의 측벽들(104) 사이에 개재된 전기 절연 링(108)을 포함한다. 샤워헤드(107), 하나 이상의 측벽들(104), 및 챔버 베이스(105)는 집합적으로 프로세싱 볼륨(109)을 정의한다. 챔버 덮개(106)를 관통해 배치된 가스 유입구(110)는 전구체 전달 시스템(102)에 유동적으로 커플링된다. 복수의 개구들(111)이 관통하여 배치된 샤워헤드(107)는 전구체 전달 시스템(102)에 의해 제공되는 프로세싱 가스들을 프로세싱 볼륨(109) 내로 균일하게 분배하는 데 사용된다. 일부 실시예들에서, 샤워헤드(107)는 RF 전력 공급부와 같은 제1 전력 공급부(112)에 전기적으로 커플링되며, 제1 전력 공급부(112)는 프로세싱 가스와의 용량 결합을 통해 프로세싱 가스의 플라즈마(113)를 점화 및 유지하기 위한 전력을 공급한다. 다른 실시예들에서, 프로세싱 챔버(101)는 유도 플라즈마 생성기를 포함하고, 플라즈마는 RF 전력을 프로세싱 가스에 유도 결합함으로써 형성된다. 일부 실시예들에서, 프로세싱 챔버는 플라즈마 프로세싱 챔버가 아니다.
[0027] 여기서, 프로세싱 볼륨(109)은, 대기 압력 미만의 압력 컨디션(sub-atmospheric condition)들에서 프로세싱 볼륨(109)을 유지하고 그 프로세싱 볼륨(109)으로부터 프로세싱 가스 및 다른 가스들을 진공배기(evacuate)하는 진공 소스, 이를테면, 하나 이상의 전용 진공 펌프들에 진공 배출구(114)를 통해 유동적으로 커플링된다. 프로세싱 볼륨(109)에 배치된 기판 지지부(115)는 이동가능한 지지 샤프트(116) 상에 배치되며, 이동가능한 지지 샤프트(116)는 챔버 베이스(105)를 통해 밀봉적으로(sealingly) 연장되는데, 이를테면, 챔버 베이스(105) 아래의 구역에서 벨로우즈(도시되지 않음)에 의해 둘러싸인다. 전형적으로, 프로세싱 챔버(101)는 하나 이상의 측벽들(104) 중 하나의 측벽 내의 개구(118)를 통해 기판(117)을 기판 지지부(115)로 그리고 기판 지지부(115)로부터 이송하는 것을 가능하게 하도록 구성되며, 개구(118)는 기판 프로세싱 동안 도어 또는 밸브(도시되지 않음)에 의해 밀봉된다.
[0028] 일부 실시예들에서, 기판 지지부(115) 상에 배치된 기판(117)은, 기판 지지부(115)에 배치된 하나 이상의 냉각 채널들(120) 및 저항성 가열 엘리먼트(119)와 같은 히터 중 하나 또는 둘 모두를 사용하여 원하는 프로세싱 온도로 유지된다. 전형적으로, 하나 이상의 냉각 채널들(120)은, 냉매 소스 또는 비교적 높은 전기 저항을 갖는 개질된 워터 소스(modified water source)와 같은 냉각제 소스(도시되지 않음)에 유동적으로 커플링된다.
[0029] 전구체 전달 시스템(102)은, 디보란 가스 소스, 예컨대 제1 가스 소스(121), 희석 가스 소스, 예컨대 제2 가스 소스(122), 및 개개의 제1 가스 소스(121) 및 제2 가스 소스(122)를 혼합 포인트(124)에 유동적으로 커플링하는 제1 및 제2 전달 도관들(123a-b)을 특징으로 한다. 혼합 포인트(124)는 제3 전달 도관(123c)을 통해 프로세싱 챔버(101)에 유동적으로 커플링된다. 전구체 전달 시스템(102)은, 혼합 포인트의 업스트림의, 혼합 포인트의 다운스트림의, 또는 둘 모두의 위치의 전달 도관(123a-c)에 각각 커플링된, 하나 이상의 보란 농도 센서들(125), 하나 이상의 유동 제어기들(126a-c), 및 하나 이상의 압력 센서들(127)을 더 포함한다.
[0030] 기판 프로세싱 동안, 알려지지 않은 농도의 디보란을 포함하는 제1 가스가 제1 가스 소스(121)로부터 제1 전달 도관(123a)으로 유동되고, 희석액(diluent)을 포함하는 제2 가스가 제2 가스 소스(122)로부터 제2 전달 도관(123b)으로 유동된다. 전형적으로, 제2 가스, 예컨대 H2는 디보란과 반응하지 않는다. 제1 가스와 제2 가스는 혼합 포인트(124)에서 혼합되어 붕소 도핑 가스를 형성한다. 붕소 도핑 가스는 혼합 포인트(124)와 프로세싱 볼륨(109) 사이에 유동적으로 커플링된 제3 전달 도관(123c)을 통해 혼합 포인트(124)로부터 프로세싱 볼륨(109)으로 유동한다. 하나 이상의 보란 농도 센서들(125)은, 혼합 포인트(124)의 업스트림의 위치로부터의 제1 가스의 디보란 농도를 결정하기 위해, 또는 혼합 포인트로부터 다운스트림의 위치에서의 붕소 도핑 가스(제1 가스와 제2 가스의 혼합물)의 디보란 농도를 결정하기 위해, 또는 둘 모두를 위해 사용된다. 일부 실시예들에서, 보란 농도 센서들(125) 중 하나 이상은 제1 가스 또는 붕소 도핑 가스 내의 테트라보란의 농도를 결정하기 위해 사용된다. 디보란 및 테트라보란 농도(들) 중 하나 또는 둘 모두는 프로세싱 시스템(100)의 시스템 제어기(130)에 통신되며, 시스템 제어기(130)는 개개의 제1 유동 제어기(126a) 또는 제2 유동 제어기(126b)를 사용하여 제1 가스 또는 제2 가스 중 하나 또는 둘 모두의 유량을 조정한다.
