监测蚀刻等离子体加工设备中等离子体状态的方法和装置
阅读：863发布：2022-02-25
专利汇可以提供监测蚀刻等离子体加工设备中等离子体状态的方法和装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种气体 传感器 和气体感测的方法，例如使用下游传感器元件来测定使用含卤素的 等离子体 和/或者含 氧 的等离子体的 半导体 蚀刻设备中的等离子体状态(如 等离子体蚀刻 终点)。这样的传感器元件能指示在由等离子体产生的高能气体物质如氟、氯、碘、溴、氧及其衍 生物 或者自由基存在的 温度 变化，并且相应地产生一个指示这样的温度变化的输出 信号 用于测定蚀刻等离子体加工设备中等离子体的状态。，下面是监测蚀刻等离子体加工设备中等离子体状态的方法和装置专利的具体信息内容。
1.用于测定蚀刻等离子体加工设备中等离子体状态的方法，包含 以下步骤：
提供至少一个能在高能气体物质存在下显示温度变化并 且相应地产生一种指示所述温度变化的输出信号的传感器元 件；
将所述传感器元件在所述蚀刻等离子体加工设备的下游 区域与由所述蚀刻等离子体加工设备产生的流出物气体流相 接触；并且
基于指示由于所述流出物气体流中存在高能气体物质引 起的由所述感应元件产生的温度变化的所述输出信号，测定所 述蚀刻等离子体加工设备中的等离子体状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器元件包括至少两 个含有不同金属或者金属合金的部件并且二者之间具有热接 点。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述传感器元件的至少两个 部件包含选自由镍、铝、铜和它们的合金组成的组的金属或者 金属合金。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述流出物气体流易于存在 高能氟物质，并且其中所述的传感器元件的至少两个部件包含 耐氟金属或者金属合金。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述传感器元件包括含铜的 第一部件和含康铜的第二部件。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述流出物气体流易于存在 高能氟物质，并且其中所述传感器元件进一步包括在所述至少 两个部件上的耐氟涂层。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述耐氟涂层包含选自由聚 四氟乙烯、氧化铝、II族金属氟化物、全氟代聚合物、以及它 们的混合物组成的组的材料。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器元件包括热敏电 阻。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器元件包括电阻式 温度检测器。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述电阻式温度检测器是在 恒定电流下工作的。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述电阻式温度检测器是在 恒定电阻下工作的。
12.根据权利要求1所述的方法，其中该流出物气体流易于存在选 自于由氟、氯、碘、溴、氧及其衍生物和自由基组成的组的高 能气体物质。
13.测定蚀刻等离子体加工设备中等离子体状态的系统，包括：
采样装置，用于在所述蚀刻等离子体加工设备的下游区 域从由所述蚀刻等离子体加工设备产生的流出物气体流获得 气体样品；
至少一个传感器元件，工作性地与所述气体采样装置连 接，用于暴露给所述气体样品，其中所述传感器元件能显示高 能气体物质存在下的温度变化并且能相应地产生一种指示所 述温度变化的输出信号；
监测装置，工作性地与所述传感器元件连接，用于监测 指示由所述气体流中高能气体物质的存在引起的温度变化的 由所述传感器元件产生的输出信号并且基于所述输出信号测 定所述蚀刻等离子体加工设备中的等离子体状态。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述气体采样装置工作性 地连接于所述流出物气体流经过的下游流体流径。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述气体采样装置是所述 流出物气体流经过的下游流体流径的一部分。
16.根据权利要求13所述的系统，其中所述传感器元件包括至少 两个包含不同金属或者金属合金的部件并且二者之间具有热 接点。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述传感器元件的所述至 少两个部件包含选自由镍、铝、铜及它们的合金组成的组的金 属或者金属合金。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述流出物气体流易于存 在高能氟物质，并且其中所述传感器元件的所述至少两个部件 包含耐氟金属或者金属合金。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述传感器元件包括含铜 第一部件和含康铜的第二部件。
20.根据权利要求16所述的系统，其中所述流出物气体流易于存 在高能氟物质，并且其中所述传感器元件进一步包括在所述至 少两个部件上的耐氟涂层。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述耐氟涂层包含选自由 聚四氟乙烯、氧化铝、II族金属氟化物、全氟化聚合物、以及 它们的混合物组成的组的材料。
22.根据权利要求13所述的系统，其中所述传感器元件包括热敏 电阻。
23.根据权利要求13所述的系统，其中所述传感器元件包括电阻 式温度检测器。
24.根据权利要求13所述的方法，其中所述电阻式温度检测器是 在恒定电流下工作的。
25.根据权利要求13所述的方法，其中所述电阻式温度检测器是 在恒定电阻下工作的。
26.根据权利要求13所述的系统，其中所述流出物气体流易于存 在选自由氟、氯、碘、溴、氧、及其衍生物和自由基组成的组 的高能气体物质。
27.气体传感器，包括：
热隔离结构；
催化材料；
加热器；和
温度传感器；
其中：
所述温度传感器包括热电堆、热敏电阻和热电元件中的 至少一种；
所述催化材料与气体催化性地相互作用来进行产生热效 应的该气体的反应；
所述温度传感器适用于感测所述热效应并且产生指示接 触所述催化材料的所述气体的存在和/或者浓度的相应输出信 号；以及
所述热隔离结构被配置成至少部分地限制由所述加热器 对所述催化材料的加热。
28.根据权利要求27所述的气体传感器，其中所述催化材料包括 镍。
29.根据权利要求27所述的气体传感器，包括微热板。
30.根据权利要求29所述的气体传感器，其中所述催化材料作为 表面涂层存在于所述微热板上。
31.根据权利要求27所述的气体传感器，包括载体催化传感器。
32.根据权利要求27所述的气体传感器，包括碳化硅制成的基底。
33.根据权利要求27所述的气体传感器，其中所述加热器包含电 阻材料。
34.根据权利要求33所述的气体传感器，其中所述催化材料没有 被电性连接。
35.根据权利要求33所述的气体传感器，其中所述电阻材料包括 多晶硅。
36.根据权利要求27所述的气体传感器，其中所述加热器适合将 所述温度传感器的参比部分维持在恒定温度，以便通过所述加 热器加热的变化指示出所述气体与所述催化材料的催化相互 作用。
37.根据权利要求27所述的气体传感器，其中所述加热器适合于 在选自于电压、电流和功率的固定的电条件下工作，以便温度 的变化指示出所述气体与所述催化材料的催化相互作用。
38.根据权利要求27所述的气体传感器，其中所述加热器包括热 电堆。
39.根据权利要求38所述的气体传感器，其中所述热电堆包含多 晶硅/镍连接。
40.根据权利要求27所述的气体传感器，其中所述催化材料包含 碳化硅基底上的镍层。
41.根据权利要求27所述的气体传感器，包括电镀镍的碳化硅丝。
