TW202405424A - 使用光電離進行過程污染物檢測的分壓力計元件及相關方法 - Google Patents

Abstract

一種被構造成測量分析氣體的光電離感測器元件包括限定腔室的殼體，該腔室包含分析氣體和非分析氣體的分子。輻射源被構造成將光子發射到腔室中。第一、第二和第三電極位於腔室中。光子電離分析氣體的分子，射出電子，但不足以電離非分析氣體的分子。光子撞擊第三電極，射出光電子。控制器電偏置第一、第二和第三電極，使得電子和光電子聚集在第一和第二電極上，從而生成被測量的電流。控制器通過使用被吸引向第二電極的射出光電子的比率來校正第二電極上的測量電流，來確定聚集在第一和第二導電電極上的射出光電子的比率和由於電離產生的電流量。

Description

使用光電離進行過程污染物檢測的分壓力計元件及相關方法

所公開的發明總體上涉及壓力計領域，並且具體地涉及用於半導體處理工具上的故障檢測的分壓力計，其中該壓力計利用高能光子來選擇性地測量減壓的惰性氣體中的污染物。 相關申請的交叉引用 本申請要求2022年4月19日提交的並且題為“PARTIAL PRESSURE GAUGE FOR PROCESS CONTAMINANT DETECTION USING PHOTOIONIZATION”的美國臨時專利申請序號63/332,351的權益和優先權。所述申請的全部內容通過引用併入本文。

現代積體電路(IC)製造從高純度半導體晶片開始，並且然後這些晶片在數周或數月的時段內經過數百個嚴格控制的過程步驟。在晶片完成這些步驟後，它被切割成大量較小的管芯。這些管芯隨後被封裝，並且由此產生的器件，如IC，成為許多現代電子器件的核心。以高產量生產高性能半導體器件需要嚴格控制晶片周圍的微環境。在不同的生產步驟中，由於暴露於某些過程污染物，部分完成的器件或多或少存在損壞的風險。舉例來說，在接觸電晶體的源極或漏極區域所涉及的金屬層的生長期間，痕量氧暴露可能增加該層的電阻並使器件時間常數降級，從而降低產量。作為第二個例子，殘留在晶片表面的痕量碳氫化合物污染物可能使半導體處理工具的部件降級，所述半導體處理工具例如光刻光學器件。作為第三個例子，在電介質沉積的金屬化中使用的前體化學物質可能從腔室中未完全清除，或者可能從處理腔室洩漏回到轉移腔室中，在轉移腔室中它們會損壞轉移晶片。因此，在半導體晶片的處置、儲存和處理步驟期間監測這些污染物是很重要的。 典型地，晶片的微環境維持超淨無污染，並且儘管一些過程處於高真空(即小於1e-5托)，但是許多現代半導體工藝在低得多的真空(1至100托)下在惰性氣體流中進行。這意味著在過程步驟期間，通常存在高水準的惰性氣體，如氮氣、氬氣或氫氣。測量總壓力指示這些主要物質的水準，但它未提供可接受的痕量污染物的指示，痕量污染物可能以比總壓力低一百萬倍的水準存在。例如，如果在特定的工具步驟中識別出1 ppm水準的氧，則可以暫停處理附加的晶片，並且可以更換有故障的部件，例如腔室o形環，以防止附加的晶片報廢並減少工具停機時間。類似地，晶片表面上低水準的有機污染物可能導致圖案轉移中的缺陷，從而導致邊緣位置誤差和其他產量影響因素。除了產量影響之外，碳氫化合物污染物還可能離開晶片表面，使最新半導體節點中所需的複雜且昂貴的光刻部件降級。更換以這種方式損壞的光學器件和掩模可能非常昂貴。在競爭激烈的半導體製造行業中，控制所有這些產量和工具影響因素非常重要。除了污染之外，還有其他情況下確定背景氣體中痕量水準物質也很重要，例如確定蝕刻終點。 總壓力可以用多種類型的壓力計測量。這些包括Bayard-Alpert型電離真空計、電容壓力計和熱電偶真空計等等。形式上，只有壓力計測量氣體的真實壓力，因為其他壓力計提供與電離截面、熱傳輸或氣體的其他特性相關的數量密度估計。然而，近似地說，最普通類型的計量器測量的是與氣體總壓力相關的氣體特性，而不是痕量成分。 測量痕量成分的這個問題傳統上是通過使用一種稱為殘餘氣體分析儀(RGA，例如一種質譜儀)的特殊類型的“離子計”來解決的。與諸如Bayard-Alpert真空計的離子真空計一樣，RGA使用高能電子束將中性物質轉化為離子。在70到100 eV的典型電子能量下，所有氣體分子都有可能以某個概率被電離。RGA包括品質篩檢程式，通過不同的質荷比(m/z)來分離這些離子。將m/z與微環境中存在的不同氣體相關聯，並與電離截面和感測器m/z靈敏度因數相結合，可以用於估計不同污染分子的分壓力，即使這些分子在大多數氣體中以低水準(即1 ppm)存在。不幸的是，質譜的使用不能直接應用於在1至100托的壓力下操作的現代半導體工藝。這是因為低壓(＜1e-4托)對於大多數RGA的操作是必要的。簡而言之，在RGA中，低壓是燈絲(陰極)操作所必需的。在壓力＞1e-4托時，空間電荷開始將燈絲遮罩於其提取場之外。此外，離子轟擊和氧化可能腐蝕燈絲材料。RGA的另一個問題是，低壓對於限制品質分析器中離子分子碰撞的影響以及避免二次電子放大器中的離子回饋或等離子體放電是必要的。因此，為了將RGA附著到許多現代半導體工具或過程步驟，需要附加的抽吸。這增加了成本，延遲了回應時間，並且在已經擁擠的半導體反應腔室周圍需要相當大的空間。而且也是昂貴的。仍然需要測量這些較高壓微環境中痕量污染物的分壓力。 對於設計成在較高壓下(約1托以上)操作的計量器來說，還存在附加問題。在這個壓力範圍內，氣體分子的平均自由程相對於感測器的尺寸通常非常短。當壓力前沿以音速傳播時，可以很快檢測到總壓力的變化。然而，確定腔室特定點處次要物質的分壓力取決於該物質向計量器的擴散或傳輸。因此，分壓力計必須可位於接近感興趣區域；否則，感測器將不足以快速回應以解決半導體行業的許多常見問題。在氣體以高速率流動的某些情況下，由於污染物在它到達安裝在例如前級管道上的感測器時被稀釋，因此計量器可能完全錯過洩漏或污染物。此外，考慮到半導體工具周圍的空間非常有限，設計能夠與相關區域緊密通信的感測器非常重要。 這些只是與總壓力計和常規分壓力計(諸如RGA)相關的一些問題。