[0031] 시스템 제어기(130)는 메모리(132)(예컨대, 비-휘발성 메모리) 및 지원 회로들(133)과 함께 동작가능한 프로그램가능 CPU(central processing unit)(131)를 포함한다. 지원 회로들(133)은 통상적으로 CPU(131)에 커플링되며, 프로세싱 시스템(100)의 다양한 컴포넌트들의 제어를 가능하게 하기 위해 프로세싱 시스템(100)의 다양한 컴포넌트들에 커플링된 캐시, 클록 회로들, 입력/출력 서브시스템들, 전력 공급부들 등 및 이들의 조합들을 포함한다. CPU(131)는 프로세싱 시스템(100)의 다양한 컴포넌트들 및 서브-프로세서들을 제어하기 위해 산업 현장에서 사용되는 임의의 형태의 범용 컴퓨터 프로세서 중 하나, 이를테면, PLC(programmable logic controller)이다. CPU(131)에 커플링된 메모리(132)는 비-일시적이며, 전형적으로는, 용이하게 이용가능한 메모리들, 이를테면, RAM(random access memory), ROM(read only memory), 플로피 디스크 드라이브, 하드 디스크, 또는 로컬 또는 원격의, 임의의 다른 형태의 디지털 저장소 중 하나 이상이다.
[0032] 전형적으로, 메모리(132)는, CPU(131)에 의해 실행될 때, 프로세싱 시스템(100)의 동작을 가능하게 하는 명령들을 포함하는 컴퓨터-판독가능 저장 매체들(예컨대, 비-휘발성 메모리)의 형태이다. 메모리(132) 내의 명령들은 본 개시내용의 방법들을 구현하는 프로그램과 같은 프로그램 제품의 형태이다. 프로그램 코드는, 다수의 상이한 프로그래밍 언어들 중 임의의 프로그래밍 언어를 준수할 수 있다. 일 예에서, 본 개시내용은 컴퓨터 시스템에 사용하기 위한 컴퓨터-판독가능 저장 매체들 상에 저장되는 프로그램 제품으로서 구현될 수 있다. 프로그램 제품의 프로그램(들)은 (본원에서 설명된 방법들을 포함한) 실시예들의 기능들을 정의한다.
[0033] 예시적 컴퓨터-판독가능 저장 매체들은: (i) 정보가 영구적으로 저장되는 비-기록가능 저장 매체들(예컨대, 컴퓨터 내의 판독-전용 메모리 디바이스들, 이를테면, CD-ROM 드라이브에 의해 판독가능한 CD-ROM 디스크들, 플래시 메모리, ROM 칩들 또는 임의의 타입의 고체-상태 비-휘발성 반도체 메모리); 및 (ii) 변경가능 정보가 저장되는 기록가능 저장 매체들(예컨대, 하드-디스크 드라이브 또는 디스켓 드라이브 내의 플로피 디스크들 또는 임의의 타입의 고체-상태 랜덤-액세스 반도체 메모리)을 포함한다(그러나 이에 제한되지 않음). 그러한 컴퓨터-판독가능 저장 매체들은, 본원에서 설명된 방법들의 기능들을 지시하는 컴퓨터-판독가능 명령들을 보유하는 경우, 본 개시내용의 실시예들이다. 다른 실시예들에서, 본원에서 설명된 방법들 또는 그 일부는 하나 이상의 ASIC(application specific integrated circuit)들, FPGA(field-programmable gate array)들, 또는 다른 타입들의 하드웨어 구현들에 의해 수행된다. 일부 다른 실시예들에서, 본원에서 설명된 프로세스들은 소프트웨어 루틴들, ASIC(들), FPGA들, 또는 다른 타입들의 하드웨어 구현들의 조합에 의해 수행된다.
[0034] 여기서, 보란 농도 센서들(125) 중 하나 이상은, 광학 센서 내에 배치된 가스 샘플을 통과하는 도입된 방사의 하나 이상의 특정 파장들, 즉, 하나 이상의 목표 파장들의 감쇠를 선택적으로 측정하도록 구성된 광학 센서이다. 목표 파장(들)은 측정될 분자 종, 즉, 목표 분자 종, 이를테면, 디보란 또는 테트라보란의 흡수 스펙트럼의 흡수 피크에 대응한다. 샘플 내의 목표 분자 종의 농도가 증가하거나 감소함에 따라, 목표 파장(들)의 총 흡수가 또한 증가하거나 감소하며, 그에 따라, 샘플을 통과하는 방사의 목표 파장(들)의 감쇠가 증가하거나 감소한다. 본원의 실시예들에서, 선택적 감쇠 측정치(들)는 가스 샘플 내의 목표 분자 종의 농도를 결정하는 데 사용된다.
[0035] 도 2a-도 2b는 일 실시예에 따른, 도 1에서 설명된 보란 농도 센서들(125) 중 하나 이상으로서 사용될 수 있는 개개의 광학 센서들(200a 및 200b)의 개략적인 단면도들이다. 도 3은 UV 스펙트럼의 파장들(nm)의 범위에 걸친 흡수 단면(cm2/분자)으로서 도면에 도시된, 디보란의 UV 흡수 스펙트럼(301)을 도시하는 그래프(300)이다. 도 4a는 IR 스펙트럼의 파장들(μm)의 범위에 걸친 흡광도(Au.)로서 도면에 도시된, 디보란의 IR 흡수 스펙트럼(401)을 도시하는 그래프(400a)이다. 도 4b는 IR 스펙트럼의 파장들(μm)의 범위에 걸친 테트라보란의 IR 흡수 스펙트럼(403)을 도시하는 그래프(400b)이다. 도 3 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 디보란의 UV 흡수 스펙트럼(301) 및 IR 흡수 스펙트럼(401)은 개개의 복수의 UV 흡수 피크들(302) 및 IR 흡수 피크들(402)을 각각 포함한다. 도 4b에서, 테트라보란의 IR 흡수 스펙트럼(403)은 복수의 IR 흡수 피크들(404)을 포함한다.
[0036] 여기서, 광학 센서들(200a 및 200b) 중 하나 또는 광학 센서들(200a 및 200b)의 조합은, 가스 샘플을 통과하는 방사의 목표 파장 또는 목표 파장들의 감쇠를 선택적으로 측정함으로써 가스 샘플 내의 디보란, 테트라보란, 또는 이 둘 모두의 농도를 결정하는 데 사용된다. 본원의 실시예들에서, 목표 파장들은 UV 흡수 스펙트럼(301) 또는 IR 흡수 스펙트럼(401) 상의 디보란의 흡수 피크(302 또는 402)에 각각 대응하거나, 또는 테트라보란 IR 흡수 스펙트럼(403) 상의 흡수 피크(404)에 대응한다.