42.根据权利要求41所述的气体传感器，被配置成保持所述电镀 镍的碳化硅丝的电阻恒定，其中电阻的变化指示出了接触所述 催化材料的所述气体的存在和/或者浓度。
43.一种化学加工组件，包括适合加工材料通过其中的室，以及如 权利要求27所述的气体传感器，适合于感测存在于所述加工 材料中的所述气体。
44.根据权利43所述的组件，其中所述气体传感器包括能使所述 传感器安装在所述室的3/8英寸的插栓。
45.根据权利43所述的组件，其中所述气体传感器包括能使所述 传感器安装在所述室的1/4英寸的插栓。
46.根据权利43所述的组件，其中所述气体传感器包括垂直定向 的金属涂覆的丝作为所述催化材料和所述温度传感器。
47.包括用镍膜电镀的碳化硅丝的感应器，所述丝被垂直定向并且 设置在接触件上用于感测气体。
48.根据权利要求47所述的传感器，进一步包括用于将所述丝固 定在位置的压配式接触件。
49.根据权利要求47所述的传感器，其中在所述丝上存在沟道， 用于其连接至基底。
50.根据权利要求47所述的传感器，配置成通过所述镍涂层的电 性能的变化来确定室清洗操作的终点。
51.根据权利要求47所述的传感器，其中气体的存在通过所述丝 的电性能的变化来测定。
52.根据权利要求47所述的传感器，还包括沉积在所述镍膜涂层 和基底之间的氧化铝薄膜。
53.根据权利要求47所述的传感器，包括电连接件。
54.根据权利要求53所述的传感器，其中所述电连接件包括机械 连接件、电镀连接件和电镀连接件的中至少一种。
55.根据权利要求47所述的传感器，包括在氧化铝支撑物上的微 机械加工的Ni载体催化传感器。
56.适合感测流出物的物流中气体的传感器，所述传感器包括温度 感测元件和气体相互作用元件，所述气体与所述气体相互作用 元件反应产生由所述温度传感器元件能探测的热响应，其中所 述传感器由加热器通过焦耳加热进行加入，并且适于按照以下 关系工作
ΔW+{h(k，v)xΔTeffluent+TelementxΔ[h(k，v)]}+ΔH·r＝0
其中ΔW是为了使所述传感器元件保持在设定的温度 Telement下焦耳热的必要变化；h是热对流系数并且是流出物导 热系数k和运动粘度v的函数；Telement是有效的流出物温度； ΔH是发生在感测性元件表面的反应焓，以及r是反应速率。
57.用于感测含有或易于含有气体的流出物的物流中所述气体的 方法，包括使用权利要求1所述的气体传感器。
58.用于感测含有或易于含有气体测流出物的物流中所述气体的 方法，包括使用权利要求47所述的气体传感器。
技术领域
本发明通常涉及一种通过在这种蚀刻等离子体加工设备的下 游区域感测一种或者多种为了蚀刻的目的而被高能激活的高能活 性气体物质，如氟、氯、碘、溴、氧，及其衍生物或者自由基(radical) 来测定蚀刻等离子体加工设备中的等离子体状态的方法和系统。
在一个具体方面，本发明涉及一种感测氟或者卤素物质的设备 和方法，其具有监测半导体加工操作中含氟化合物和离子性物质的 用途。
背景技术
在半导体器件的生产中，硅(Si)和二氧化硅(SiO2)的沉积， 和随后的蚀刻是非常重要的操作步骤，其目前包括8-10个步骤或 者是整个生产过程的约25％。为了确保膜性质的均匀和一致性，每 个沉积工具和蚀刻工具必须经受定期的清洗程序，有时和每一次运 行的频率一样。
为了达到蚀刻和化学气相沉积(CVD)清洗目的，等离子体蚀 刻已经被广泛的用于半导体工业中。该等离子体作为能量介质用来 通过从原料中分裂的气体分子产生高反应性物质，并且这样的高反 应性物质吹扫或者在晶片上或者室壁上的材料来形成可以被轻易 去除的挥发性反应产物。
目前在蚀刻操作中，当规定的时间量已经过去即达到了蚀刻终 点。过蚀刻(在清洗蚀刻已经完成后加工气体仍不断流入反应器腔 内)是普遍的并且导致加工周期延长、降低了工具的寿命，以及向 大气中不必要的释放了氟类物质或者其它使全球变暖的气体。
类似的问题出现在氮化硅、氧化钽(Ta2O3)、或者基于硅的低 介电常数材料(如掺杂C和/或者F的SiO2)。
各种分析技术，如朗格缪尔探针、FTIR、光发射光谱，和离子 质谱，被用于监测蚀刻过程。
然而，这些技术都趋向于昂贵，并且由于它们的复杂性而需要 专业的操作者。而且，由于它们操作的限制，通常认为在线采用连 续性的监测是不切实际的。
需要一个简单低成本、可靠的选择性传感器，其可用于半导体 加工控制，以及可用于生命安全和室内监测装置、其他工业加工气 体感测应用。
因此，提供一种可靠的低成本的感测方法和装置将是本领域的 一个显著的进步，该方法和装置用于改进沉积和蚀刻含硅材料，包 括硅、氮化硅和二氧化硅所用的设备的生产能力和化学效率，并通 过减少和优化清洗和蚀刻时间来监测蚀刻和清洗程序，因此降低了 化学品的使用、延长了设备的使用寿命，并且减少了设备的停用时 间。
2004年4月22日公开的专利申请公开号20040074285在 “APPRAATUS AND PROCEDD FOR SENSING FLUORO SPECIED IN SEMICONDUCTOR PROCESSING SYSTEMS”披露了 一种采用在KF法兰上的金属封装柱(metal packaging post)或者 聚酰亚胺块周围编织的氟或者卤素反应性金属丝来感测固 态氟或者卤素的装置和方法。采用这种基于金属丝的传感器来检测 氟物质依赖于对由它们与含氟化合物反应所引起的金属丝中电阻 变化进行监测。为了确保这种基于金属线的传感器的可接受的灵敏 度和信噪比，通过使用金属封装柱或者聚酰亚胺块来控制 和优化金属丝的尺寸和位置，因此这种金属丝的绝对电阻对于终点 的检测是足够的。
然而，当与金属丝传感器联用时，该结构和/或者金属 封装柱会形成一种减少传感器元件信号强度的热沉(heat sink)。此 外，制造在KF法兰上包含金属丝、金属柱和/或聚酰亚胺 块的三维传感器封装件是相对劳动密集的。
已经被开发用于在微电子器件制造和其他工业操作中监测蚀 刻物质的传感器的一种类型是载体催化传感器(燃烧气体传感器， pellistor)催化气体检测器。在这个装置中，一个由合适的材料如铂 制成的小直径的线圈，被放置在一个在其上沉积催化性材料的耐火 材料的支撑物上。将得到的组件加热到升高的温度，例如，在大约 500℃数量级，并且受到监测的气体中的监测物质是通过支撑物上 的催化材料而催化氧化的。
在感测工作中，感兴趣物质的燃烧热传递给线圈和一个包含这 样线圈的测热传感器然后产生一个对感兴趣气体物质存在的测定， 或者相反的，当这样物质的催化氧化不再发生时，监测到其在气流 中不存在。
在这种的方式中，该载体催化传感器(燃烧气体传感器， pellistor)可以作为监测器用于检测易于存在氟的气流中氟。一个这 样的载体催化传感器包括在碳化硅支撑物上的微加工的镍线组件， 其中放热的表面反应导致了镍载体催化传感器(nickel pellistor)的 温度上升，这又产生了镍丝线元件电阻的改变。
但是当一个镀镍的碳化硅单丝应用在该传感器上时，应该特别 注意保护SiC，因为它容易被氟等离子体蚀刻。因此，必要的是， 该镍涂层具有中等厚度并且完全覆盖整个单丝来保护SiC核心丝不 受氟的影响。因此该镍涂层的厚度大约在2微米级或者更厚。对于 用于蚀刻加工监测器(EPM)中的典型丝长度，镀镍的SiC单丝表 现出欧姆级的电阻。这种低电阻性增加了相关的测试电子设备的负 担。SiC核心丝的镀覆冗长，因为每次只能镀覆一根丝。另外，在 氟等离子清洗操作中，时间过长就可能在镍层上形成小孔，造成底 下的SiC单丝暴露在氟等离子中并且这个结构就报废了。
在下游探针应用于监测蚀刻等离子的情况下，该可获得的结构 材料的数量是有限的，并且限制了这种被广泛采用的监测装置的能 力，尽管它们的效用明显。在目前的商业实践中，使用T-型热电 偶和镍-铅镍氧化物热敏电阻，但是T-型热电偶通常含铜，其被 普遍认为是一种EPM应用中不能接受的材料，并且该镍-铅镍氧 化物热敏电阻通常以包覆结构封装，该包覆结构对于等离子监测装 置是必须去除的。
另外，现存EPM系统的设置需要一定数量的操作者的介入。 尤其是，算法和路点(trip point)的选择必须在操作者分析从前面 的清洗循环中收集的信号跟踪后由人工设置。
从前述显而意见的是，当前的监测方法具有明显的不足并且其 提高是需要的和期望的。