本公開涉及一種可以直接插入到過程環境中的感測器計量元件。分壓力離子計的實施例包括電饋通凸緣、等離子體生成外殼和一系列電極。電介質殼體支撐離子和電子透鏡，並且將等離子體生成外殼完全包含在處理環境內。 這裡公開的感測器利用由自包含等離子體組成的燈來生成高能光子，而不是像上面討論的RGA那樣典型地使用熱陰極燈絲來進行電離。等離子體外殼包含減壓的氪氣樣本，儘管它也可以包含氬、氙或其他氣體。在兩個電極之間生成的高電場圖案化在等離子體外殼的外部或者以其他方式位於外殼附近，將能量耦合到所包含的氣體中，並從而產生等離子體，當受激等離子體物質鬆弛回到它們的低能態時，該等離子體發光。外殼可以是任何能夠被密封並且能夠承受等離子體和過程之間的壓力差的電介質。例如，它可以是氧化鋁的模製件。但是最典型的等離子體源是由一塊吹制的Pyrex®玻璃構成的。不考慮包含等離子體源的材料，在這種燈的一個面上，存在UV透明晶體。這種晶體由對高能光子透明的材料組成。在各種實施例中，晶體可以由氟化鎂、氟化鈣或氟化鋰或一些其他合適的材料組成。而且，從設計用於在高壓環境(例如大氣壓)下操作的傳統光電離感測器中眾所周知，電離可以是選擇性的。一般來說，氪放電的光子能量高於大多數有機分子的第一電離能，但不足以電離氮或氬或氫。 氣體感測器的實施例包括在凸緣內部的該氣體外殼。該氣體外殼可以由氧化鋁組成。在實施例中，光學元件包括藍寶石。 用於測量氣體壓力的感測器元件的實施例包括限定腔室的殼體，該腔室包括第一端和相對的第二端，並且該腔室對於殼體周圍的分析氣體分子是可滲透的。輻射源位於腔室的第一端，並被構造成將光子發射到腔室中。第一電極朝向腔室的第一端定位，第二電極位於腔室內，並且第三電極朝向腔室的第二端定位。控制器至少與第一和第二電極通信。發射到腔室內的光子導致光電子從第三電極射出。控制器被構造成電偏置第一、第二和第三導體，使得射出的電子和光電子被吸引向並聚集在第一和第二導電電極上，從而生成電流。控制器還測量在第一和第二導電電極上生成的電流，並確定被吸引向並聚集在第一和第二導電電極上的射出光電子的第一比率，其中第一比率取決於第一總壓力。控制器被構造成還確定被吸引向並聚集在第一和第二導電電極上的射出光電子的第二比率，並基於第二比率確定第二總壓力。 在實施例中，第三電極包括導電材料，該導電材料的功函數在暴露於水或氧的情況下比不銹鋼的功函數更穩定。在實施例中，腔室的第二端至少部分向周圍環境開放。在實施例中，第三電極包括金或鎳。在實施例中，輻射源至少部分被殼體包圍。在實施例中，第三電極包括格柵。 被構造成在存在非分析氣體的情況下測量分析氣體的光電離感測器元件的實施例包括殼體，該殼體限定了具有第一端和相對的第二端的腔室，並且該腔室對於殼體周圍的分析氣體和非分析氣體的分子是可滲透的。輻射源位於腔室的第一端，並被構造成將光子發射到腔室中。第一導電電極朝向腔室的第一端定位，第二導電電極位於腔室中，並且第三導電電極朝向腔室的第二端定位。控制器至少與第一和第二導電電極通信。發射的光子電離分析氣體的至少一些分子，以從分析氣體的至少一些分子中射出電子，並且發射的光子不足以電離非分析氣體的分子。發射的光子進一步撞擊第三導電電極，導致光電子射出。 控制器被構造成電偏置第一、第二和第三導電電極，使得射出的電子和光電子被吸引向並聚集在第一和第二導電電極上，從而生成電流。該控制器還被構造成測量在第一和第二導電電極上生成的電流，確定在總壓力下在第一和第二導電電極上聚集的射出光電子的比率，並通過使用被吸引向第二導電電極的射出光電子的比率校正第二導電電極上的測量電流來確定由於電離而產生的電流量。在實施例中，腔室的第二端至少部分向周圍環境開放。在實施例中，第三導電電極包括金。在實施例中，輻射源至少部分被殼體包圍。在實施例中，光電離感測器組件還包括安裝在共用凸緣上並被配置成測量總壓力的壓力計。在另外實施例中，腔室的第二端至少部分向周圍環境開放。 用於在存在非分析氣體的情況下測量分析氣體的方法的實施例包括構造光電離感測器，以包括： (a)限定具有第一端和相對的第二端的腔室的殼體，其中腔室對於殼體周圍的分析氣體和非分析氣體的分子是可滲透的； (b)位於腔室第一端的輻射源； (c)朝向腔室第一端定位的第一導電電極、位於腔室中的第二導電電極和朝向腔室第二端定位的第三導電電極；以及 (d)至少與第一和第二導電電極通信的控制器。 該方法還包括將光子從輻射源發射到腔室中，以電離分析氣體的至少一些分子，導致電子從分析氣體的至少一些分子中射出，並且其中發射的光子不足以電離非分析氣體的分子。從輻射源發射到腔室中的光子進一步撞擊第三導電電極，並引起光電子的射出。該方法還包括構造控制器以： (a)電偏置第一、第二和第三導電電極，使得射出的電子和光電子被吸引向並聚集在第一和第二導電電極上； (b)測量在第一和第二導電電極上生成的電流； (c)確定在總壓力下被吸引向並聚集在第一和第二導電電極上的射出光電子的比率，以及 (d)通過使用被吸引向第二導電電極的射出光電子的比率來校正第二導電電極上的測量電流，來確定由於電離產生的電流量。 在實施例中，該方法還包括構造第三導電電極以包含金。在實施例中，該方法還包括將腔室的第二端構造成至少部分向周圍環境開放。在實施例中，該方法還包括構造第三導電電極以包括格柵。在實施例中，該方法還包括將殼體構造成至少部分圍繞輻射源。在實施例中，該方法還包括構造由氪氣體組成的輻射源。 本公開的附加特徵和優點在下面的附圖說明和具體實施方式中描述，並且將從下面的附圖說明和具體實施方式中是清楚的。

