对输入前级泵活性气体喷射系统的反应气体进行监测和控
制的光谱技术的运用
技术领域
[0001] 本
发明主要涉及使用工艺气体进行高
真空处理的领域，更特别地，涉及对
沉积物的形成的控制，该沉积物来自工艺气体的一种或多种成分，形成于真空处理系统排气路径中的装置上。
背景技术
[0002] 某些研究和
制造过程需要使用高真空的处理腔。例如，在
半导体晶片制造中，就需要在许多
薄膜沉积和蚀刻操作过程中使用真空，主要为了减少污染。在这样的工艺中，能够-6产生10 托或更低的高真空的泵可以用于确保在处理压
力下有足够的泵送速度，并使得步骤之间的清洗具有低
基础压力。
[0003] 一些现今已有的
真空泵结构能够产生并维持高真空。罗茨真空泵以及钩式和爪式真空泵具有以相同速度沿相反方向旋转的两个精密加工的
转子，在
外壳的排气部分中收集气体并将其输送至排气口。罗茨以及钩式和爪式真空泵被用作为主真空泵和
前级泵(backing pump)。另一个能够维持高真空的真空泵结构是
涡轮分子真空泵，其依靠接近于
定子叶片的
转子叶片的高速旋转而引起气体的分子运动。
[0004] 在上述的各种情况中，泵入口可直接向处理腔开口或通过前级管道而与处理腔相连通。为了降低穿过主泵的压降，真空处理排气路径可包括在真空处理系统排气路径下游
位置处的前级泵。真空处理系统排气路径也可包括削减(abatement)系统，用于对排气的不同成分进行回收，清除或者中和。
[0005] 在真空处理系统中频繁遭遇的一个问题是由流经真空处理系统排气路径的成分引起的固体沉积。由图1示意性地所示，在一个示例工序100中，在半导体制造过程中所使用的工艺气体110是WF6，H2，NH3，B2H6，SiH4，以及Ar。WF6能够与H2，NH3，B2H6和SiH4相反应以形成金属钨，钨酸盐(例如钨酸铵)，或者氟化盐(例如氟化铵)的薄膜沉积物。该反应可在处理腔中或排气路径中不同的位置发生，包括前级管道，高真空泵120，或者在低真空泵或削减装置中。泵的排气130包括工艺气体中惰性的或者未反应的部分，例如Ar和未反应的WF6，以及在真空处理系统排气路径中的沉积物生成期间所形成的反应产物，比如HF，BF3和SiF4。
[0006] 可能在沿着真空排气路径的表面上产生沉积物的另一种机理是气相晶核所形成粉末的形成。气相晶核形成是由排气的气相组分之间的反应而产生的，其产生粉末形式的固体反应产物。该产物可积聚在其产生时即与其相
接触的表面上。如在此所使用的，“沉积物”一词的意思是由包括薄膜沉积、气相晶核形成或其它现象的任何物理机理而引起的在排气路径中表面上形成的固体积聚。
[0007] 不论它们是如何形成的，该沉积物对真空处理系统排气路径中的真空泵及其他装置的性能都会产生不利影响。例如，罗茨泵以及钩式和爪式泵的泵送元件(pumping element)上的固体金属沉积物会改变泵送元件的有效形状，从而降低泵的效率与效力。
[0008] 为解决排气路径中的装置上有害沉积物的问题，可将仔细选择的活性气体注入被影响的装置的上游。活性气体通过与排气成分反应而防止沉积物的形成。
[0009] 在上述真空处理系统中所使用的这一技术的示例中，通过三通管而将NF3注入安装在前级管道中或直接位于通向罗茨或钩式和爪式泵的入口处的远程等离子源(RPS)中。RPS是用来将NF3分解成
原子氟的，随后，该原子氟能够与气相分子起反应以防止沉积的发生，或与沉积固体起反应以将其去除。可选择地，分子氟或者其它含氟气体可用于代替NF3。
在一些情况中，可单独使用分子F2，而不需要预先的RPS分解。
[0010] 通过在前级管道中或泵的入口处提供氟源，产生固体沉积物的反应得到抑制或至少被大幅减少。原子氟提供更多现成可用的氟源，除了别的以外，尤其防止WF6与其他气体的反应或者