为了达到蚀刻和化学气相沉积(CVD)清洗目的，等离子体蚀 刻已经被广泛的用于半导体工业中。该等离子体作为能量介质用来 通过从原料中分裂的气体分子产生高反应性物质，并且这样的高反 应性物质吹扫或者在晶片上或者室壁上的材料来形成可以被轻易 去除的挥发性反应产物。
目前在蚀刻操作中，当规定的时间量已经过去即达到了蚀刻终 点。过蚀刻(在清洗蚀刻已经完成后加工气体仍不断流入反应器腔 内)是普遍的并且导致加工周期延长、降低了工具的寿命，以及向 大气中不必要的释放了氟类物质或者其它使全球变暖的气体。
类似的问题出现在氮化硅、氧化钽(Ta2O3)、或者基于硅的低 介电常数材料(如掺杂C和/或者F的SiO2)。
各种分析技术，如朗格缪尔探针、FTIR、光发射光谱，和离子 质谱，被用于监测蚀刻过程。
然而，这些技术都趋向于昂贵，并且由于它们的复杂性而需要 专业的操作者。而且，由于它们操作的限制，通常认为在线采用连 续性的监测是不切实际的。
需要一个简单低成本、可靠的选择性传感器，其可用于半导体 加工控制，以及可用于生命安全和室内监测装置、其他工业加工气 体感测应用。
因此，提供一种可靠的低成本的感测方法和装置将是本领域的 一个显著的进步，该方法和装置用于改进沉积和蚀刻含硅材料，包 括硅、氮化硅和二氧化硅所用的设备的生产能力和化学效率，并通 过减少和优化清洗和蚀刻时间来监测蚀刻和清洗程序，因此降低了 化学品的使用、延长了设备的使用寿命，并且减少了设备的停用时 间。
2004年4月22日公开的专利申请公开号20040074285在 “APPRAATUS AND PROCEDD FOR SENSING FLUORO SPECIED IN SEMICONDUCTOR PROCESSING SYSTEMS”披露了 一种采用在KF法兰上的金属封装柱(metal packaging post)或者 聚酰亚胺块周围编织的氟或者卤素反应性金属丝来感测固 态氟或者卤素的装置和方法。采用这种基于金属丝的传感器来检测 氟物质依赖于对由它们与含氟化合物反应所引起的金属丝中电阻 变化进行监测。为了确保这种基于金属线的传感器的可接受的灵敏 度和信噪比，通过使用金属封装柱或者聚酰亚胺块来控制 和优化金属丝的尺寸和位置，因此这种金属丝的绝对电阻对于终点 的检测是足够的。
然而，当与金属丝传感器联用时，该结构和/或者金属 封装柱会形成一种减少传感器元件信号强度的热沉(heat sink)。此 外，制造在KF法兰上包含金属丝、金属柱和/或聚酰亚胺 块的三维传感器封装件是相对劳动密集的。
已经被开发用于在微电子器件制造和其他工业操作中监测蚀 刻物质的传感器的一种类型是载体催化传感器(燃烧气体传感器， pellistor)催化气体检测器。在这个装置中，一个由合适的材料如铂 制成的小直径的线圈，被放置在一个在其上沉积催化性材料的耐火 材料的支撑物上。将得到的组件加热到升高的温度，例如，在大约 500℃数量级，并且受到监测的气体中的监测物质是通过支撑物上 的催化材料而催化氧化的。
在感测工作中，感兴趣物质的燃烧热传递给线圈和一个包含这 样线圈的测热传感器然后产生一个对感兴趣气体物质存在的测定， 或者相反的，当这样物质的催化氧化不再发生时，监测到其在气流 中不存在。
在这种的方式中，该载体催化传感器(燃烧气体传感器， pellistor)可以作为监测器用于检测易于存在氟的气流中氟。一个这 样的载体催化传感器包括在碳化硅支撑物上的微加工的镍线组件， 其中放热的表面反应导致了镍载体催化传感器(nickel pellistor)的 温度上升，这又产生了镍丝线元件电阻的改变。
但是当一个镀镍的碳化硅单丝应用在该传感器上时，应该特别 注意保护SiC，因为它容易被氟等离子体蚀刻。因此，必要的是， 该镍涂层具有中等厚度并且完全覆盖整个单丝来保护SiC核心丝不 受氟的影响。因此该镍涂层的厚度大约在2微米级或者更厚。对于 用于蚀刻加工监测器(EPM)中的典型丝长度，镀镍的SiC单丝表 现出欧姆级的电阻。这种低电阻性增加了相关的测试电子设备的负 担。SiC核心丝的镀覆冗长，因为每次只能镀覆一根丝。另外，在 氟等离子清洗操作中，时间过长就可能在镍层上形成小孔，造成底 下的SiC单丝暴露在氟等离子中并且这个结构就报废了。
在下游探针应用于监测蚀刻等离子的情况下，该可获得的结构 材料的数量是有限的，并且限制了这种被广泛采用的监测装置的能 力，尽管它们的效用明显。在目前的商业实践中，使用T-型热电 偶和镍-铅镍氧化物热敏电阻，但是T-型热电偶通常含铜，其被 普遍认为是一种EPM应用中不能接受的材料，并且该镍-铅镍氧 化物热敏电阻通常以包覆结构封装，该包覆结构对于等离子监测装 置是必须去除的。
另外，现存EPM系统的设置需要一定数量的操作者的介入。 尤其是，算法和路点(trip point)的选择必须在操作者分析从前面 的清洗循环中收集的信号跟踪后由人工设置。
从前述显而意见的是，当前的监测方法具有明显的不足并且其 提高是需要的和期望的。
发明内容
本发明通常涉及一种在蚀刻等离子体加工设备的下游区域，通 过监测这种蚀刻等离子体加工设备产生的流出物气体流中高能活 性气体物质的存在和浓度来测定等离子体处理设备中等离子体状 态的方法和系统。
一方面，本发明涉及一种测定蚀刻等离子体加工设备中的等离 子体状态的方法，包含以下步骤：
提供至少一个能够在高能气体物质存在下显示温度变化并且 相应地产生一种指示所述温度变化的输出信号的传感器元件；
将传感器元件在这种蚀刻等离子体加工设备的下游区域与由 这种蚀刻等离子体加工设备产生的流出物气体流接触；以及
基于指示由于流出物气体流中高能气体物质的存在引起的温 度变化的由传感器元件产生的输出信号，测定这种蚀刻等离子体加 工设备中的等离子体状态。
在本发明的一种具体实施方式中这种传感器元件可以包含至 少两个含有不同的金属或者金属合金的部件并且二者之间具有热 接点(热电偶接点，heterojunction)。在这种传感器元件中的热接点， 一旦与流出物气体流中的高能气体物质接触，产生与由于在流出物 气体流中这种高能活性气体物质存所引起的温度变化相关联的差 分电压(电压差voltage differential)，这可以用于测定蚀刻等离子体 加工设备中的等离子体状态(例如，等离子体蚀刻终点)。
在另一种具体实施方式中，该传感器元件包括热敏电阻电阻式 温度检测器(RTD)、或者能够显示由于高能气体物质的存在引起 的温度变化并且相应的产生一种指示所述温度变化的输出信号的 任何其他探针。
引起传感器元件中温度变化的高能气体物质包括但并不限于 由等离子体状态所产生的氟、氯、碘、溴、氧、及其衍生物和自由 基。这种高能气体物质是具有相对于等离子体状态下产生的带电粒 子较长寿命的载能的中性物质，并且能够到达该蚀刻等离子体加工 设备下游的探针表面来通过非弹性碰撞和/或者放热性的再结合而 将能量传递到探针表面。
另一方面，本发明涉及一种测定蚀刻等离子体加工设备中等离 子体状态的系统，其包括：
气体采样装置，用于在这种蚀刻等离子体加工设备的下游区域 从该蚀刻等离子体加工设备产生的流出物气体流中获得气体样品。
至少一个与气体采样装置工作性地相连接用于暴露给气体样 品的传感器元件，其中这种传感器元件能够显示高能气体物质的存 在下的温度变化并相应地产生一种指示该温度变化的输出信号；
工作性地与该传感器元件相连接的监测组件，用于监测指示由 于在这种气体流中高能气体物质的存在引起的温度变化的由传感 器元件产生的输出信号并且基于输出信号测定该蚀刻等离子体加 工设备中的等离子体状态。
如这里使用的术语“氟物质”或者“氟”旨在广泛地解释成包 含所有的含氟材料，包括而不限于，气态的氟化合物、原子或者二 原子(F2)的氟本身形式、氟离子、和含氟离子物质，其在等离子 体状态下是高能活化的。该氟物质可以包括活化的含氟物质、如 NF3、SiF4、C2F6、HF、F2、COF2、ClF3、IF3，等，是离子化或者等 离子体形式。
如这里使用的术语“氯物质”或者“氯”旨在广泛地解释成包 含所有的含氯材料，包括而不限于，气态的氯化合物、原子或者二 原子(Cl2)的氯本身形式、氯离子、和含氯离子物质，其在等离子 体状态下是高能活化的。该氯物质可以包括活化的含氯物质、如 NCl3、SiCl4、C2Cl6、HCl、Cl2、COCl2、ClF3、ICl3，等，是离子化 或者等离子体形式。
如这里使用的术语“溴物质”或者“溴”旨在广泛地解释成包 含所有的含溴材料，包括而不限于，气态的溴化合物、原子或者二 原子(Br2)的溴本身形式、溴离子、和含溴离子物质，其在等离子 体状态下是高能活化的。