以下討論涉及資料連接器元件的各種實施例。將會理解，這裡描述的版本是體現這裡詳細描述的某些發明概念的示例。為此，其他變化和修改對於本領域技術人員來說將是容易清楚的。此外，在整個討論中使用了某些術語，以便提供關於附圖的合適參考框架。這些術語，例如“上”、“下”、“向前”、“向後”、“內部”、“外部”、“前部”、“後部”、“頂部”、“底部”、“內”、“外”、“第一”、“第二”等，並不旨在限制這些概念，除非特別這樣指出。這裡使用的術語“大約”或“近似”可以指要求保護或公開的值的80%-125%的範圍。關於附圖，它們的目的是描述資料連接器元件的顯著特徵，並且不是按比例特別提供的。 使用光電離感測器計量器或計量器組件(“感測器”)100和相關元件的用於過程污染物檢測的分壓力計元件的實施例被配置為檢測處理腔室或半導體生產或製造元件10中碳氫化合物的存在，該元件10也被稱為製造工具或集群工具，因為其容納腔室的聯合。在一些情況下，碳氫化合物污染的發生是由於在集群工具10的製造中使用了不相容的部件、系統洩漏、或者當半導體晶片(“晶片”)50被引入工具10中時污染可能出現在半導體晶片(“晶片”)50本身上。參考圖1，製造工具10包括轉移模組或轉移腔室12和緩衝模組或緩衝腔室13，它們被構造成容納能夠處置半導體晶片50的晶片處理機器人14、15。附加的處理腔室20、22、24、26、28可以位於轉移模組12和緩衝模組13周圍。在實施例中，一個或多個附加處理腔室20、22、24、26、28能夠向轉移/緩衝腔室12、13的環境開放，使得附加處理腔室20、22、24、26、28的內部環境能夠移動到轉移/緩衝腔室12、13的環境中，和/或轉移/緩衝腔室12、13的環境能夠移動到附加處理腔室20、22、24、26、28的內部環境中。在將晶片從盒30中取出後，將其移動通過處理腔室20、22、24、26、28，處理腔室20、22、24、26、28可以被構造成接受晶片作為製造步驟的一部分，並且可以包含在一個或多個製造步驟期間使用的各種試劑、材料或工藝。轉移腔室12和一些或所有的附加處理腔室20、22、24、26、28通過真空系統維持在低於大氣壓的壓力下，該真空系統可以與製造工具10分離或者可以與製造工具10集成。製造工具10中包括脫氣腔室26，並且脫氣腔室26被配置為接受並加熱晶片50。加熱晶片50啟動了晶片50上存在的揮發性物質，例如水和碳氫化合物，從而在製造過程進行之前通過蒸發將它們從晶片上去除。 感測器計量器100可以安裝在製造工具10中的一個或多個位置。如圖1所示，感測器計量器100安裝在脫氣腔室26中。感測器計量器100的關鍵優點在於，它能夠檢測諸如碳氫化合物的分析物的存在，確定與該分析物相關聯的信號，並使用該信號來確定分析物的分壓力。然後，該分壓力資訊可用於確定脫氣過程的完成或成功，或用於檢測異常高的污染水準，該異常高的污染水準可指示過程中的上游問題(例如，光刻膠去除、清洗過程等)。 在圖2-5所示的感測器計量器100的實施例中，感測器計量器100具有位於處理或製造環境外部的第一端111和位於處理環境內部的第二端113。感測器安裝在凸緣112和密封元件115上，凸緣112固定在處理腔室(未示出)的外部，密封元件115(例如，墊圈或o形環)產生氣密密封。支撐件114抵靠凸緣112的面向外的表面，並且壁116從支撐件114耦合到凸緣112的相對側。如圖所示，壁116通常為圓柱形，並限定了空間117。支撐件114用於支撐至少兩個源電極118，每個源電極都位於輻射源130附近。源電極118可以包括輻射源130表面上的金屬化部、黏合到輻射源130的導電帶，或者如圖所示焊接到電路板150的導電環，電路板150通過板支撐件151附著到支撐件114。如圖所示，輻射源130是具有位於處理環境外部的第一源端131和固定在殼體110內部的第二源端133的燈。輻射源130圍繞填充有氣體(例如Kr氣體)的體積，然而其他實施例可以使用不同的氣體。輻射源130由通常透明的材料組成，該材料是抗碎的並且能夠承受高熱和壓力變化。在實施例中，輻射源可以由玻璃組成或包圍，例如Pyrex®。密封件122可以位於凸緣112和輻射源130之間，以產生氣密密封。如圖所示，該密封件122是o形環，具有由支撐件114施加的壓縮力，以維持氣密密封。 由壁116限定的空間117內襯有電介質160，以形成電離腔室162，電離腔室162在第一端由密封到輻射源130的第二源端133的輻射窗163界定。輻射窗163由允許高能光子從輻射源130傳入電離腔室162的UV透明晶體組成。在一些實施例中，輻射窗163可以由氟化鎂、氟化鈣、氟化鋰或一些其他合適的材料組成。多個開口164穿過電介質160和壁116，以允許來自處理腔室189的氣體滲透或進入電離腔室162。第一電極170位於電離腔室162中，使得輻射窗163位於輻射源130的第二源端133和第一電極170之間。如圖4的實施例所示，第一電極170包括邊緣或外邊緣172，一個或多個橫向構件174橫跨外邊緣172的寬度和/或形成格柵狀圖案。在橫向構件174和外邊緣172之間限定了穿過第一電極170的多個開口176。 仍然參照圖4，第二電極180與第一電極170間隔開並且遠離輻射窗163。第二電極180包括邊緣或外邊緣182，一個或多個橫向構件184橫跨邊緣182的寬度和/或形成格柵狀圖案。邊緣182和一個或多個橫向構件184限定了穿過第二電極180的多個開口186。第三電極190與第二電極180間隔開，並位於第二殼體端113和第二電極180之間。類似於第一和第二電極17、180，第三電極190包括邊緣或外邊緣192，一個或多個橫向構件194橫跨邊緣192的寬度和/或形成格柵狀圖案。邊緣192和一個或多個橫向構件194限定了穿過第三電極190的多個開口196。電信號和偏壓通過凸緣112借助於總體上由120(圖2)表示的饋通和導體提供給第一、第二和第三電極170、180、190。 回到圖2，第一和第二電極170、180之間的空間大於第二和第三電極180、190之間的空間，因為製造系統10在低總壓力下運行。當壓力較低時，需要生成更多的離子來提高靈敏度。在實施例中，第一和第二電極170、180之間的空間與第二和第三電極180、190之間的空間之比為8∶1。這意味著第一和第二電極170、180之間需要更大的空間，以使足夠的氣體粒子進入電離腔室162，從而發生足夠的光電離。在用於較高壓力環境的實施例中，第一和第二電極170、180之間的距離可以縮短，使得該比率小於8∶1。儘管幾個實施例示出了位於第一和第三電極170、190之間的第二電極180，但是其他實施例可以不具有完全位於第一和第三電極170、190之間的第二電極180。 