热泵作用，并且由此防止金属钨在真空泵中的沉积。
[0011] 上述氟化气体一般是非常昂贵的。举例来说，上述系统中NF3的成本可占到半导体制造过程中材料总成本的10％或更多。因此为了从业者的利益，需要使所使用的活性气体的量最优化。在有些工艺中，工艺气体受脉冲作用，在这种情况下使氟源随着适当的气体以同步的方式发生脉动是有利的。在某些情况下，理想的做法是在工艺气体的脉冲完成之后使氟源的流动维持一段时间。
[0012] 在任何情况下，理想的做法是在存在有足够氟化气体的同时避免过剩。使其得以实现的一个方法即是用实验方法预先确定氟源相对于活性工艺气体的正确比例。然而，在许多情况下，工艺气体的流速可能发生变化，或者是由于成分的老化或者是由于预设的处理方法的变化。如果出现这种情况，设定点可能将不再有效，氟源供给将不足，并且想要阻止的沉积将会发生。
[0013] 因此，目前需要提供一种改进的真空处理控制，其在控制所使用的活性气体成本的同时，具有针对真空排气路径装置内的沉积物积聚问题的解决方法。据
发明人所知，目前还没有这样的控制装置。
发明内容
[0014] 本发明通过对使用工艺气体的真空处理系统加以改进以解决上述需求，该工艺气体具有至少一种成分，其倾向于在该系统的真空排气路径中的装置表面上产生沉积物。该系统的一个
实施例包括位于该装置的真空排气路径上游中的反应气喷射器，该反应气喷射器能够将反应气体注入真空排气路径中以减小该至少一种成分在装置表面上产生沉积物的倾向。该系统还包括至少一个
传感器，用于对存在于装置的真空排气路径上游的该至少一种成分的浓度进行测定，以及对存在于装置的真空排气路径下游的该至少一种成分的浓度进行测定。最后，该系统包括
控制器，其用于至少部分地基于上下游之间的浓度差来控制通过反应气喷射器注入的反应气体的量。
[0015] 该系统可分别在上下游布置有用于气体浓度测定的专用传感器。可选择地，该系统也可被布置为仅使用一个传感器，在这种情况下，可设置一个切换机构以使得传感器能够交替地暴露于装置的上下游环境。
[0016] 传感器的例子包括红外光谱仪，拉曼光谱仪，质谱仪与激光诱导
荧光光谱仪。其它的传感器可以设想的是其能够连续地识别气相的至少一个构成部分，并且其响应能够以定量的方式校准。
[0017] 该装置可以是真空泵，或者是真空排气削减装置。倾向于形成沉积物的成分可以是氟化钨，在这种情况下反应气体是氟。其它可用的工艺可能包括
氧化物，氮化物，
硅化物，
硼化物，双组分的，三组分或四组分的固体材料的沉积。
[0018] 反应气喷射器可包括用于离解反应气体的前体(precursor)以形成原子形式的反应气体的远程等离子源。也可以选择使用其他的离解方式。此外，加入
试剂气体而不需要事先离解也可能足够了。
[0019] 控制器可包括载有指令的介质，当执行该指令时，使得控制器根据上下游浓度之差而确定工艺气体是否至少预定部分正在装置中被消耗，并且如果是的话，则增加通
过喷射器所注入的反应气体的量。
[0020] 在本发明的另一个实施例中，提供了一种方法，用以控制在真空处理系统排气路径中装置上由排气的至少一种成分而形成的沉积物。该方法包括以下步骤：在装置的上游位置将反应气体流引入真空处理系统排气路径中，该反应气体使得排气的该至少一种成分所形成的沉积物受到抑制；测定在装置上游位置处存在的排气的该至少一种成分的量；测定在装置下游位置处存在的排气的该至少一种成分的量；根据上下游的测定值而确定是否排气的该至少一种成分的一部分在装置中被消耗；以及，如果是的话，增大反应气体的流量。