如这里使用的术语“碘物质”或者“碘”旨在广泛地解释成包 含所有的含碘材料，包括而不限于，气态的碘化合物、原子或者二 原子(I2)的碘本身形式、碘离子、和含碘离子物质，其在等离子 体状态下是高能活化的。
如这里使用的术语“氧物质”或者“氧”旨在广泛地解释成包 含所有的含氧材料，包括而不限于，气态的氧化合物、原子或者二 原子(O2)、或者三原子(O3)的氧本身形式、氧离子、和含氧离 子性物质，其在等离子体状态下是高能活化的。氧物质可以包括活 化的含氧物质、如H2O、NO、NO2、N2O，等，为离子化或者等离 子体形式。
如这里使用的术语“金属或者金属合金”旨在广泛地解释成包 含所有的它们的元素形式的金属或者金属合金以及导电金属化合 物如金属硅化物和/或者金属氮化物。
在另一方面，本发明涉及一种气体传感器，包含：
热隔离机构；
催化材料；
加热器；和
温度传感器；
其中：
温度传感器包括热电堆、热敏电阻和热电元件中的至少一种；
催化材料与气体催化性地相互作用来进行产生热效应的气体 的反应；
温度传感器适用于感测热效应并且产生相应的输出信号来指 示与催化材料接触的气体的存在和/或者浓度；并且
该热隔离结构被配置至少部分的限制由加热器对催化材料的 加热。
本发明的另一个方面涉及一种化学加工组件，包括适合加工材 料流过其中的室，和如上所述的气体传感器，适合感测存在于加工 材料中的所述气体。
本发明的另一个方面还涉及一种包括用镍膜电镀的碳化硅丝 的传感器，所述丝被垂直定向并且设置在接触件上用于气体感测。
本发明的另一个方面涉及适合于感测流出物的物流中气体的 传感器，所述感应器包括一个温度感测元件和一个气体相互作用元 件，气体与气体相互作用元件反应产生可通过温度传感器元件探测 的热响应，其中传感器使用加热器进行焦耳加热，并且适于根据以 下关系式的工作
ΔW+{h(k，v)x ΔTeffluent+Telement x Δ[h(k，v)]}+ΔH·r＝0
其中ΔW是为了使传感器元件保持在设定的温度Telement下焦耳 热的必要变化；h是热对流系数并且是流出物导热系数k和运动粘 度v的函数；Telement是有效的流出物温度；ΔH是发生在感测元件表 面的反应焓，以及r是反应速率。
本发明的另一个方面涉及感测含有或易于含有气体的流出物 的物流中该气体方法，包含使用上述本发明的气体传感器。
本发明的其他方面、特点和具体实施方式将会在公开的和附加 的权利要求中充分说明。
附图说明
图1示出根据本发明的一种具体实施方式的包括在其第一端连 接在一起的铜丝和康铜丝的Y字型传感器元件。
图2示出根据本发明的一种具体实施方式的一个涂覆 的传感器元件。
图3示出暴露给含有活化的氟物质的NF3等离子体的传感器元 件的输出信号，与其并排比较的是通过残留气体分析器(RGA)测 量的氟分压。
图4示出根据本发明的一种具体实施方式，在不同压力和气体 流动速率下，作为NF3组成的函数的传感器元件的响应信号。
图5示意性描述了具有第一牺牲模层和沉积于其上的屏障层的 硅基底的横截面图。
图6示意性描述了图1结构的横截面图，不同的是屏障材料层 被平面化以便与第一牺牲模层共平面。
图6A示出了图6结构的俯视图。
图7示意性描述了图6结构的横截面图，还具有在其上形成的 第二牺牲模层。
图8示意性描述了图7结构的横截面图，还具有沉积于其上的 形成接触件的材料层。
图9示意性描述了图8结构的横截面图，不同的是形成接触件 的材料层被平面化以便与第二牺牲模层共平面。
图9A示出了图5结构的俯视图。
图10示意性描述了图9结构的横截面图，还具有在其上形成 的第三牺牲模层。
图11示意性描述了图10结构的横截面图，还具有一个沉积于 其上的支撑材料层。
图12示意性描述了图11结构的横截面图，不同的是支撑材料 层被平面化以便与第三牺牲模层共平面。
图12A示出了图12结构的俯视图。
图13示意性描述了图12结构的横截面图，不同的是第三牺牲 模层被选择性地去除并且感测材料层沉积在其上面。
图13A是示出了图14结构的俯视图。
图14根据本发明的一种具体实施方式示意性描述了图13结构 的横截面图，不同的是第一和第二牺牲制模层被选择性的去除，形 成自立式气体感测元件和接触/屏障元件。
图14A示出了图14结构的俯视图。
图15是根据本发明的一种具体实施方式的示例性气体传感器 组件的透视图，包括由接触/屏障元件支撑的自立式气体感测元件，。
图16是根据本发明的另一种具体实施方式的传感器组件的透 视图。
图17是根据本发明的另一种具体实施方式的传感器的透视图。
图18是根据本发明的仍然另一种具体实施方式的传感器的透 视图。
图19是图18传感器的俯视平面图。
图20是其中安装了根据本发明具体实施方式的传感器的加工 系统的示意性表示。
图21是在500倍的放大率下的传感器丝的显微照片，其中电 镀的镍已经被去除以形成沟道。
图22是电阻作为时间的函数的变化图，对比测试铁丝和覆有 镍的氧化铝(曲线A)与水平安装的直的涂镍的SiC碳纤维(XENA) (曲线B)。
图23是电阻(单位是欧姆)作为时间(分钟)的函数，示出 了覆有Teflon镀镍的SiC丝(曲线A)，非连续镀镍的碳化硅丝(曲 线D)，在电流是0.125毫安下镀5个小时的镀镍的SiC丝(曲线B)， 在0.25毫安下镀5个小时的镀镍的SiC丝(曲线E)的响应和等离 子体开/关循环(曲线C)。
图24是作为时间的函数的热电偶电压图，在暴露给三氟化氮 下测试三个热电偶，包括一个裸线T型丝(曲线A)、带护套的T 型丝(曲线B)和带护套的K型丝(曲线C)。
一方面，本发明涉及一种测定蚀刻等离子体加工设备中的等离 子体状态的方法，包含以下步骤：
提供至少一个能够在高能气体物质存在下显示温度变化并且 相应地产生一种指示所述温度变化的输出信号的传感器元件；
将传感器元件在这种蚀刻等离子体加工设备的下游区域与由 这种蚀刻等离子体加工设备产生的流出物气体流接触；以及
基于指示由于流出物气体流中高能气体物质的存在引起的温 度变化的由传感器元件产生的输出信号，测定这种蚀刻等离子体加 工设备中的等离子体状态。
在本发明的一种具体实施方式中这种传感器元件可以包含至 少两个含有不同的金属或者金属合金的部件并且二者之间具有热 接点(热电偶接点，heterojunction)。在这种传感器元件中的热接点， 一旦与流出物气体流中的高能气体物质接触，产生与由于在流出物 气体流中这种高能活性气体物质存所引起的温度变化相关联的差 分电压(电压差voltage differential)，这可以用于测定蚀刻等离子体 加工设备中的等离子体状态(例如，等离子体蚀刻终点)。
在另一种具体实施方式中，该传感器元件包括热敏电阻电阻式 温度检测器(RTD)、或者能够显示由于高能气体物质的存在引起 的温度变化并且相应的产生一种指示所述温度变化的输出信号的 任何其他探针。
引起传感器元件中温度变化的高能气体物质包括但并不限于 由等离子体状态所产生的氟、氯、碘、溴、氧、及其衍生物和自由 基。这种高能气体物质是具有相对于等离子体状态下产生的带电粒 子较长寿命的载能的中性物质，并且能够到达该蚀刻等离子体加工 设备下游的探针表面来通过非弹性碰撞和/或者放热性的再结合而 将能量传递到探针表面。
另一方面，本发明涉及一种测定蚀刻等离子体加工设备中等离 子体状态的系统，其包括：
气体采样装置，用于在这种蚀刻等离子体加工设备的下游区域 从该蚀刻等离子体加工设备产生的流出物气体流中获得气体样品。
至少一个与气体采样装置工作性地相连接用于暴露给气体样 品的传感器元件，其中这种传感器元件能够显示高能气体物质的存 在下的温度变化并相应地产生一种指示该温度变化的输出信号；
工作性地与该传感器元件相连接的监测组件，用于监测指示由 于在这种气体流中高能气体物质的存在引起的温度变化的由传感 器元件产生的输出信号并且基于输出信号测定该蚀刻等离子体加 工设备中的等离子体状态。
如这里使用的术语“氟物质”或者“氟”旨在广泛地解释成包 含所有的含氟材料，包括而不限于，气态的氟化合物、原子或者二 原子(F2)的氟本身形式、氟离子、和含氟离子物质，其在等离子 体状态下是高能活化的。该氟物质可以包括活化的含氟物质、如 NF3、SiF4、C2F6、HF、F2、COF2、ClF3、IF3，等，是离子化或者等 离子体形式。