第一、第二和第三電極170、180、190是導電的，並且可以由鋼組成並塗有鍍金。與如不銹鋼這樣的材料的功函數相比，當暴露於氧氣時，鍍金的功函數不會經歷顯著變化。電極170、180、190佈置在電離腔室162中，使得它們的一個或多個橫向構件174、184、194彼此遮蔽。如圖3-5所示，電極170、180、190中每個具有兩個橫向構件174、184、194。橫向構件使得電極170、180、190的表面積最小化，以便降低背景雜訊。在其他實施例中，一個或多個電極170、180、190具有兩個以上的橫向構件。 現在將參照圖2-5討論感測器計量器100的感測器部分的操作。控制電子設備80或控制器示意性地顯示在圖5中，並且與感測器計量器100通信。控制電子設備80通常一起聚集在耦合到感測器凸緣112的盒中，儘管它們可以遠離感測器計量器100定位並且通過電纜連線到感測器計量器100。在感測器計量器100所處的情況下，例如，在溫度對於控制電子設備80來說過高而無法生存的環境中，將控制電子設備80定位在遠端位置將是有利的。在實施例中，控制電子設備80可以包括用於輻射源130的電源、用於感興趣的電流的測量電路、偏壓電源、資料處理器、通信部等……。感測器計量器100使用光電離來檢測從處理腔室189進入電離腔室162的處理氣體中分析物的存在。使用源電極118啟動輻射源130，在這種情況下是燈，以點燃輻射源130內的等離子體140。等離子體140發射光子穿過輻射窗163並進入電離腔室162。輻射源130(以及因此等離子體140)可以使用光電二極體和/或照相機來調節或控制，以測量由等離子體140發射的光的波動。輻射源130可以相應地被微調以消除這種波動。至少一些光子的波長能夠電離電離腔室162中的分析氣體分子，例如碳氫化合物氣體分子。當光子與分析氣體的分子碰撞時，它們具有足夠的能量通過射出電子從分析氣體分子中產生離子。 第一、第二和第三電極170、180、190被偏置以規定電離體162中的一個或多個帶電粒子的流動。在示例中，第一電極170和第二電極180通過電流-電壓轉換放大器(I到V)保持在虛地，並且第三電極190充當相對於地保持在某個負電位元的陰極，通常在-80V和-300V之間。光子由輻射源130發射，並行進穿過輻射窗163進入電離體162，在電離體162中，光子與分析氣體分子碰撞。根據電離發生的位置、感測器的幾何形狀、偏壓和/或背景氣體的壓力，每次碰撞都有可能導致電子從分析氣體分子中射出，產生朝向陰極/第三電極190移動的正離子，同時射出的電子朝向第一電極170或第二電極180移動。一些光子的波長短到足以有效地電離大多數有機分子，但是光子的能量不足以電離可能存在於電離腔室162中的背景氣體，通常是氮氣或氬氣或氫氣。 在第一電極170和第二電極180處聚集的電子流通過饋通120(見圖2)傳輸到控制電子設備80，在那裡電流被轉換成電壓、放大和數位化。由控制器80檢測到的電子流的存在是分析氣體可能存在於處理腔室189中的指示。除了由分析氣體分子的光電離產生的該電子流之外，另一個電子流源可以由感測器計量器100測量。例如，能量足以電離碳氫化合物的光子，具有的能量比足以使電子從大多數導體中射出(光電子)的能量更多。在第三電極190表面生成的光電子通過由第三電極190偏置建立的電場朝著第一和第二電極170、180加速並聚集，在這些電極上產生基線電流，並將該光電子電流上存在的任何雜訊和漂移貢獻給感興趣的測量信號。如果這些光電子電流是恆定的，它們可以剛好從信號中減去，但它們通常不是恆定的。因此，減少光電子電流上的雜訊和漂移提高了感測器計量器100測量碳氫化合物的能力。降低絕對雜訊和漂移的一種方法是整體降低光電子電流。這可以通過減少暴露於UV光子的第三電極190的面積來進行。通過減少充當光電子源的第三電極或第三電極190的暴露面積，可以減少光電子電流以及該電流上的絕對雜訊。圖中所示的感測器計量器100的實施例具有第三電極190，該第三電極190包括兩根直徑為0.75 mm的金線，並且跨第三電極直徑拉伸，以提供所需的電場，同時盡可能減小光電子產生區域。 此外，對於給定的光子通量和能量分佈，產生的光電子電流取決於被照射表面的功函數。如果這個功函數不是恆定的，那麼產生的電流將不是恆定的，即使給定所有其他變數(光子通量、面積、溫度)是固定的。導電表面的功函數可能受到水或氧或其他高電負性化學物質的影響，這些化學物質可能存在於某些晶片蝕刻環境中。這些對信號電流的影響與某些半導體工藝中碳氫化合物污染物的監測有關，例如當晶片可以從有氧環境轉移到無氧環境時。對背景光電子電流的剩餘影響可能掩蓋感興趣的小碳氫化合物信號。圖11示出了這種影響以及在該感測器計量器100中克服這種影響的一種方式。這裡，從29300秒到30200秒將10 ppm異丁烯的方波脈衝注入氮氣平衡中，同時保持總壓力恆定。在脈衝之前和之後，感測器計量器100暴露於純氮氣，但是在脈衝期間，除了異丁烯之外，氧氣濃度從零增加到1%。在比較第一和第二電極170、180上的脈衝前後的信號時，基線的偏移是可辨別的。基線的這種偏移是由於在樣本脈衝期間發生並在樣本脈衝之後持續的光電子產生的減少(因為感測器100暴露於氧氣)造成的。基線在之後只有非常緩慢地恢復。這種影響歸因於(主要)第三電極190表面的功函數。為了獲得相對於其可以測量碳氫化合物脈衝的穩定基線，可以從在第一電極170上測量的信號中減去在第二電極180上測量的信號的光電子部分。當這個部分選擇正確時，它從資料中消除了光電子影響，如圖11中的“校正信號”所示。 這些光電子在第一和第二電極170、180上的分佈是感測器100正操作於的壓力的相當複雜的函數。圖6a示出了在第一和第二電極170、180上測量的光電子電流，該光電子電流是在第三電極190偏置-80V的情況下氮氣中壓力的函數。這些曲線的形狀是由於光電子從背景氣體的壓力相關散射造成的。從第一電極信號中減去第二電極信號的正確部分以得到“校正”信號，可以從類似這樣的感興趣壓力的圖表中讀出。一旦對於特定的電極幾何形狀確定了這兩條曲線，就可以在不期望有碳氫化合物信號存在的一段過程內，例如在晶片脫氣過程中加熱之前，根據這兩個電極信號來確定感測器100中的壓力。作為說明，在圖6a所描繪的訓練資料集中，為兩個電極信號創建了壓力的回歸模型。基於核嶺回歸的標準機器學習演算法被用於開發基於兩個電流預測壓力的模型。然後將該模型應用於圖6b所示的單獨測試資料集中的兩個感測器電流。6b中的該資料不用於訓練模型。對於一組隨機的當前測量，找到了“預測壓力”。該預測壓力顯示在第二個y軸上。虛線示出了示例，其中在大約195托下測量的兩個電流被用於預測大約198托的壓力。