[0037] 도 2a에서, 광학 센서(200a)는 바디(202) 및 복수의 윈도우들(2개의 윈도우들(204a 및 204b)이 도시됨)을 특징으로 한다. 여기서, 복수의 윈도우들(204a 및 204b) 중 개별적인 윈도우들은 바디(202)의 대향 단부들에 배치되어, 바디(202)와 함께 집합적으로 셀 볼륨(206)을 정의한다. 셀 볼륨(206)은 가스 유입구(208) 및 가스 유출구(210)와 유체 연통한다. 광학 센서(200)는 방사 소스(212), 하나 이상의 방사 검출기들(214a-b), 및 하나 이상의 광학 필터들(216a-b)을 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 광학 센서(200) 또는 광학 센서(200)의 개별 컴포넌트들은 PCB(printed circuit board)(217) 상에 배치되고 PCB(217)에 전기적으로 커플링된다. 전형적으로, 방사 소스(212) 및 하나 이상의 방사 검출기들(214a-b)은 바디(202)의 대향 단부들에 또는 그 대향 단부들에 근접하게, 셀 볼륨(206)의 외측에 배치된다. 예컨대, 여기서, 방사 소스(212)는 바디(202)의 제1 단부의 제1 윈도우(204a)에 근접하게, 셀 볼륨(206) 외측에 배치된다. 하나 이상의 방사 검출기들(214a-b)은, 바디(202)의 제2 단부의 또는 바디(202)의 제2 단부에 근접한 하나 이상의 방사 검출기들(214a-b)과 제2 윈도우(204b) 사이에 개재된 하나 이상의 광학 필터들(216a-b)에 근접하게 배치된다.
[0038] 복수의 윈도우들(204a-b) 각각은 방사 소스(212)에 의해 방출되는 광대역 UV 또는 IR 방사가 그 자신을 투과하기에 적절한 재료로 형성된다. 적절한 윈도우 재료들의 예들은 MgF2, KBr, 사파이어, 또는 이들의 조합들을 포함한다. 방사 소스에 의해 방출되는 광대역 UV 또는 IR 방사는 하나 이상의 방사 검출기들(214a-b)에 의해 측정될 목표 UV 또는 IR 파장들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 방사 소스(212)는 132 nm 이하, 이를테면, 115 nm 이하의 파장을 포함하는 UV 방사를 방출하도록 구성된, 하나 이상의 UV 램프들 또는 하나 이상의 UV 레이저 소스들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 방사 소스(212)는 3.831 μm 이상, 이를테면, 3.968 μm 이상, 6.250 μm 이상, 8.532 μm 이상, 또는 10.256 μm 이상의 파장을 포함하는 IR 방사를 방출하도록 구성된, 하나 이상의 IR 램프들 또는 하나 이상의 IR 레이저 소스들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 방사 소스(212)는 132 nm 이하, 이를테면, 115 nm 이하의 파장을 포함하는 UV 방사를 방출하도록 구성된, UV 램프 또는 UV 레이저 소스, 및 3.831 μm 이상, 이를테면, 3.968 μm 이상, 6.250 μm 이상, 8.532 μm 이상, 또는 10.256 μm 이상의 파장을 포함하는 IR 방사를 방출하도록 구성된, IR 램프 또는 IR 레이저 소스를 포함한다.
[0039] 여기서, 디보란 분자들(218), 희석 가스 분자들(220), 및 테트라보란 분자들(222)을 포함하는 가스 샘플은 유입구(208)를 통해 셀 볼륨(206) 내로 유동하고 유출구(210)를 통해 셀 볼륨(206) 밖으로 유동한다. 일부 실시예들에서, 광학 센서(200)는 도 1에서 설명된 복수의 전달 도관들(123a-c) 중 하나와 같은 전달 도관에 커플링된다. 일부 실시예들에서, 유입구(208) 및 유출구 둘 모두는 전달 도관(123a-c)에 유동적으로 커플링된다. 일부 실시예들에서, 유출구(210)는 셀 볼륨(206)으로부터 가스 샘플을 진공배기하는 배기 도관(도시되지 않음)에 유동적으로 커플링된다. 일부 실시예들에서, 광학 센서(200)는 셀 볼륨(206)에 유동적으로 커플링된 압력 센서(224)를 더 포함한다.
[0040] 일부 실시예들에서, 광학 센서(200a)는 가스 샘플 내의 디보란 분자들(218)의 농도를 결정하도록 구성된다. 가스 샘플 내의 디보란 분자들(218)의 농도를 결정하기 위해, 방사 소스(213)로부터의 방사는 제1 광학 경로 및 제2 광학 경로를 따라 동시에 투과된다. 제1 광학 경로는 방사의 목표 파장의 감쇠를 선택적으로 측정하는 데 사용된다. 방사의 목표 파장은 디보란 분자들(218)의 UV 흡수 피크(302)(도 3에 도시됨) 또는 IR 흡수 피크(402)(도 4a에 도시됨)에 대응한다. 여기서, UV 흡수 피크(302)에 대응하는 목표 파장은 전형적으로, 115 nm +/- 약 2 nm 이내 또는 132 nm +/- 약 2 nm 이내이다. IR 흡수 피크(402)에 대응하는 목표 파장은 전형적으로, 3.831 μm +/- 약 10 nm 이내, 3.968 μm +/- 약 10 nm 이내, 6.25 μm +/- 약 10 nm 이내, 8.532 μm +/- 약 10 nm 이내, 또는 10.253 μm +/- 약 10 nm 이내이다.
[0041] 다른 실시예들에서, 광학 센서(200a)는 가스 샘플 내의 테트라보란 분자들(222)의 농도를 결정하도록 구성된다. 그러한 실시예들에서, 제1 광학 경로는 테트라보란 분자들(222)의 IR 흡수 피크(404)(도 4b에 도시됨)에 대응하는 방사의 목표 파장을 선택적으로 측정하도록 구성된다. 테트라보란을 결정하기 위한 적절한 목표 파장들은 테트라보란 IR 흡수 스펙트럼(403)의 IR 흡수 피크(404) +/- 10 nm 이내, 이를테면, 약 4.68 μm +/- 약 10 nm 이내 또는 약 8.85 μm +/- 약 10 nm 이내이다.
[0042] 제2 광학 경로는 기준 강도 측정치를 제공하기 위해 기준 파장에서 방사의 강도를 선택적으로 측정하는 데 사용된다. 전형적으로, 기준 파장은 가스 샘플에서 발견될 것으로 예상되는 분자 종의 흡수 피크에 대응하지 않는다. 기준 강도 측정치는, 제1 및 제2 방사 검출기들(214a-b)에 동일하게 영향을 미치는 환경적, 전기적, 및 기계적 변동들, 이를테면, 방사 소스(212)에 의해 제공되는 방사 강도의 변동들 및 주변 압력 및 온도의 변동들을 보상하는 데 사용된다.