[0021] 该方法包括以下步骤：根据上下游的测定值来确定排气的该至少一种成分是否基本上没有在装置中被消耗，以及，如果是，则确定是否有过多的反应气体流经装置，以及，如果是，则减小反应气流量。
[0022] 测定步骤可包括利用仪器来测定排气的该至少一种成分的量，该仪器是从包含红外光谱仪，拉曼光谱仪，质谱仪以及激光诱导荧光光谱仪的组中选择的仪器。
[0023] 反应气体可以是氟。将反应气体流引入真空处理系统排气路径中的步骤还可包括利用远程等离子源而离解前体气体。反应气体可以是氟而前体气体可以是NF3。
[0024] 装置可以是从包含真空泵和削减装置的组中选择出来的。
[0025] 排气的该至少一种成分可以是氟化钨，在这种情况下，反应气体可以是氟。
[0026] 排气的该至少一种成分可包括从包含WF3，H2，NH3，B2H6以及SiH4的组中选择出的至少一种气体。测定步骤可包括测定该至少一种成分的气相浓度。
[0027] 本发明的另一个实施例是使用具有至少一种成分的工艺气体的真空处理系统，该种成分具有在系统的真空排气路径中的装置表面上产生沉积物的倾向。系统包括位于装置的真空排气路径上游的反应气喷射器，该反应气喷射器能够将反应气体注入真空排气路径，并通过结合该至少一种成分以产生新物质从而减小该至少一种成分在装置表面上产生沉积物的倾向。系统还包括用于测定存在于装置的真空排气路径下游新物质浓度的传感器，以及用于控制至少部分地基于下游浓度而通过反应气喷射器喷注的反应气体的量的控制器。
附图说明
[0028] 图1是
现有技术中真空处理的图解表示，其表示出形成于
涡轮分子泵中的沉积物。
[0029] 图2是根据本发明一个实施例的系统的示意图。
[0030] 图3是根据本发明另一个实施例的系统的示意图。
[0031] 图4是表示工艺气体沉积与反应气体引入之间关系的曲线图。
[0032] 图5是表示根据本发明一个实施例的方法的
流程图。
[0033] 图6是根据本发明另一个实施例的系统的示意图。
具体实施方式
[0034] 在本发明中，通过在例如涡轮分子泵的装置入口和出口测定工艺气体的浓度，并据此修正氟源的流动，从而保证氟源或另一反应气体的充足气流。在一个优选的实施例中，使用红外线分光镜来测量浓度。虽然此处的详细说明是关于通过引入WF6而使钨金属及其他固体的沉积物有所减少的系统的，应注意到所描述的特定反应物仅仅是示例性的，而本发明的系统与方法同样适用于其他反应物。
[0035] 所讨论的工艺气体气相浓度是在泵的入口和出口测定的。在泵中没有发生产生钨沉积物的反应的情况下，入口和出口WF6
信号应该是相同的。当在泵的内部发生WF6的反应时，WF6将会在气相中消耗，且在出口处的信号将会低于在入口处的信号。如果氟源提供有足够的量以防止这一反应的发生，则入口和出口WF6信号将会再一次相同。通过使用这些信号，氟源的量可以修正为确保提供充足的氟以抑制沉积物，而不会供给过量的氟。
[0036] 这样的系统的示例性实施例200如图2所示。诸如WF6，H2，NH3，B2H6，SiH4和Ar的工艺气体205被引入处理腔206中。根据在腔内发生的反应所需，可以任何组合或排列将气体引入。
[0037] 从处理腔206排出的气体沿处理真空排气路径208流动。路径208可包括连通涡轮分子泵230和处理腔的前级管道207。附加线路240将废气从涡轮分子泵230引导到诸如低真空泵和削减腔之类的附加装置250。
[0038] 反应物喷射器210在存在沉积问题的装置上游处引入反应物，这里，该装置为涡轮分子泵230。活性气体前体的气源212(在这里为NF3)将前体气体提供给离解NF3的RPS216。除了等离子技术之外的其他技术、例如热学方法也可用来分离活性气体。通过喷射器
阀214将原子氟注入前级管道207。