以這種方式，感測器100不僅可以用於測量碳氫化合物分壓力，而且可以測量系統中的總壓力，即使當主要物質不能被UV光子電離時。 當然，如果要優化總壓力測量而不是被UV光子電離的物質的測量，則不必像在所公開的感測器100中所做的那樣試圖最小化光電子產生區域。並且也可能希望使用這樣的光源，在該光源中能量足以從第三電極或陰極產生光電子，但是在該光源中能量太低而不能電離碳氫化合物或其他氣態物質。 對“校正信號”和“預測壓力”的計算可以由控制電子設備80中的機載處理器或遠端電腦來執行。 降低這些光電子影響的另一種方法是穩定光電子的產生，以對抗功函數變化。由於一些導電表面上的氧和/或水的存在對其功函數的影響比其他導電表面更強大，因此仔細選擇第三電極表面材料可以有所幫助。金比不銹鋼更不容易受到這種影響，因此這裡描述的感測器100的第三電極190具有金表面。這已經通過不同的方式實現；例如金線和鍍金的不銹鋼零件。第一和第二電極170、180也可以是鍍金的，但是這些表面並不那麼重要，因為感測器中的典型偏置有助於防止光電子電流在這些表面產生並在別處聚集。 參考圖7，示出了感測器計量器200的另一個實施例。除了增加了整體總壓力計260之外，該實施例與上述實施例相同。在該實施例中，感測器計量器200包括感測器部分210和壓力計部分260。感測器部分210包括第一端211和第二端213。提供了凸緣212或其他表面，其被配置為附著到處理腔室或其他支撐件的一部分。支撐件214位於凸緣212的一側，並被構造成支撐位於輻射源230附近的一個或多個電極(未示出)。一個或多個電極未示出，但是可以類似於之前討論的電極的其他實施例。類似於前面討論的實施例，壁相對於支撐件214耦合到凸緣212的相對側，並限定空間。如圖7所示以及如其他實施例中所述，輻射源230是燈。輻射源230具有位於外部的第一源端231和固定在內部的第二源端。一個或多個饋通220可以連接到電源或控制器80或與其通信。如圖所示，輻射源230圍繞填充有氣體(例如Kr氣體)的體積，然而其他實施例可以使用不同的氣體。輻射源230由通常透明的材料組成，該材料是抗碎的並且能夠承受高熱和壓力變化。在實施例中，輻射源230由玻璃組成，例如Pyrex®。 管250將感測器計量器200安裝在其中的大氣氣動耦合到壓力計260。選擇壓力計260來測量感測器預期操作範圍內的壓力。將壓力計260與感測器計量器200包括在一起可以節省被監測的處理系統上的凸緣。電離腔室內部的壓力由壓力計260測量，也可以用於進行上述的光電子校正。對第二電極上的壓力和光電子電流的測量，以及對第一和第二電極上測量的光電子電流的比率如何依賴於壓力的瞭解，允許去除光電子對第一電極上測量的電流的貢獻，留下校正的分析物信號。壓力測量被報告給控制電子設備80，在那裡它們被使用、記錄和/或傳遞給感測器的用戶。壁具有內襯有電介質的內部空間，以限定類似於前面討論的實施例的電離空間。三個電極(未示出)位於電離空間中。第一電極(未示出)位於輻射窗(未示出)附近，隨後是第二和第三電極(未示出)，並且彼此隔開，使得第二電極(未示出)位於第一電極(未示出)和第三電極(未示出)之間。電極(未示出)以類似於先前討論的第一、第二和第三電極170、180、190的方式配置。可以在壁和電介質中限定一個或多個開口(未示出)，以使氣體能夠從處理腔室進入電離腔室(未示出)。分析物的檢測和壓力確定以與前述實施例中描述的類似方式進行。 參考圖8和9，示出了感測器計量器300的另一個實施例，並且現在將對其進行描述。感測器計量器300的該實施例將輻射源330完全定位在處理腔室389內，使得感測器計量器300可以定位在被處理的晶片50或製造元件10的任何其他部分緊密附近。感測器計量器300具有多引腳真空饋通元件310，其包括位於處理或製造環境外部的第一側311和位於處理環境內部的第二側313。多引腳真空饋通元件310具有抵靠處理腔室389的外側388固定的凸緣312和產生氣密密封的密封元件315。支撐件314位於多引腳真空饋通元件310內部。殼體壁316在遠離凸緣312的方向上延伸，並且包括限定空間的大致圓柱形形狀。支撐件314用於支撐至少兩個電極320，每個電極都位於輻射源330附近。如圖所示，輻射源330也是燈。輻射源330包括第一源端331和第二源端333，第二源端333固定在殼體316內凸緣312的處理側。輻射源330圍繞填充有氣體(例如Kr氣體)的體積，然而其他實施例可以使用不同的氣體。輻射源330由通常透明的材料組成，該材料是抗碎的並且能夠承受高熱和壓力變化。在實施例中，輻射源由玻璃組成或被玻璃包圍，例如Pyrex®。在實施例中，殼體壁316用作至少部分包圍輻射源330並封裝驅動輻射源330的電極的套筒。殼體壁316理想地由Teflon®或其他類似的含氟聚合物製成，作為真空和工藝相容性以及高擊穿電壓的合理選擇。該電介質屏障用於防止在一些感測器操作壓力和使用中可能經歷的暫態壓力下可能發生的源電極放電。在其他實施例中，除了輻射窗363之外，輻射源330通常被封裝。 由壁316限定的空間內襯有電介質360，以形成電離空間或電離腔室362，電離空間或電離腔室362在第一端由密封到輻射源330的第二源端333的輻射窗363界定。多個開口可以穿過電介質360和壁316，以使氣體能夠從處理腔室進入電離腔室362。電離腔室362的相對端也向處理腔室389開放，如感測器計量器100、200的前述實施例中那樣。第一電極370位於電離腔室362中，使得輻射窗363位於輻射源330的第二源端333和第一電極370之間。在所示實施例中，第二電極380位於電離空間362中，與第一電極370間隔開，使得第一電極370通常位於輻射窗363和第二電極380之間。第三電極390遠離第二電極380並朝向電離腔室362的相對端定位。第一、第二和第三電極370、380、390類似於先前討論的其他實施例定位，並且也可以以類似於先前討論的其他實施例的方式構造。在圖9所示的實施例中，第三電極390被特別示出，並且限定了穿過第三電極390的一系列圓形開口396，然而，出於先前解釋的原因，第三電極390可以如先前描述的實施例中那樣被配置。分析氣體分子的檢測和壓力確定以與前述實施例中描述的類似方式進行。從感測器到控制電子設備80的電連接是通過饋通元件310中的引腳進行的。 雖然已經參照某些示例性實施例具體示出和描述了本發明，但是本領域技術人員將理解，在不脫離由書面描述和附圖支持的本發明的精神和範圍的情況下，可以在細節上進行各種改變。例如，所公開的方法和元件可用於確定感測器腔室中樣本的分析物數量密度或其他特性。此外，在參考一定數量的元件描述示例性實施例的情況下，將會理解，可以利用少於或多於一定數量的元件來實踐示例性實施例。