[0043] 여기서, 제1 광학 경로는 방사 소스(212)로부터 제1 방사 검출기(214a)로 연장되고, 방사 소스(212), 제1 윈도우(204a), 셀 볼륨(206), 제2 윈도우(204b), 및 제1 방사 검출기(214a)를 순차적으로 포함한다. 일부 실시예들에서, 이를테면, 방사 소스(212)가 IR 방사 소스인 실시예들에서, 제1 광학 경로는 제2 윈도우(204b)와 제1 방사 검출기(214a) 사이에 배치된 제1 광학 필터(216a)를 더 포함한다. 제1 광학 필터(216a)는 디보란 분자들(218)의 IR 흡수 피크(402)(도 4)에 대응하는 목표 파장의 방사를 선택적으로 투과시킨다. 일부 실시예들에서, 제1 광학 필터(216a)는 중심 투과 파장(λC) 및 대역폭(λW)을 갖는 광학 대역통과 필터이다. 적절한 필터 중심 투과 파장들(λC)은 원하는 목표 파장들, 즉, 디보란 분자들(218)의 IR 흡수 피크들(402)에 대응한다. 광학 센서(200a)가 디보란 분자들의 농도를 결정하도록 구성된 일부 실시예들에서, 제1 광학 필터(216a)는 3.831 μm, 3.968 μm, 6.25 μm, 8.532 μm, 또는 10.253 μm 중 하나의 목표 파장에 대응하는 중심 투과 파장(λC)을 갖는다. 일부 실시예들에서, 중심 투과 파장(λC)은 대응하는 목표 파장 +/- 약 250 nm 이내, 이를테면, +/- 약 100 nm 이내, 또는 예컨대 +/- 약 50 nm 이내이다. 광학 센서(200a)가 테트라보란 분자들의 농도를 결정하도록 구성된 일부 실시예들에서, 제1 광학 필터(216a)는 IR 흡수 피크(404)(예컨대 약 4.680 μm 또는 약 8.850 μm) +/- 약 250 nm, +/- 약 100 nm, 또는 +/- 약 50 nm 이내의 중심 투과 파장(λC1)을 갖는다. 일부 실시예들에서, 제1 광학 필터(216a)는 약 1 μm 이하, 이를테면, 약 900 nm 이하, 800 nm 이하, 700 nm 이하, 600 nm 이하, 예컨대 약 500 nm 이하의 대역폭(λW)을 갖는다.
[0044] 일부 실시예들에서, 예컨대, 방사 소스(212)가 UV 방사 소스인 경우, 제1 광학 경로는 제1 광학 필터(216a)를 포함하지 않는다.
[0045] 여기서, 제2 광학 경로는 방사 소스(212)로부터 제2 방사 검출기(214b)로 연장되고, 방사 소스(212), 제1 윈도우(204a), 셀 볼륨(206), 제2 윈도우(204b), 제2 광학 필터(216b), 및 제2 방사 검출기(214b)를 순차적으로 포함한다. 제2 광학 필터(216b)는 원하는 희석 가스 또는 디보란의 흡수 피크에 대응하지 않는 방사를 선택적으로 투과시킨다. 다시 말해서, 제2 광학 필터(216b)는 원하는 희석 가스 또는 디보란의 흡수 피크에 대응하는 방사 파장들을 배제한다.
[0046] 도 2b는 내부에 배치된 가스 샘플 내의 디보란 및 테트라보란 둘 모두의 농도를 결정하도록 구성된 광학 센서(200b)의 개략적인 단면도이다. 여기서, 광학 센서(200b)는 (디보란 농도를 결정하도록 구성된 경우) 도 2a에서 설명된 광학 센서(200a)와 유사하고, 테트라보란 농도를 결정하는 데 사용되는 제3 광학 경로를 더 포함한다. 제3 광학 경로는 방사 소스(212)(여기서는 IR 방사 소스)로부터 제3 방사 검출기(214c)로 연장된다. 제3 광학 경로는 방사 소스(212), 제1 윈도우(204a), 셀 볼륨(206), 제2 윈도우(204b), 제3 광학 필터(216c), 및 제3 방사 검출기(214c)를 순차적으로 포함한다. 여기서, 제3 광학 필터(216c)는 테트라보란의 IR 흡수 피크(404)(예컨대 약 4.680 μm 또는 약 8.850 μm) +/- 약 250 nm, +/- 약 100 nm, 또는 +/- 약 50 nm 이내의 중심 투과 파장(λC)을 갖는다. 일부 실시예들에서, 제3 광학 필터(216c)는 약 1 μm 이하, 이를테면, 약 900 nm 이하, 800 nm 이하, 700 nm 이하, 600 nm 이하, 예컨대 약 500 nm 이하의 대역폭(λW)을 갖는다.
[0047] 도 5는 광학 센서(여기서는 도 2a 및 도 2b에서 각각 설명된 광학 센서들(200a 또는 200b) 중 하나)를 사용하여 획득된 하나 이상의 측정치들을 개략적으로 예시하는 그래프(500)이다. 그래프(500)는 다양한 농도들의 디보란을 갖는 3개의 상이한 가스 샘플들(501a-c)의 흡수 측정치들을 개략적으로 도시한다. 여기서, 방사 소스(212)로부터의 방사는 도 2a 및 도 2b에서 각각 설명된 2개 또는 3개의 광학 경로들 각각을 따라 투과된다. 광학 경로들은 적어도 방사 소스(212), 제1 윈도우(204a), 셀 볼륨(206) ― 셀 볼륨(206) 내에는 가스 샘플들(501a-c) 중 하나가 배치되어 있음 ―, 및 제2 윈도우(204b)를 포함한다. 제1 광학 경로는 제1 광학 필터(216a) 및 제1 방사 검출기(214a)를 더 포함한다. 여기서, 제1 광학 필터(216a)는, 위에서 설명되고 도 4a 및 도 4b에 각각 도시된 바와 같이 디보란 또는 테트라보란의 IR 흡수 피크에 대응하는 대역폭(λW1) 및 중심 투과 파장(λC1)을 갖는다. 제2 광학 경로는 제2 광학 필터(216b) 및 제2 방사 검출기(214b)를 더 포함한다. 제2 광학 필터(216b)는 가스 샘플에서 발견될 것으로 예상되는 분자 종의 흡수 피크에 대응하지 않는 대역폭(λW2) 및 중심 투과 파장(λC2)을 갖는다.