如这里使用的术语“氯物质”或者“氯”旨在广泛地解释成包 含所有的含氯材料，包括而不限于，气态的氯化合物、原子或者二 原子(Cl2)的氯本身形式、氯离子、和含氯离子物质，其在等离子 体状态下是高能活化的。该氯物质可以包括活化的含氯物质、如 NCl3、SiCl4、C2Cl6、HCl、Cl2、COCl2、ClF3、ICl3，等，是离子化 或者等离子体形式。
如这里使用的术语“溴物质”或者“溴”旨在广泛地解释成包 含所有的含溴材料，包括而不限于，气态的溴化合物、原子或者二 原子(Br2)的溴本身形式、溴离子、和含溴离子物质，其在等离子 体状态下是高能活化的。
如这里使用的术语“碘物质”或者“碘”旨在广泛地解释成包 含所有的含碘材料，包括而不限于，气态的碘化合物、原子或者二 原子(I2)的碘本身形式、碘离子、和含碘离子物质，其在等离子 体状态下是高能活化的。
如这里使用的术语“氧物质”或者“氧”旨在广泛地解释成包 含所有的含氧材料，包括而不限于，气态的氧化合物、原子或者二 原子(O2)、或者三原子(O3)的氧本身形式、氧离子、和含氧离 子性物质，其在等离子体状态下是高能活化的。氧物质可以包括活 化的含氧物质、如H2O、NO、NO2、N2O，等，为离子化或者等离 子体形式。
如这里使用的术语“金属或者金属合金”旨在广泛地解释成包 含所有的它们的元素形式的金属或者金属合金以及导电金属化合 物如金属硅化物和/或者金属氮化物。
在另一方面，本发明涉及一种气体传感器，包含：
热隔离机构；
催化材料；
加热器；和
温度传感器；
其中：
温度传感器包括热电堆、热敏电阻和热电元件中的至少一种；
催化材料与气体催化性地相互作用来进行产生热效应的气体 的反应；
温度传感器适用于感测热效应并且产生相应的输出信号来指 示与催化材料接触的气体的存在和/或者浓度；并且
该热隔离结构被配置至少部分的限制由加热器对催化材料的 加热。
本发明的另一个方面涉及一种化学加工组件，包括适合加工材 料流过其中的室，和如上所述的气体传感器，适合感测存在于加工 材料中的所述气体。
本发明的另一个方面还涉及一种包括用镍膜电镀的碳化硅丝 的传感器，所述丝被垂直定向并且设置在接触件上用于气体感测。
本发明的另一个方面涉及适合于感测流出物的物流中气体的 传感器，所述感应器包括一个温度感测元件和一个气体相互作用元 件，气体与气体相互作用元件反应产生可通过温度传感器元件探测 的热响应，其中传感器使用加热器进行焦耳加热，并且适于根据以 下关系式的工作
ΔW+{h(k，v)x ΔTeffluent+Telement x Δ[h(k，v)]}+ΔH·r＝0
其中ΔW是为了使传感器元件保持在设定的温度Telement下焦耳 热的必要变化；h是热对流系数并且是流出物导热系数k和运动粘 度v的函数；Telement是有效的流出物温度；ΔH是发生在感测元件表 面的反应焓，以及r是反应速率。
本发明的另一个方面涉及感测含有或易于含有气体的流出物 的物流中该气体方法，包含使用上述本发明的气体传感器。
本发明的其他方面、特点和具体实施方式将会在公开的和附加 的权利要求中充分说明。
附图说明
图1示出根据本发明的一种具体实施方式的包括在其第一端连 接在一起的铜丝和康铜丝的Y字型传感器元件。
图2示出根据本发明的一种具体实施方式的一个涂覆 的传感器元件。
图3示出暴露给含有活化的氟物质的NF3等离子体的传感器元 件的输出信号，与其并排比较的是通过残留气体分析器(RGA)测 量的氟分压。
图4示出根据本发明的一种具体实施方式，在不同压力和气体 流动速率下，作为NF3组成的函数的传感器元件的响应信号。
图5示意性描述了具有第一牺牲模层和沉积于其上的屏障层的 硅基底的横截面图。
图6示意性描述了图1结构的横截面图，不同的是屏障材料层 被平面化以便与第一牺牲模层共平面。
图6A示出了图6结构的俯视图。
图7示意性描述了图6结构的横截面图，还具有在其上形成的 第二牺牲模层。
图8示意性描述了图7结构的横截面图，还具有沉积于其上的 形成接触件的材料层。
图9示意性描述了图8结构的横截面图，不同的是形成接触件 的材料层被平面化以便与第二牺牲模层共平面。
图9A示出了图5结构的俯视图。
图10示意性描述了图9结构的横截面图，还具有在其上形成 的第三牺牲模层。
图11示意性描述了图10结构的横截面图，还具有一个沉积于 其上的支撑材料层。
图12示意性描述了图11结构的横截面图，不同的是支撑材料 层被平面化以便与第三牺牲模层共平面。
图12A示出了图12结构的俯视图。
图13示意性描述了图12结构的横截面图，不同的是第三牺牲 模层被选择性地去除并且感测材料层沉积在其上面。
图13A是示出了图14结构的俯视图。
图14根据本发明的一种具体实施方式示意性描述了图13结构 的横截面图，不同的是第一和第二牺牲制模层被选择性的去除，形 成自立式气体感测元件和接触/屏障元件。
图14A示出了图14结构的俯视图。
图15是根据本发明的一种具体实施方式的示例性气体传感器 组件的透视图，包括由接触/屏障元件支撑的自立式气体感测元件，。
图16是根据本发明的另一种具体实施方式的传感器组件的透 视图。
图17是根据本发明的另一种具体实施方式的传感器的透视图。
图18是根据本发明的仍然另一种具体实施方式的传感器的透 视图。
图19是图18传感器的俯视平面图。
图20是其中安装了根据本发明具体实施方式的传感器的加工 系统的示意性表示。
图21是在500倍的放大率下的传感器丝的显微照片，其中电 镀的镍已经被去除以形成沟道。
图22是电阻作为时间的函数的变化图，对比测试铁丝和覆有 镍的氧化铝(曲线A)与水平安装的直的涂镍的SiC碳纤维(XENA) (曲线B)。
图23是电阻(单位是欧姆)作为时间(分钟)的函数，示出 了覆有Teflon镀镍的SiC丝(曲线A)，非连续镀镍的碳化硅丝(曲 线D)，在电流是0.125毫安下镀5个小时的镀镍的SiC丝(曲线B)， 在0.25毫安下镀5个小时的镀镍的SiC丝(曲线E)的响应和等离 子体开/关循环(曲线C)。
图24是作为时间的函数的热电偶电压图，在暴露给三氟化氮 下测试三个热电偶，包括一个裸线T型丝(曲线A)、带护套的T 型丝(曲线B)和带护套的K型丝(曲线C)。
具体实施方式
热探针被用于研究从等离子体朝向等离子体加工设备内部区 域，例如晶片基底或者等离子体反应室壁的全部能量流(能量通 量)。被这种原位热探针检测到的全部能量流是在等离子体中的带 电粒子、中性物质和光子在它们碰撞探针表面时所携带的能量流的 总和。
与之相比，本发明应用下游热探针，而不是原位能量探针，用 于监测在远离等离子体状态的下游区域由等离子体加工设备产生 的流出物气体流的能量流。
在这样的下游区域，只有特征是比带电粒子和光子寿命更长的 高能的中性物质，如氟、氯、碘、溴、氧，和其衍生物和自由基， 所负载的能量流才可以到达这样的下游热探针的表面。因为这种高 能中性物质所负载的能量流的密度与等离子体状态在数量上是相 关的，所以在蚀刻等离子体加工设备中用于等离子体状态的下游测 定是有利的。
因此，在本发明的一种具体实施方式中，一个能够显示由于上 述高能中性物质的存在的温度变化并且能够相应地产生指示所述 温度变化的输出信号的传感器元件，被暴露在蚀刻等离子体加工设 备的下游区域由蚀刻等离子体加工设备产生的流出物气体流中，用 来监测由在流出物气体流中的这种高能中性物质引起的能量流。例 如，这种传感器元件可以工作连接至气体采样装置，该气体采样装 置或者连接于下游流体流动路径或者组成这种流体流动路径的一 部分，用于在这样的下游区域从流出物气体流中获得气体样品并且 将该传感器元件暴露给气体样品。
因此该高能中性物质(如果存在于流出物气体流中)到达了这 种下游传感器元件的表面，通过非弹性碰撞和/或者通过放热性再结 合在传感器表面释放能量来将能量传递到传感器表面，引起了这种 传感器元件表面上的可测的温度变化。这种温度变化是与高能中性 物质在流出物气体流中的存在和浓度相关的，并且因此用于推断蚀 刻等离子体加工设备的等离子体状态。
优选这样的传感器元件包括在二者之间用异质结连接的两个 不同的金属部件，这可以显示传感器元件的两个部件在高能的气体 物质存在下的可检出的差分电压的变化。这种差分电压的变化是与 流出物气体流中高能气体物质的浓度定量相关的，并且可以通过监 测装置的监测来推测所述蚀刻等离子体加工设备中的等离子体状 态。