[0039] 反应物喷射器210的运行由可编程控制器224控制。举例来说，控制器可控制所喷注反应气体的量以及喷注的定时。
[0040] 比如像红外光谱仪220这样的传感器被
定位为用于测定存在于装置230上游区域中的一种或多种工艺气体成分的气相浓度。红外光谱仪特别适用于探测在半导体加工工艺中使用的大部分气体的气相浓度，因为这些例如像WF6的气体都具有强烈的红外吸收峰值。传感器220通过监测真空处理系统排气路径208中的端口或窗口来触及气流。
[0041] 本领域技术人员可认识到也可用其它传感器来识别和测量工艺流程中各个点处特定气体成分的存在。举例来说，拉曼光谱仪，质谱仪，或者激光诱导荧光光谱仪可以代替红外光谱仪而作为本发明的一个或多个传感器。或者，诸如电化学技术或者化学传感器之类的非光谱技术也可以使用。传感器必须能够连续地识别气相的至少一种成分，并且具有能以定量的方式校准的响应。
[0042] 例如像第二红外光谱仪之类的另一个传感器222测定存在于装置230下游区域中的一种或多种工艺气体成分的气相浓度。在本发明的优选实施例中，第二传感器222为类似于第一传感器220的类型。这样，环境变量以类似方式影响传感器，消除了系统测定误差。每个传感器220，222都与控制器224相连接。
[0043] 尽管这里显示了使用两个独立的红外光谱仪220，221来监测装置230上下游的气相浓度，但也可以换作使用单一传感器，其与可交替地将来自于上游或下游位置的样本导向传感器的切换机构(未示出)相连接。这一解决方案具有降低仪器成本以及消除由两个传感器之间差异所引起的校准误差的优点。
[0044] 通过比较从两个传感器220，222中获取的读数，控制器224可以确定是否进入装置的排气的所有特定成分都排出装置。穿过装置的成分的气相浓度减小表明一些气体正在装置中被消耗，这可能是在装置中形成沉积物。在这种情况下，控制器224将会增加通过喷射器210而喷注的反应气体的量。装置中反应气体的效力会抑制装置中导致固体沉积的反应。该控制周期一直重复直到传感器读数之间的比较表明在装置230中已经没有工艺气体在被消耗。
[0045] 应当注意到，尽管传感器220，222被显示为监测高真空泵230两侧的WF6浓度，但可选择地，也可以是监测另一个装置或另一组装置两侧的气相浓度。举例来说，在图3所示的真空处理系统300中，反应物喷射器310将反应气体引入连接处理腔306和真空泵330的前级管道307，跟之前的例子一样。然而，在这种情况下，通过低真空泵与/或削减设备350任一侧上的排气路径308中的通路340，341而对工艺气体成分的气相浓度进行
采样。这样，即测出设备350中的沉积物。在上述示例中，通过控制器324
对流经反应物喷射器310的反应气流进行控制从而以使沉积最小化。
[0046] 图3中所示的也是使用单一传感器320以在两条通路340，341中测定气相浓度。切换机构322交替地将通路340，341中内容物的样本提供给单一传感器320。
[0047] 回到图2，例如像之前所述的用于可编程控制器224的逻辑作为可执步骤而存储在可读介质225上，其可如图所示那样集成于控制器224中，或者也可以是远程的。逻辑指令从介质225中读取并由控制器224执行。
[0048] 如图4所示，示意图表400说明了图表的两根数轴410，411上所绘数量之间的反比关系。纵轴410表示在涡轮分子泵
流体上下游所测得的氟化钨流的差异。横轴表示所引入的氟的量。图表400并没有表示实际的数据，而是用以说明系统的总体性能。