[0048] 사용될 때, 제3 광학 경로는 제3 광학 필터(216c) 및 제3 방사 검출기(214c)를 더 포함한다. 제3 광학 필터(216c)는 테트라보란의 IR 흡수 피크에 대응하는 대역폭(λW3) 및 중심 투과 파장(λC3)을 갖는다. 제2 광학 필터(216b)의 중심 투과 파장(λC2)은 제1 광학 필터(216a)의 중심 투과 파장(λC1) 또는 제3 광학 필터(216c)의 중심 투과 파장(λC3)보다 더 크거나 또는 더 작을 수 있다. 마찬가지로, 제3 광학 필터(216c)의 중심 투과 파장(λC3)은 제1 광학 필터(216a)의 중심 투과 파장(λC1)보다 더 크거나 또는 더 작을 수 있다.
[0049] 전형적으로, 제2 방사 검출기(214b)에 의해 획득된 강도 측정치, 즉, 기준 강도(503)는 방사 검출기들(214a-c)에 동일하게 영향을 미치는 환경적, 전기적, 및 기계적 변동들을 보상하는 데 사용된다. 도시된 바와 같이, 기준 강도(503)는 3개의 가스 샘플들(501a-c) 각각에 대해 동일하여, 각각의 샘플(501a-c)에 대한 측정치들 사이에 어떤 실질적인 환경적, 전기적, 및 기계적 변동들도 없음을 표시한다. 일부 실시예들에서, 제1 방사 검출기(214a)를 사용하여 측정된 샘플들(501a-c) 각각에 대한 강도와 기준 강도(503) 사이의 차이, 즉, 감쇠들(502a-c)은 그 샘플들(501a-c) 내의 디보란 농도들을 결정하는 데 사용된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 가스 샘플(501a)을 통과한 방사가 제1 광학 경로 및 제2 광학 경로를 따라 투과된 방사 사이에서 가장 높은 감쇠(502a)를 가져서 제1 가스 샘플(501a)이 복수의 샘플들(501a-c) 중 가장 높은 디보란 농도를 갖는다. 제3 가스 샘플(501c)을 통과한 방사가 가장 낮은 감쇠(502c)를 가져서 제3 가스 샘플(501c)이 가장 낮은 디보란 농도를 갖는다.
[0050] 제1 가스 샘플(501a)을 통과한 방사가 제2 광학 경로 및 제3 광학 경로를 따라 투과된 방사 사이에서 가장 낮은 감쇠(503a)를 가져서 제1 가스 샘플(501a)이 복수의 샘플들(501a-c) 중 가장 낮은 테트라보란 농도를 갖는다. 가압 가스 실린더 내의 디보란은 시간의 경과에 따라 분해되어 자유 수소 및 테트라보란을 생성하기 때문에, 제3 방사 검출기(214c)를 사용하여 측정된 감쇠들(503a-c)은, 감쇠들(502a-c)이 감소함에 따라 증가할 것이다. 따라서, 제3 가스 샘플(501c)을 통과한 방사가 가장 높은 감쇠(503c)를 가져서 제3 가스 샘플(501c)이 복수의 샘플들(501a-c) 중 가장 높은 테트라보란 농도를 갖는다.
[0051] 도 6a-도 6b는 다른 실시예에 따른, 도 1에서 설명된 보란 농도 센서들(125) 중 하나 이상으로서 사용될 수 있는 개개의 광학 센서들(600a 및 600b)의 개략적인 단면도들이다. 도 6a에서, 광학 센서(600a)는 바디(602), 바디(602)의 대향 단부들에 배치된 복수의 윈도우들(604a-b), 및 분할기(605)를 특징으로 하며, 이들은 집합적으로 제1 셀 볼륨(606a) 및 제2 셀 볼륨(606b)을 정의한다. 제1 셀 볼륨(606a)은, 제1 셀 볼륨(606a) 내로 가스 샘플들을 전달하는 데 사용되는 유입구(608) 및 제1 셀 볼륨(606a)으로부터 가스 샘플들을 배기하는 데 사용되는 유출구(610)와 유체 연통한다. 제2 셀 볼륨(606b)은 제2 셀 볼륨(606b)과 제1 셀 볼륨(606a) 사이에 배치된 분할기(605)에 의해 제1 셀 볼륨(606a)으로부터 유동적으로 격리된다. 광학 센서(600a)는 방사 소스(612), 하나 이상의 방사 검출기들(614a-b), 및 하나 이상의 광학 필터들(616a-b)을 더 포함한다.
[0052] 일부 실시예들에서, 광학 센서(600a) 또는 광학 센서(600a)의 개별 컴포넌트들은 PCB(printed circuit board)(617) 상에 배치되고 PCB(617)에 전기적으로 커플링된다. 전형적으로, 방사 소스(612) 및 하나 이상의 방사 검출기들(614a-b)은 바디(602)의 대향 단부들에 또는 대향 단부들에 근접하게, 제1 및 제2 셀 볼륨들(606a-b)의 외측에 배치된다. 예컨대, 여기서, 방사 소스(612)는 바디(602)의 제1 단부의 제1 윈도우(604a)에 근접하게, 제1 및 제2 셀 볼륨들(606a-b) 외측에 배치된다. 하나 이상의 방사 검출기들(614a-b)은, 바디(602)의 제2 단부의 또는 바디(602)의 제2 단부에 근접한 하나 이상의 방사 검출기들(614a-b)과 제2 윈도우(604b) 사이에 개재된 하나 이상의 광학 필터들(616a-b)에 근접하게 배치된다.
[0053] 복수의 윈도우들(604a-b) 각각은 방사 소스(612)에 의해 방출되는 광대역 UV 또는 IR 방사가 그 자신을 투과하기에 적절한 재료로 형성된다. 적절한 윈도우 재료들의 예들은 MgF2, KBr, 사파이어, 또는 이들의 조합들을 포함한다. 방사 소스에 의해 방출되는 광대역 UV 또는 IR 방사는 하나 이상의 방사 검출기들(614a-b)에 의해 측정될 목표 UV 또는 IR 파장들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 방사 소스(612)는 132 nm 이하, 이를테면, 115 nm 이하의 파장을 포함하는 UV 방사를 방출하도록 구성된, 하나 이상의 UV 램프들 또는 UV 레이저 소스들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 방사 소스(612)는 3.831 μm 이상, 이를테면, 3.968 μm 이상, 6.250 μm 이상, 8.532 μm 이상, 또는 10.256 μm 이상의 파장을 포함하는 IR 방사를 방출하도록 구성된, 하나 이상의 IR 램프들 또는 IR 레이저 소스들을 포함한다.