这种传感器元件的特定结构、组成和表面条件对于实现本发明 并不是关键性的。
优选地，当流出物气体流易于存在高能氟物质或者其它卤素物 质时，那么这种传感器元件包含能够耐氟物质或者其他卤素物质的 腐蚀或者侵害的材料，或者另外例如通过耐氟或者耐卤素涂层的保 护性而免受这种腐蚀或者侵害的材料。例如，这种传感器元件的两 个部件可以通过包含金属或者金属合金例如镍、铝、和铜，及其合 金的金属丝形成，并且这种金属丝可以具有从大约0.1微米到大约 1000微米的平均直径。
用于实现本发明一个特别优选的传感器元件的类型是包括由 铜制成的第一部件和由铜-镍合金如康铜制成的第二部件的传感 器元件。铜和镍都是耐氟的，因此这样的传感器元件可以用于检测 高能的氟物质。
此外，该传感器元件可以包括保护传感器的两个金属部件免受 氟物质腐蚀和侵害的耐氟涂层。例如，这样的传感器元件可以具有 由聚四氟乙烯、氧化铝、第II族金属氟化物(例如CaF2和MgF2) 和全氟聚合物(如由DuPont市售的的商标为的聚酰亚胺材 料)形成的涂层。另外，这样的耐氟涂层起到隔离该传感器元件金 属部件的作用并且因此避免了金属部件与外部导体或者导电性材 料的非有意的接触，这可能会干扰差分电压的测量。
图1示出了一个示例性的Y字型传感器元件10，其包括由铜 丝形成的第一部件12和由康铜丝形成的第二部件14，二者在它们 的一端连接在一起形成一个异质热结点(异质热电偶结点 heterothermojunction)。第一和第二部件12和14的另一端固定在或 者换句话说安装在两个电接触件或者端子16和18，并且如上描述 的监测和信号设备(没有示出)可用于监测这两个端子16和18的 差分电压来测定氟物质的存在和浓度。
图2示出了另一个示例性的传感器元件20，其包括由不同金属 或者金属合金形成的一个第一部件22和一个第二部件24。含有聚 四氟乙烯的耐氟涂层23隔离两个部件以及保护这样的部件免受腐 蚀性氟物质的侵蚀。该第一和第二部件22和24在其一端连接形成 异质结(heterojunction)并且固定在或者换句话说安装在两个电接 触件的或者端子26和28上，其可与监测和信号装置(没有示出) 电性连接用于监测两个端子26和28之间的差分电压。
该传感器元件两个部件之间的差分电压的测量可以通过具有 简单的信号扩增器元件的电压表，或者任何其他适合的仪器或者装 置容易地实现。优选冷的热电偶补偿(CJC)技术被用于补偿在传 感器元件和测量仪器之间形成的任何附加的异质结的影响并且来 确保差分电压的精确测量。
对于上述传感器元件的信号测量是简单的和直接的，并且本域 的普通技术人员可以容易的确定该监测和信号设备的部件和构造， 而无需过度实验。更重要的是，本发明的这样的传感器元件的信号 测量是被动的(无源的)，即，不需要外部的能量来操作这样的传 感器。
可替换是，本发明的传感器元件可以包括任何其他的热探针， 包括但不限于热敏电阻和电阻式温度检测器(RTD)。RTD可以在 其电阻未作修正而读出的测量模式下工作。可替换地，RTD可以在 恒定电阻或者恒定电流控制的模式下工作，其中这样的RTD的电 阻或者通过这样的RTD的电流，例如，通过改变供应给它的电功 率被操控以保持在规定的恒定值上。在后者情况中，受控的电功率 提供了间接的温度测量。
尽管以上的描述是主要针对测定高能氟物质，本发明可容易地 应用在其他高能气体物质，包括但不限于氯、碘、溴、氧、以及其 衍生物和自由基。
本发明的气体感测系统可以包括单个如上所述的信号气体传 感器，或者多个这样的气体传感器，其中多个气体传感器元件提供 冗余或者备份感测能力，或者在其中多传感器元件中不同的元件被 配置成用于感测在被监测的物流或者气体空间中不同高能气体物 质，或者在其中多传感器元件中不同的元件可以被安排在不同的模 式下或者相互关联的模式下工作，如产生被算法操作(例如相减地) 的相应信号，来产生一个净指示信号(net indicating signal)，或者 可替换地，相加地来产生复合指示信号(composite indicating signal)，或者以其中有效地采用多个传感器元件的任何其他合适的 方式，以便用于监测气流或者感兴趣的流体空间中高能气体物质， 来产生用于监测或者控制目的的相关信号。
结合气体传感器元件的阵列的使用，可以采用先进数据处理技 术来增强传感器系统的输出。这样的技术的实例包括但不限于补偿 信号的使用、时变信号(time-varying singal)的使用、加热器电流 (灯丝电流，heater current)、锁相放大技术、信号平均、信号时间 导数和阻抗谱技术。另外，属于化学统计学范畴的先进技术也同样 可以应用。这些技术包括最小二乘拟和、逆最小二乘(inverse least squares)、主成分回归分析、和偏最小二乘数据分析法。
因此本发明的气体感测元件可以以合适的方式，在本领域技术 范围内连接至转换器、计算模块，或者其他的信号处理单元，来提 供可以在受监测的流体环境中一种或多种高能气体物质的存在和 数量的变化的输出指示。
实施例
进行测试来测定当暴露于含有高能氟物质的NF3等离子体时如 图1所示传感器元件的响应。
等离子体源是在400KHz和6KW运行的ASTeX的ASTRON AX 7650原子氟发生器。质量流控制器用于控制加工气体(Ar和 NF3)流。在紧挨着等离子源输出口处的样本口允许插入测试样品 如硅晶片。该输送管由6060 T6铝(Aluminum)制成，并且沿着输 送管有多个口用于热探针的安装。电容压力计(capacitance manometer)被用于提供压力读数，和节流阀被用于控制输送管压 力。
关于传感器元件，直径大约0.05英寸的铜丝和一个康铜丝(如 从在斯坦福德，康涅狄格的Omega Engineering，Inc.购买的)在它们 的第一端点焊接在一起来形成在焊接点具有异质结的传感器元件。 然后将这种传感器元件使用铜和康铜连接体(如从CeramTec Norh America Corp.at Laures，SC购买)连接到一个传感器元件真空连通 (vacuum feedthrough)，其又连接至将差分电压读数自动转换成温 度读数的信号转化器。
模仿五个沉积/清洗循环。具体的说，通过提供70mTorr的氮 气吹扫来模仿沉积循环，以及在5Torr和每分钟大约1标准升(slm) 下通过提供和氩气一起的活性等离子体来模仿清洗循环。在每一个 清洗循环的中间点，间隔15秒来逐渐的加入500sccm的NF3来模 仿用来NF3等离子体清洗的一个氟上升终端。
斯坦福研究系统的RGA300残留气体分析仪被用于跟踪化学 物质的时间演变，特别是在测试歧管(test manifold)中的实际的氟 浓度，其每10秒扫描全100原子质量单位光谱。质量38被绘制成 曲线作为测试歧管中氟(F2)浓度的指示。
图3示出了经过五个这样的模仿的沉积/清洗循环的传感器元 件的温度读数，与RGA的氟浓度读数相比较。明显的，基于本发 明的传感器元件的传感器的温度读数与RGA的氟浓度读数关联得 很好。
此外，进行了2×3矩阵设计的实验来研究传感器响应性能。 尤其是，传输管压力在3、5和7torr之间变化，而总气流在0.6到 1.2SLM之间变化。在每一个传输管压力和总气流的组合中，以总 传输气体供给的体积计，NF3组成在1/6、2/6、和3/6的之间变化。 取决于NF3组成和相应测试条件的信号示于用于实验矩阵的全部设 计的图4中。在传感器响应和NF3组成之间具有线性相关，由此得 到的定量参数可以被求导重现响应特性。
2004年4月22日公开的出版号No.2004007285题为 “APPARATUS AND PROCESS FOR SENSING FLUORO SPECIES IN SEMICONDUCTOR PROCESSING SYSTEMS”的美国专利申请 和2001年7月24日公布的题为“MICRO-MACHINED THIN FILM HYDROGEN GAS SENSOR，AND METHOD OF MAKING AND USING THE SAME”的专利号No.6,265,222的美国专利为了所有的 目的将其全部内容结合在此作为参考。
本发明涉及一种气体传感器，包括：
热隔离结构；
催化材料；
加热器；和
温度传感器；
其中：
温度传感器包括热电堆、热敏电阻，和热电元件中的至少一种；