10:製造工具 20:處理腔室 22:處理腔室 24:處理腔室 14:處理機器人 15:處理機器人 13:緩衝腔室 28:處理腔室 50:晶片 100:感測器計量器 26:處理腔室 30:盒 110:殼體 111:第一端 112:凸緣 113:第二端 114:支撐件 115:密封元件 116:壁 117:空間 118:源電極 120:饋通 122:密封件 130:輻射源 131:第一源端 133:第二源端 140:等離子體 150:電路板 151:板支撐件 160:電介質 162:電離腔室 163:輻射窗 164:開口 170:第一電極 180:第二電極 189:處理腔室 190:第三電極 172:外邊緣 174:橫向構件 176:開口 182:邊緣 184:橫向構件 186:開口 192:邊緣 194:橫向構件 196:開口 80:控制電子設備 200:感測器計量器 210:感測器部分 211:第一端 212:凸緣 213:第二端 214:支撐件 220:饋通 230:輻射源 231:第一源端 250:管 260:壓力計 300:感測器計量器 310:饋通元件 311:第一側 312:凸緣 313:第二側 314:支撐件 315:密封元件 316:殼體壁 320:電極 330:輻射源 331:第一源端 333:第二源端 360:電介質 362:電離腔室 363:輻射窗 370:第一電極 380:第二電極 388:外側 389:處理腔室 390:第三電極 396:開口