[0054] 전형적으로, 디보란 분자들(218), 희석 가스 분자들(220), 및 테트라보란 분자들(222)을 포함하는 가스 샘플은 유입구(608)를 통해 제1 셀 볼륨(606a) 내로 유동하고 유출구(610)를 통해 제1 셀 볼륨(606a) 밖으로 유동한다. 일부 실시예들에서, 광학 센서(600)는 도 1에서 설명된 복수의 전달 도관들(123a-c) 중 하나와 같은 전달 도관에 커플링된다. 그러한 실시예들에서, 유입구(608)는 전달 도관(123a-c)에 유동적으로 커플링되고, 유출구(610)는, 제1 셀 볼륨(606a)으로부터 가스 샘플을 진공배기하는 배기 도관(도시되지 않음)에 유동적으로 커플링된다.
[0055] 가스 샘플 내의 디보란 분자들(218) 또는 테트라보란 분자들(222)의 농도를 결정하기 위해, 방사 소스(612)로부터의 방사는 제1 광학 경로 및 제2 광학 경로를 따라 동시에 투과된다. 제1 광학 경로는 디보란 분자들(218) 또는 테트라보란 분자들(222)의 UV 흡수 피크(302)(도 3에 도시됨) 또는 IR 흡수 피크(402 또는 404)(도 4a 및 도 4b에 각각 도시됨)에 대응하는 방사의 목표 파장의 감쇠를 선택적으로 측정하는 데 사용된다. 제2 광학 경로는 기준 강도 측정치를 제공하기 위해 기준 파장에서 방사의 강도를 선택적으로 측정하는 데 사용된다. 여기서, 기준 파장은 가스 샘플에서 발견될 것으로 예상되는 분자 종의 흡수 피크와 동일하거나 또는 상이할 수 있다.
[0056] 여기서, 제1 광학 경로는 방사 소스(612)로부터 제1 방사 검출기(614a)로 연장된다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 방사 소스(612)가 IR 방사 소스인 경우, 제1 광학 경로는 방사 소스(612), 제1 윈도우(604a), 제1 셀 볼륨(606a), 제2 윈도우(604b), 제1 광학 필터(616a), 및 제1 방사 검출기(614a)를 순차적으로 포함한다. 제1 광학 필터(616a)는, 디보란 분자들(218)의 IR 흡수 피크(402)(도 4a) 또는 테트라보란 분자들(222)의 IR 흡수 피크(404)(도 4b)에 대응하는 목표 파장의 방사를 선택적으로 투과시킨다. 전형적으로, 제1 광학 필터(616a)는 중심 투과 파장(λC) 및 대역폭(λW)을 갖는 광학 대역통과 필터이다. 일부 실시예들에서, 제1 광학 필터(216a)는, 위에서 설명된 바와 같이 그리고 도 4a-도 4b에 각각 도시된 바와 같이 디보란 또는 테트라보란의 목표 파장에 대응하는 중심 투과 파장(λC1)을 갖는다. 일부 실시예들에서, 제1 광학 필터(616a)는 약 1 μm 이하, 이를테면, 약 900 nm 이하, 800 nm 이하, 700 nm 이하, 600 nm 이하, 예컨대 약 500 nm 이하의 대역폭(λW)을 갖는다.
[0057] 제2 광학 경로는 방사 소스(612)로부터 제2 방사 검출기(614b)로 연장된다. 제2 광학 경로는 방사 소스(612), 제1 윈도우(604a), 제2 셀 볼륨(606b), 제2 윈도우(604b), 제2 광학 필터(616b), 및 제2 방사 검출기(614b)를 순차적으로 포함한다. 제2 광학 필터(616b)는, 원하는 희석 가스 또는 디보란의 흡수 피크에 대응하는 또는 대응하지 않는 방사가 그 자신을 투과할 수 있게 할 수 있다. 전형적으로, 제2 셀 볼륨(606b)은 진공 컨디션으로 유지되거나 불활성 가스(618)를 포함한다.
[0058] 일부 실시예들, 이를테면, 방사 소스가 UV 방사 소스인 실시예들에서, 제1 또는 제2 광학 경로들 중 하나 또는 둘 모두는 개개의 제1 또는 제2 광학 필터(616a-b)를 포함하지 않는다.
[0059] 일부 실시예들에서, 광학 센서(600a)는, 제1 셀 볼륨(606a) 내부에 배치된 가스 샘플의 압력을 모니터링하는 데 사용되고, 제1 셀 볼륨(606a)에 유동적으로 커플링된 압력 센서(622)를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 광학 센서는 방사 소스(612)로부터의 방사를 제1 및 제2 셀 볼륨들(606a-b)로 지향시키는 데 사용되는 하나 이상의 미러들(624)을 더 포함한다.
[0060] 도 6b는 내부에 배치된 가스 샘플 내의 디보란 및 테트라보란 둘 모두의 농도를 결정하도록 구성된 광학 센서(600b)의 개략적인 단면도이다. 여기서, 광학 센서(600b)는 (디보란 농도를 결정하도록 구성된 경우) 도 6a에서 설명된 광학 센서(600a)와 유사하고, 테트라보란 농도를 결정하는 데 사용되는 제3 광학 경로를 더 포함한다. 제3 광학 경로는 방사 소스(612)(여기서는 IR 방사 소스)로부터 제3 방사 검출기(614c)로 연장된다. 제3 광학 경로는 방사 소스(612), 제1 윈도우(604a), 셀 볼륨(606a), 제2 윈도우(604b), 제3 광학 필터(616c), 및 제3 방사 검출기(614c)를 순차적으로 포함한다. 제3 광학 필터(616c)는 도 2b의 제3 광학 필터(216c)에 대해 위에서 설명된 바와 같이 테트라보란 분자들(222)의 IR 흡수 피크(404)(도 4b)에 대응하는 목표 파장의 방사를 선택적으로 투과시킨다.
[0061] 일부 실시예들에서, 본원에서 설명된 광학 센서들은 프로세싱 시스템 상에 설치하기 전에 교정된다. 전형적으로, 광학 센서들은 디보란의 흡수 피크와 유사한 UV 또는 IR 흡수 피크를 갖는, (디보란에 비해) 저독성의 프록시 가스(proxy gas)를 사용하여 교정된다. 적절한 프록시 가스들은 예들은 NH3, 메탄티올, 에탄티올, 또는 이들의 조합들을 포함한다.