催化材料与气体催化性地相互作用来进行产生热效应的气体 的反应；
温度传感器适用于感测热效应并且产生指示与催化材料接触 的气体的存在和/或者浓度相应的输出；并且该热隔离结构被配置成 至少部分地限制加热器对催化材料的加热。
该气体传感器，在它的一种具体实施方式中，包含包括镍的催 化材料。该气体传感器可以被构造为微热板或者载体催化传感器 (pellistor)，并且该催化材料作为微热板表面涂层而存在。
该气体传感器可以被制成任何合适的形式。基底可以是碳化硅 或者其他合适的材料，加热器可以包含电阻材料，催化材料可以以 非电性连接的形式提供。该电阻材料可以由多晶硅制成。
该加热器适于将温度传感器的参比部分维持在恒定温度，使得 通过加热器加热温度的变化指示了气体与催化材料的催化相互作 用。
可替换地，加热器适于在选自电压、电流和功率中的固定电条 件下工作，使得温度的变化指示了气体与催化材料的催化相互作 用。
加热器可以包括热电堆，如，包括多晶硅/镍连接。
在气体传感器中，催化材料可以包括在碳化硅基底上的镍层。 在一种特别优选的具体实施方式中，气体传感器包括电镀镍的碳化 硅丝。
气体传感器可被配置成保持电镀镍的碳化硅丝的电阻恒定，其 中电阻的变化指示出了接触催化材料的气体的存在和浓度。
本发明提出了化学加工组件，包括适用于加工材料流过其中的 室，以及上述气体传感器，适用于感测存在于加工材料中的气体。 在这样的组件中的气体传感器可以装配有一个3/8英寸的插栓或者 1/8英寸的插栓来使该传感器能安装在室上。
该气体传感器可以包括垂直定向的金属镀覆的丝作为催化材 料和温度传感器。这样可以提供一种传感器，包括电镀了镍膜的硅 丝，该丝被垂直定向并且被设置在接触件上用于感测气体。该传感 器也可以包括压配式接触件来将该丝固定在适当的位置。丝中可能 存在沟道，用于将传感器连接至基底。
该传感器可以被配置成用来通过镍涂层电性能的变化而确定 室清洗操作的终点。该传感器可以被操作，使得通过丝的电性能变 化而测定气体的存在。该电连接件是分离的。通常，该电连接可以 是任何合适的类型，包括机械连接件、电镀连接件和电镀连接件中 的至少一种。
在另一种具体实施方式中的传感器包括在氧化铝支撑物上的 微机械加工的Ni载体催化传感器。
另一种具体实施方式中本发明提供了一种适合感测流出物的 物流中气体的传感器，这种传感器包括温度感测元件和气体相互作 用元件，气体与该气体相互作用元件反应产生被温度感测元件能探 测的热响应，其中该传感器由加热器进行焦耳加热，并且适于按照 以下关系工作
ΔW+{h(k，v) x ΔTelement+Telementx Δ[h(k，v)]}+ΔH·r＝0
其中ΔW是为了使传感器元件保持在设定的温度Telement下焦耳热的 必要变化；h是热对流系数并且是流出物导热系数k和运动粘度v 的函数；Telement是有效的流出物温度；ΔH是发生在感测元件(sensing element)表面的反应焓，以及r是反应速率。
另一种具体实施方式中本发明提供了感测含有或易于含有气 体的流出物的物流中气体的方法，包括使用上述气体传感器。
而特别参照在半导体过程控制中的应用在此处对本发明进行 描述，可以明了本发明的应用并不是这样受限制，而是拓展到广泛 的各种其他用途和应用，包括但不限于，应用于生命安全系统，室 内或者周围环境的监测操作，以及其他工业上和用户市场气体感测 应用。
本发明的一种具体实施方式提供了用于确定半导体室清洗加 工的终点的、基于微电子机械系统(MEMS)的气体感测能力。
传统的MEMS设计(为了其他的、更良好的气体环境)需要 将感测金属层(sensing metal layer)沉积在一个基于硅的器件结构 上，并且随后将该器件连接并封装到芯片载体上。在一种具体实施 方式中，这个制作方法需要多步骤的工序，涉及相应的多部件产品 传感器组件，其中每一个部件受到大量氟化气体化学侵蚀。尽管通 过开发合适的包封结构可能保护每一个独立的部件，但是这个权宜 之计还是增加了该产品气体传感器装置的制作复杂性、制造时间和 成本。
这些障碍可以使用基于MEMS的感测装置的方式来克服，该 感测装置可容易且便宜地制造，并且易于实施以高效、持久且可靠 的方式来监测在这种工艺的苛刻的化学环境中半导体室清洗工艺 中的氟化气体。
本发明的氟化气体传感器装置(在以下一种具体实施方式中充 分描述)具有多个有利特性使其作为该领域的突破而显著。
一个这样的特性是在该装置种所使用的是高性能的氟-反应 性金属感测元件，如镍或者镍合金，其特征是电阻高，热低质，密 度小，以及电阻率温度系数高，这特别适合用于基于电阻的气体感 测(gas sensing)。
第二个特性涉及采用同时作为感测材料和热源(如，通过其电 阻性、传导性、或者其他的加热)的金属元件用于气体感测工作， 例如需要根据周围的条件来改变感测温度，或者需要与其流出物包 含要被监测目标气体物质的半导体室的温度相匹配。
第三个特性涉及采用碳化硅(SiC)与SiO2/多晶硅牺牲材料协 同形成自立式碳化硅支撑结构，这消除了与金属感测元件相关的热 沉(heat sink)的形成而因而使热损失降到最低。
第四个特性涉及将采用微成型技术用于制造平面化结构层，这 使得可以自动且大规模生产气体感测装置并在产品质量控制方面 提供高的精密度。
上述的特性是相互独立的并且可以单独立或者联合合并。基底 和/或者支撑材料可替换地用耐蚀刻聚合物材料来制造。
可替换地，氟或者卤素物质传感器装置可以包含多个这种气体 感测元件，其中多个元件提供冗余或者备份感测能力，或者在其中 多个感测元件中不同的元件可以被配置成用于感测在被监测的物 流或者气体空间中不同的氟或者卤素物质，或者阵列感测元件中不 同的元件可以不同的模式或者相互关联的模式下工作，如产生被算 法操作(例如相减地)的相应信号，来产生净指示信号(net indicating signal)，或者可替换地，相加地来产生复合指示信号(composite indicating signal)，或者以其中有效地采用多个传感器元件的任何其 他合适的方法以便用于监测感兴趣的物流或者流体空间中物质的 流动，来产生用于监测或者控制目的的相关信号。
众所周知的，氟与大多数的金属反应，产生具有高的和有时混 合的氧化态化合物(Inorganic Solid Fluorides，Chemistry and Physics.Academic Press，1985，Ed P.Hagenmuller)。许多过渡金属和贵 金属(包括但不限于，例如，Ti、V、Cr、Mn、Nb、Mo、Ru、Pd、 Ag、Ir、Ni、Al、Cu和Pt)与氟气体成分接触容易形成不同的非挥 发性的氟化合物。本文披露的该气体感测装置和方法可以使用这些 金属的独立形式来检测被监测气体中氟物质的存在。
对于本发明给定的最终应用，结构的特定感测材料的组成的选 择可以通过涉及将结构的备选气体感测元件材料暴露在含氟或者 卤素物质的环境中的简单实验容易的确定，并确定其适用度，例如， 在这样的暴露下该备选材料的耐腐蚀性或者耐蚀刻性。
由于其高的耐氟性、高的电阻、低的热质，小密度和高的电阻 率温度系数，镍或镍合金(例如蒙乃尔合金)特别优选作为氟或者 卤素感测材料。在基于电阻的气体感测工作中信号强度/响应时间的 比率主要受到传感器材料的性质的影响，并且已经被发现，当传感 器形状/尺寸和提供的仪器因素相同时，基于镍或者镍合金的传感器 元件在金属传感器元件中提供最大的信号强度/响应时间比。
感兴趣的氟或者卤素物质的检测可用通过任何合适的方式实 现，例如，当自立式金属材料与含氟物质的反应时通过电阻变化来 实现。
氟检测器中的金属感测元件可以以多种任何适合的形式提供， 并且可以具有特制的形态，如粗糙的表面或者次生纳米孔。金属元 件的电阻和行为(性能)可以通过改变几何结构而设计。例如，悬 空的金属薄膜的几何形状可用通过选择悬空区域之上的膜的宽度、 长度和厚度来适当设计。为了提高绝对电阻，以及为了提高金属的 表面积/体积比，从而提高敏感度或者提高信噪比，使用各种方式， 如，机械性的、化学性的、电化学的，光学的或者热的方式，可使 悬空的金属丝在制成后变细。此外，可以设计该材料的物理性质。 例如，可以利用合金化或者掺杂改变组成，并且例如通过改变晶粒 尺寸、结晶度的水平、多孔性(例如纳米孔)、表面积/体积比等来 修饰微结构。