通過參考實施例，可以對以上簡要概述的本發明進行更具體的描述，其中一些實施例在附圖中示出。然而，要注意的是，附圖僅示出了本發明的典型實施例，並因此不應被認為是對其範圍的限制，因為本發明可以允許其他等效的實施例。因此，為了進一步理解本發明的本質和目的，可以參考以下結合附圖閱讀的詳細描述，其中： [圖1]示意性地示出了半導體製造中使用的集群工具的實施例的截面圖。 [圖2]示出了用於支撐半導體製造工具的感測器計量器的實施例的截面圖。 [圖3]示出了感測器計量器的實施例的透視圖。 [圖4]示出了圖3的感測器計量器的實施例的截面圖。 [圖5]示出了感測器計量器的實施例的透視圖。 [圖6]示出了基於感測器計量器中的光電子電流的回歸模型預測總壓力的示例。 [圖7]示出了感測器計量器的另一個實施例的透視圖。 [圖8]示出了感測器計量器的另一個實施例的截面圖。 [圖9]示出了圖8的實施例的透視圖。 [圖10]是使用感測器對各種濃度的二甲苯脈衝進行光電子電流校正測量的例子。 [圖11]示出了光電子電流校正的有效性。

100:感測器計量器

110:殼體

111:第一端

112:凸緣

113:第二端

114:支撐件

115:密封元件

116:壁

117:空間

118:源電極

120:饋通

122:密封件

130:輻射源

131:第一源端

133:第二源端

140:等離子體

150:電路板

151:板支撐件

160:電介質

162:電離腔室

163:輻射窗

164:開口

170:第一電極

180:第二電極

189:處理腔室

190:第三電極

Claims (20)