[0062] 도 7은, 상이한 디보란 및 테트라보란 농도들을 각각 갖는 3개의 가스 샘플들(701a-c)의, 광학 센서(여기서는 도 6b에서 설명된 광학 센서(600b))를 사용하여 획득된 측정치들을 예시하는 그래프(700)이다. 여기서, 방사 소스(612)로부터의 방사는 도 6b에서 설명된 광학 경로들을 따라 투과된다. 제1 광학 경로는 방사 소스(612), 제1 윈도우(604a), 제1 셀 볼륨(606a) ― 제1 셀 볼륨(606a) 내에는 가스 샘플들(701a-c) 중 하나가 배치되어 있음 ―, 제2 윈도우(604b), 제1 광학 필터(616a) 및 제1 방사 검출기(614a)를 포함한다. 제1 광학 필터(616a)는 위에서 설명되고 도 4a에 도시된 디보란의 IR 흡수 피크에 대응하는 대역폭(λW1) 및 중심 투과 파장(λC1)을 갖는다.
[0063] 제2 광학 경로는 방사 소스(612), 제1 윈도우(604a), 제2 셀 볼륨(606b) ― 제2 셀 볼륨(606b) 내에는 불활성 가스(618)가 배치되어 있음 ―, 제2 윈도우(604b), 제2 광학 필터(616b), 및 제2 방사 검출기(614b)를 포함한다. 제2 광학 필터(616b)는 가스 샘플에서 발견될 것으로 예상되는 분자 종의 흡수 피크에 대응할 수 있는 또는 대응하지 않을 수 있는 대역폭(λW2) 및 중심 투과 파장(λC2)을 갖는다. 제3 광학 경로는 방사 소스(612), 제1 윈도우(604a), 제1 셀 볼륨(606a) ― 제1 셀 볼륨(606a) 내에는 가스 샘플들(701a-c) 중 하나가 배치되어 있음 ―, 제2 윈도우(604b), 제3 광학 필터(616c) 및 제3 방사 검출기(614c)를 포함한다. 제3 광학 필터(616c)는 위에서 설명되고 도 4b에 도시된 테트라보란의 IR 흡수 피크에 대응하는 대역폭(λW3) 및 중심 투과 파장(λC3)을 갖는다. 여기서, 제2 광학 필터(616b)의 중심 투과 파장(λC2)은 제1 광학 필터(616a)의 중심 투과 파장(λC1)보다 더 크거나, 더 작거나, 또는 동일할 수 있다. 제3 광학 필터(616c)의 중심 투과 파장(λC3)은 제1 광학 필터(616a)의 중심 투과 파장(λC1)보다 더 크거나 또는 더 작을 수 있고, 그리고 제2 광학 필터(616b)의 중심 투과 파장(λC2)보다 더 크거나 또는 더 작을 수 있다.
[0064] 전형적으로, 제2 방사 검출기(614b)에 의해 획득된 강도 측정치, 즉, 기준 강도(703)는 제1 및 제2 방사 검출기들(614a-b)에 동일하게 영향을 미치는 환경적, 전기적, 및 기계적 변동들을 보상하는 데 사용된다. 여기서, 제1 광학 경로를 따라 투과되는 샘플들(701a-c) 각각에 대한 강도와 기준 강도(703) 사이의 차이, 즉, 감쇠들(702a-c)은 개개의 샘플 내의 디보란 농도를 결정하는 데 사용된다. 제3 광학 경로를 따라 투과되는 샘플들(701a-c) 각각에 대한 강도와 기준 강도(703) 사이의 감쇠들(703a-c)은 개개의 샘플 내의 테트라보란 농도들을 결정하는 데 사용된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 가스 샘플(701a)을 통과한 방사가 가장 높은 감쇠(702a)를 가져서 제1 가스 샘플(701a)이 3개의 샘플들(701a-c) 중 가장 높은 디보란 농도를 가지며, 제1 가스 샘플(701a)을 통과한 방사가 가장 낮은 감쇠(703a)를 가져서 제1 가스 샘플(701a)이 3개의 샘플들(701a-c) 중 가장 낮은 테트라보란 농도를 갖는다. 제3 가스 샘플(701c)을 통과한 방사가 가장 낮은 감쇠(702c) 및 가장 높은 감쇠(703c)를 가져서 제3 가스 샘플(701c)이 3개의 샘플들(701a-c) 중 가장 낮은 디보란 농도 및 가장 높은 테트라보란 농도를 갖는다.
[0065] 도 8은 일 실시예에 따른, 기판을 프로세싱하는 방법을 제시하는 흐름도이다. 활동(801)에서, 방법(800)은 제1 가스 소스와 프로세싱 챔버를 유동적으로 커플링하는 가스 도관으로부터 획득된 가스 샘플 내의 디보란 농도를 결정하는 단계를 포함한다. 여기서, 디보란 농도를 결정하는 단계는 광학 센서, 이를테면, 도 2a-도 2b 또는 도 6a-도 6b에서 각각 설명된 광학 센서들(200a,b 또는 600a,b) 중 하나를 사용하는 단계를 포함한다. 활동(802)에서, 방법(800)은 제1 가스 소스로부터의 제1 가스, 제2 가스 소스로부터의 제2 가스, 또는 이 둘 모두의 유량을 변화시킴으로써, 원하는 디보란 농도를 갖는 붕소 도핑 가스를 혼합하는 단계를 포함한다. 활동(803)에서, 방법은 붕소 도핑 가스를 프로세싱 챔버의 프로세싱 볼륨에 전달하는 단계를 포함한다.
[0066] 일부 실시예들에서, 방법(800)은 제1 가스 소스와 프로세싱 챔버를 유동적으로 커플링하는 가스 도관으로부터 획득된 가스 샘플 내의 테트라보란 농도를 결정하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 테트라보란 농도를 결정하는 단계는, 디보란 농도를 결정하기 위해 사용된 것과 동일한 광학 센서를 사용하는 단계, 또는 상이한 광학 센서를 사용하는 단계, 이를테면, 본원에서 설명된 광학 센서들(200a,b 및 600a,b) 중 하나 또는 이들의 조합을 사용하는 단계를 포함한다.
[0067] 본원에서 제공된 시스템들 및 방법들은 유익하게, 붕소 도핑 가스 내의 디보란 농도의 인-시튜 모니터링 및 제어를 가능하게 하며, 이는 바람직하지 않은, 기판마다의 붕소 도핑 변동들을 감소시킨다.