[0049] 在区域A中，从线420可以看出氟411引入量的增加导致了氟化钨流410中差异的减小。这说明了氟的增加抑制了装置中引起沉积和氟化钨消耗的反应。当装置中氟化钨的消耗量接近于零(线430)时，即如区域B中的情况，那么增加所喷注反应气体的量也不会对WF6流中所测得的差异产生强烈影响。
[0050] 理想地，系统运行于稳定状态，其中氟的引入量是区域A与B之间的线，这是能防止装置中产生沉积的情况下所引入氟的最小量。在实际操作中，为了保证沉积完全受到抑制，必须允许氟有一定的容许过剩量。举例来说，5％的氟的过喷注(overshoot)可设定为可接受的程度。
[0051] 从图4的图表400中还可看出，在区域B中，氟的过量供给无法通过监测穿过泵的氟化钨流的差异而轻易获得。作为替代地，本领域所公知的其它技术可用于确定氟喷注理想范围的位置。
[0052] 根据本发明的方法500表示于图5的流程图中。该方法用于控制真空处理系统排气路径中装置内的沉积物。该沉积物由流经该路径的排气工艺气体的一种或多种成分形成。
[0053] 一开始，反应气流在装置的上游位置被引入(步骤510)真空处理系统排气路径中。该反应气体抑制由排气成分所形成的沉积物。应当注意到在启动处起始步骤并不是必需的；也就是说，该工艺可以不需任何反应气的流动就开始，并且反应气体只是在方法的第一循环结束后才启动。
[0054] 现有排气成分的量在装置的上游位置(步骤520)、以及在装置的下游位置(步骤530)测得。在优选实施例中，这个量作为气相浓度由红外光谱仪测得。接下来，根据上下游的测量数据，确定(步骤540)是否有一部分排气成分消耗于装置中。如果是的话(即流入装置的成分比流出装置的成分更多)，则增加反应气流(步骤550)，并且方法返回到测定步骤。
[0055] 如果上下游测量数据表明基本上没有排气成分消耗于装置中(即流出装置的排气流成分等于或超过流入装置的成分)，并可断定过量的反应气体流经装置(步骤560)，则减小反应气流(步骤570)并且程序返回到测定步骤。如果测定步骤表明排气成分在装置中并没有消耗，并且没有供给过量的反应物(即没有超过所需求的5％)，则对反应气体不进行校准并且程序控制循环到测定步骤。
[0056] 在本发明的另一个实施例中，方法使用了在反应物喷射器下游所形成新物质的浓度，以作为反应物活性的指示。随着所喷注的反应物数量的增加，新物质的形成也随之增多，直到新物质的另一种成分基本上完全耗尽。这时，新物质的浓度达到稳定
水平。
[0057] 根据本发明该实施例的装置600如图6所示。工艺气体流经处理腔606、高真空泵630以及附加设备650。例如氟之类的反应气体由反应物喷射器610在点607处喷注。气体仅在点641处获得采样，并且通过IR光谱仪620或者通其他分析手段以进行分析。应该指出的是采样点641可以是真空排气路径608中成分下游的任何一点，其中沉积正得到控制。
[0058] 反应气体浓度一直增大直到新物质的在点641处的所测浓度停止增大。这时，正引入足够的反应气体以完全地消耗新物质的至少一种成分，并且引入的额外的反应气体不会额外地抑制沉积物。
[0059] 以上的详细描述以及附图应理解为各方面说明性以及示例性的，而并不是限制性的，并且本发明在此所公开的范围并不是从发明的
说明书来确定的，而是从根据
专利法所允许的完整范围所理解的
权利要求来确定的。举例来说，尽管系统是结合涡轮分子泵中钨金属沉积物的抑制来进行描述的，但系统也可以用来限制其他材料在真空处理系统组件上的积聚，例如氧化物，氮化物，硅化物，
硼化物，或者其它三组分或四组分固体材料的沉积物。应当理解此处所表示和所描述的实施例仅仅是用以说明本发明的原理的，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明范围和精神的情况下作出各种改变。