1. 一種用於測量氣體壓力的感測器元件，包括： 限定腔室的殼體，該腔室包括第一端和相對的第二端，其中腔室對於殼體周圍的分析氣體分子是可滲透的； 輻射源，其位於腔室的第一端，並被配置成將光子發射到腔室中； 第一電極，其朝向腔室的第一端定位； 第二電極； 第三電極，其朝向腔室的第二端定位；以及 控制器，其至少與第一和第二電極通信， 其中發射到腔室內的光子導致光電子從第三電極射出； 其中控制器被配置成： 電偏置第一、第二和第三導體，使得射出的電子和光電子被吸引向並聚集在第一和第二導電電極上，從而生成取決於氣體的總壓力的電流， 測量在第一和第二導電電極上生成的電流， 確定在第一總壓力下被吸引向並聚集在第一和第二導電電極上的射出光電子的第一比率，其中第一比率取決於第一總壓力， 確定被吸引向並聚集在第一和第二導電電極上的射出光電子的第二比率，以及 基於所確定的第二比率確定第二總壓力。
2. 根據請求項1所述的感測器元件，其中第三電極包括導電材料，該導電材料的功函數在暴露於水或氧的情況下比不銹鋼更穩定。
3. 根據請求項1所述的感測器元件，其中腔室的第二端至少部分向周圍環境開放。
4. 根據請求項1所述的感測器元件，其中第三電極包括金。
5. 根據請求項1所述的感測器元件，其中輻射源至少部分被殼體包圍。
6. 根據請求項1所述的感測器元件，其中第一電極和第二電極之間的距離與第二電極和第三電極之間的距離之比約為8∶1。
7. 根據請求項1所述的感測器元件，其中第一、第二和第三電極中的至少一個包括格柵。
8. 一種被配置成在存在非分析氣體的情況下測量分析氣體的光電離感測器元件，包括： 殼體，其限定具有第一端和相對的第二端的腔室，其中腔室對於殼體周圍的分析氣體和非分析氣體的分子是可滲透的； 輻射源，其位於腔室的第一端，並被配置成將光子發射到腔室中； 第一導電電極，其朝向腔室的第一端定位； 第二導電電極； 第三導電電極，其朝向腔室的第二端定位；以及 控制器，其至少與第一和第二導電電極通信， 其中發射的光子電離分析氣體的至少一些分子，以從分析氣體的至少一些分子中射出電子，並且其中發射的光子不足以電離非分析氣體的分子， 其中發射的光子撞擊第三導電電極，導致光電子射出， 其中控制器被配置成： 電偏置第一、第二和第三導電電極，使得射出的電子和光電子被吸引向並聚集在第一和第二導電電極上，從而生成取決於分析氣體和非分析氣體的總壓力的電流， 測量在第一和第二導電電極上生成的電流， 確定在總壓力下被吸引向並聚集在第一和第二導電電極上的射出光電子的比率，以及 通過使用被吸引向第二導電電極的射出光電子的比率校正第二導電電極上的測量電流來確定由於電離而產生的電流量。
9. 根據請求項8所述的光電離感測器，其中第一、第二和第三導電電極中的至少一個包括格柵。
10. 根據請求項8所述的光電離感測器，還包括安裝在凸緣上並被配置為測量總壓力的壓力計。
11. 根據請求項8所述的光電離感測器，其中腔室的第二端至少部分向周圍環境開放。
12. 根據請求項8所述的光電離感測器，其中第三導電電極包括金。
13. 根據請求項8所述的光電離感測器，其中輻射源至少部分被殼體包圍。
14. 根據請求項8所述的光電離感測器，其中第一和第二導電電極之間的距離與第二和第三導電電極之間的距離之比約為8∶1。
15. 一種用於在存在非分析氣體的情況下測量分析氣體的方法，包括： 構造光電離感測器以包括： 限定具有第一端和相對的第二端的腔室的殼體，其中腔室對於殼體周圍的分析氣體和非分析氣體的分子是可滲透的； 位於腔室第一端的輻射源； 朝向腔室第一端定位的第一導電電極； 第二導電電極； 朝向腔室第二端定位的第三導電電極；以及 至少與第一和第二導電電極通信的控制器， 將光子從輻射源發射到腔室中，以電離分析氣體的至少一些分子，導致電子從分析氣體的至少一些分子中射出，並且其中發射的光子不足以電離非分析氣體的分子； 從輻射源發射光子到腔室中以撞擊第三導電電極，並引起光電子的射出， 構造控制器以： 電偏置第一、第二和第三導電電極，使得射出的電子和光電子被吸引向並聚集在第一和第二導電電極上， 測量在第一和第二導電電極上生成的電流， 確定在總壓力下被吸引向並聚集在第一和第二導電電極上的射出光電子的比率，以及 通過使用被吸引向第二導電電極的射出光電子的比率來校正第二導電電極上的測量電流，來確定由於電離產生的電流量。
16. 根據請求項15所述的方法，還包括構造第三導電電極以包含金。
17. 根據請求項15所述的方法，還包括構造腔室的第二端以至少部分向周圍環境開放。
18. 根據請求項15所述的方法，還包括構造第三導電電極以包括格柵。
19. 根據請求項15所述的方法，還包括構造殼體以至少部分圍繞輻射源。
20. 根據請求項15所述的方法，還包括構造輻射源以由氪氣體組成。