[0068] 전술한 바가 본 개시내용의 실시예들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 다른 그리고 추가적인 실시예들이, 본 개시내용의 기본적인 범위를 벗어나지 않으면서 구상될 수 있고, 본 개시내용의 범위는 다음의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (15)

  1. 바디;
    복수의 윈도우들 ― 상기 복수의 윈도우들 중 개별 윈도우들은 상기 바디의 대향 단부들에 배치되고, 그리고 상기 바디와 상기 복수의 윈도우들은 셀 볼륨을 정의함 ―;
    상기 복수의 윈도우들 중 제1 윈도우에 근접하게, 상기 셀 볼륨의 외측에 배치된 방사 소스; 및
    상기 복수의 윈도우들 중 제2 윈도우에 근접하게, 상기 셀 볼륨 외측에 배치된 제1 방사 검출기를 포함하는,
    보란 농도 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 윈도우 및 상기 제2 윈도우 중 하나 또는 둘 모두는 MgF2, KBr, 사파이어, 또는 이들의 조합들로 형성되는,
    보란 농도 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 방사 검출기와 상기 제2 윈도우 사이에 개재된 제1 광학 필터를 더 포함하는,
    보란 농도 센서.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 광학 필터는 디보란의 IR 흡수 피크 +/- 약 250 nm 이내의 또는 테트라보란의 IR 흡수 피크 +/- 약 250 nm 이내의 중심 투과 파장(λC)을 갖는,
    보란 농도 센서.
  5. 제3 항에 있어서,
    제2 방사 검출기, 및 상기 방사 소스와 상기 제2 방사 검출기 사이에 배치된 제2 광학 필터를 더 포함하며,
    상기 제1 광학 필터는 디보란의 IR 흡수 피크 +/- 약 250 nm 이내의 중심 투과 파장(λC)을 갖고 그리고 상기 제2 광학 필터는 테트라보란의 IR 흡수 피크 +/- 약 250 nm 이내의 중심 투과 파장을 갖는,
    보란 농도 센서.
  6. 제1 가스 소스와 프로세싱 챔버를 유동적으로 커플링하는 가스 도관으로부터 획득된 가스 샘플 내의 디보란 농도를 결정하는 단계 ― 상기 디보란 농도를 결정하는 단계는 광학 센서를 사용하는 단계를 포함함 ―;
    상기 제1 가스 소스로부터의 제1 가스, 제2 가스 소스로부터의 제2 가스, 또는 둘 모두의 유량을 변화시킴으로써, 원하는 디보란 농도를 갖는 붕소 도핑 가스를 혼합하는 단계; 및
    상기 붕소 도핑 가스를 상기 프로세싱 챔버의 프로세싱 볼륨에 전달하는 단계를 포함하는,
    기판을 프로세싱하는 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 광학 센서는,
    바디;
    복수의 윈도우들 ― 상기 복수의 윈도우들 중 개별 윈도우들은 상기 바디의 대향 단부들에 배치되고, 그리고 상기 바디와 상기 복수의 윈도우들은 셀 볼륨을 정의함 ―;
    상기 복수의 윈도우들 중 제1 윈도우에 근접하게, 상기 셀 볼륨의 외측에 배치된 방사 소스; 및
    상기 복수의 윈도우들 중 제2 윈도우에 근접하게, 상기 셀 볼륨 외측에 배치된 제1 방사 검출기를 포함하는,
    기판을 프로세싱하는 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 윈도우 및 상기 제2 윈도우 중 하나 또는 둘 모두는 MgF2, KBr, 사파이어, 또는 이들의 조합들로 형성되는,
    기판을 프로세싱하는 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 광학 센서는 제2 방사 검출기를 더 포함하는,
    기판을 프로세싱하는 방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 광학 센서는 상기 제1 방사 검출기와 상기 제2 윈도우 사이에 개재된 제1 광학 필터를 더 포함하는,
    기판을 프로세싱하는 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 광학 필터는, 디보란의 IR 흡수 피크 +/- 약 250 nm 이내의 또는 테트라보란의 IR 흡수 피크 +/- 약 250 nm 이내의 중심 투과 파장(λC)을 갖는,
    기판을 프로세싱하는 방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 광학 센서는 제2 방사 검출기, 및 상기 방사 소스와 상기 제2 방사 검출기 사이에 배치된 제2 광학 필터를 더 포함하며,
    상기 제1 광학 필터는 디보란의 IR 흡수 피크 +/- 약 250 nm 이내의 중심 투과 파장(λC)을 갖고 그리고 상기 제2 광학 필터는 테트라보란의 IR 흡수 피크 +/- 약 250 nm 이내의 중심 투과 파장을 갖는,
    기판을 프로세싱하는 방법.
  13. 기판을 프로세싱하는 방법을 위한 명령들이 저장된 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하며,
    상기 방법은,
    제1 가스 소스와 프로세싱 챔버를 유동적으로 커플링하는 가스 도관으로부터 획득된 가스 샘플 내의 디보란 농도를 결정하는 단계 ― 상기 디보란 농도를 결정하는 단계는 광학 센서를 사용하는 단계를 포함함 ―;
    상기 제1 가스 소스로부터의 제1 가스, 제2 가스 소스로부터의 제2 가스, 또는 둘 모두의 유량을 변화시킴으로써, 원하는 디보란 농도를 갖는 붕소 도핑 가스를 혼합하는 단계; 및
    상기 붕소 도핑 가스를 프로세싱 챔버의 프로세싱 볼륨에 전달하는 단계를 포함하는,
    프로세싱 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 광학 센서는,
    바디;
    복수의 윈도우들 ― 상기 복수의 윈도우들 중 개별 윈도우들은 상기 바디의 대향 단부들에 배치되고, 그리고 상기 바디와 상기 복수의 윈도우들은 셀 볼륨을 정의함 ―;
    상기 복수의 윈도우들 중 제1 윈도우에 근접하게, 상기 셀 볼륨의 외측에 배치된 방사 소스; 및
    상기 복수의 윈도우들 중 제2 윈도우에 근접하게, 상기 셀 볼륨 외측에 배치된 제1 방사 검출기를 포함하는,
    프로세싱 시스템.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 광학 센서의 제1 윈도우 및 제2 윈도우 중 하나 또는 둘 모두는 MgF2, KBr, 사파이어, 또는 이들의 조합들로 형성되는,
    프로세싱 시스템.
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