因此很明显，在本领域的技术范围内无需过度实验，可以根据 其形状、构造、物理性质、化学性质和形态特征，将该金属感测元 件进行所希望的配置和修饰。
氟化合物与金属感测元件的反应可以是温度敏感的，并且金属 的加热可以对其通过电流而获得。按照这种方法，金属感测元件可 同时作为加热结构用于气体感测工作。
为了增强本发明气体传感器的敏感性和信噪比，将氟或卤素敏 感性金属薄膜沉积在其特征是高电阻和低热质的自立式碳化硅物 支撑结构上。这种SiC支撑结构的高电阻进一步增强了传感器的灵 敏度和信号强度；SiC的低热质使支撑结构的潜在热损失最小化； 并且其自身自立的这样的SiC支撑结构，可有效地将金属感测膜与 基底隔离并且增强了信噪比。
这样的自立式碳化硅支撑结构可以通过以下来制成：(1)在基 底上提供其上具有凹槽的牺牲模，该凹槽限定预定的支撑结构， (2)将SiC膜沉积在这样的牺牲模的凹槽里，和(3)选择性地去 除该牺牲模，来形成自立式SiC支撑结构，其通过最初由这种牺牲 模所占据的空气间隙或空的空间与基底分开。
该牺牲模可以通过沉积牺牲型材料层然后将这样的层图案化 来形成限定预定的支撑结构的必要凹槽。与支撑结构相连可被选择 性去除的任何合适的材料都可以作为牺牲材料用于实现本发明。例 如，与耐含氟化合物的碳化硅支撑结构相连的二氧化硅被通过含氟 化合物如HF选择性的去除。
在该支撑结构形成后，感测氟或者卤素的材料层，优选氟或者 卤素反应性金属或者金属合金，可以被涂敷在这样的支撑结构上， 来形成对氟或者卤素物质存在产生响应的自立式气体感测组件。
可以提供一个或者多个空间分离的直立接触件来支撑这样的 自立式气体感测组件，优选仅在其外周支撑。更优选的，这种空间 分离的直立接触件包含高电阻、低热质以及对腐蚀性含氟化合物具 有高耐性的材料。碳化硅是特别优选用于形成这样接触件。
当该自立式气体感测组件在易受腐蚀性含氟化合物侵蚀的基 底(如硅基底)上形成时，优选提供耐这种化合物的屏障层来覆盖 和保护基底。这样的屏障层可以包含任何耐氟或者耐卤素材料，包 括但不限于聚酰亚胺和碳化硅，其中碳化硅是优选的。
在一个优选具体实施方式中，气体传感器组件包括自立式气体 感测元件、一个或者多个空间分离的直立接触件、和屏障层，而该 空间分离的接触件在屏障层上制备，形成完整的接触/屏障元件来支 撑自立式气体感测元件并用来覆盖和保护其下的基底件。
参照图5-14A，描述是根据本发明的一种具体实施方式，制造 包括如上所述的自立式气体感测元件和接触/屏障元件的气体感测 组件的工艺流程的示意图。
如图5所示，提供基底件110，第一牺牲制模材料112在其上 面沉积并且图案化，以便形成其中的屏障凹槽。屏障材料(优选硅 碳化合物)层114沉积在基底件10上的屏障凹槽中以及第一牺牲 制模材料112上，然后平面化以暴露第一牺牲制模材料112，如图 6所示。
平面化步骤提高了结构层的平面性，从而有助于实现对随后形 成的结构层的几何形状的良好控制。该平面化步骤是可选的，并且 自身水平性能由隔离材料证实的情况下，平面化步骤可以省去，并 且有可能将隔离材料施加到隔离凹槽中，以便与围绕这些凹槽的第 一牺牲制模材料的邻接面接近水平。
图6A示出了图6结构的示意性俯视图，从该图第一牺牲制模 材料112是可见的，具有在其中填加了屏障材料114的方形屏障凹 槽。请注意本领域普通技术人员根据具体的最终使用和系统要求， 可以较容易地对该屏障凹槽的形状和构造进行修改，因此不受这里 提供的示意性例子的限制。
第二牺牲制模材料(优选硅氧化物)层16进一步沉积在平面 化的屏障材料114和第一牺牲制模材料112上，并图案化以提供接 触凹槽115，其限定位于平面化的屏障材料114上的一个或者多个 空间分离接触件，如图7所示。
之后将接触件形成材料(优选碳化硅)118沉积在这种接触凹 槽中并且加以平面化以暴露第二牺牲制模材料116，如图8-9所示。 图9A提供了图9结构的俯视图，从这里第二牺牲制模材料116是 可见的。四个空间分离的方形接触凹槽在第二牺牲制模材料116中 形成并且用接触件形成材料118填充。
图10示出第三牺牲制模材料(优选多晶硅)层120的沉积和 图案化，其包含限定预定支撑结构的结构凹槽119。尤其是，这样 的结构凹槽119位于接触件形成材料118和第二牺牲制模材料116 上方，因此如此限定的支撑结构将空间分离的接触件和第二牺牲制 模材料116进行桥接起来。
图11-12示出支撑材料(优选碳化硅)层112在这种结构凹槽 的沉积，以及随后其平面化以暴露第三制模材料120。
图12A示出了图12结构的俯视图，包括在第三牺牲制模材料 120中的结构凹槽中形成的支撑结构122，而这样的支撑结构122 将这四个空间分离的接触件(在图12A无法看到)和第二牺牲制模 材料116(在图12A无法看到)桥接起来。
在图13中，第三牺牲制模材料120被选择性的去除，从而形 成由支撑材料122形成的突出支撑结构并且暴露第二牺牲制模材料 116，并且氟反应性金属或者金属合金(优选包含镍)层124沉积 在这个突出的支撑结构上。图13A示出了图13结构的俯视图，从 这里第二牺牲制模材料116和氟反应性金属或者金属合金124是可 见的。
最终，第一和第二牺牲制模材料112和116被选择性地去除， 形成其上包含支撑结构112和氟反应性金属层124的自立式气体感 测元件，和包含空间分离的接触件118和屏障层114的接触/屏障元 件。自立式气体感测元件是由在其垂直方向的空间分离接触件118 支撑的，而这种气体感测元件的中心主要部分是悬空的和分离的。 屏障层114支撑其上的接触件118并保护下面的基底件110免受腐 蚀性含氟化合物的潜在侵蚀。
图14A示出图14结构的俯视图，其中只有自立式气体感测元 件的金属层124和接触/屏障元件的屏障层114是可见的。
图15是根据一种具体实施方式的气体传感器组件的透视图， 其包括一个含有一个其上具有镍涂层138的碳化硅层136的自立式 气体感测元件135。这样的气体感测元件135是通过空间分离的直 立的接触件134在其垂直方向上支撑的。屏障层132提供了对空间 分离的接触件134的支撑，同时保护了下面的基底130在气体感测 工作中免受气体感测工作中腐蚀性目标气体物质造成的苛刻化学 条件影响。
气体感测元件135悬空在屏障层132以及其下基底130的上方， 并且仅仅外周在非常有限的面积上与空间分离的接触件134接触。 因此，气体感测元件135的主要表面积(优选大于80％表面积，以 及更优选大于95％)是悬空的并通过空气腔与基底130分离开。此 外，通过使用特征为高电阻和低热质(如碳化硅)的材料制成空间 分离的接触件134，气体感测元件135的潜在热损失就可以最小化。 而且，本发明的气体组件由耐氟材料如碳化硅制成，因此在易于存 在含氟化合物的气体环境中尤其耐用且可靠。
在气体传感器组件中的自立式气体感测元件优选具有高表面 积/体积(S/V)特性，以有利于快速的响应，并将对在气体指示整 体性能(gas-indicating bulk property)中基本上较低变化的响应加以 放大，这种情况在相同传感器材料的低S/V构造中会出现。
因此，考虑到响应速度与易于制造的平衡，自立式气体感测元 件的关键尺寸——箔或膜的厚度尺寸，或者如丝、杆、或者柱状物 等的形式的直径——希望小于500微米(μm)，优选小于150μm， 更优选小于25μm，还更优选小于10μm，以及最优选在大约0.1μm 到5μm范围内。
还是为了响应性的原因，箔和膜，除了具有例如在0.1μm到5μm 范围内的低厚度外，希望在平面垂直于箔或者膜的厚度方向上具有 小的尺寸。作为制造复杂性和响应的平衡，在这种平面的横向尺寸 (X-Y平面，其Z轴是厚度方向)包括一个长度(X-方向)和宽度 (Y-方向)，它们有利地小于约10cm，优选小于约1mm和更优选 小于约100μm，如在约20μm到约5mm的范围内。通常，传感器 金属丝的合适尺寸可以容易确定以便为预期的应用相应地提供合 适的信噪音比例。
在前述描述的上下文中，应当明了，自立式气体感测元件可以 作为纳米级元件而被制造，虽然作为气体传感器产品比上述通常的 毫米/微米级的元件更昂贵。
在提供多个金属感测元件结构的情况下，可以将多个金属结构 的不同元件构造并且配置用于感测被监测的流体环境中不同的氟 化物质(fluorinated species)，和/或不同温度下相同的氟化物质，并 且可以采用不同几何形状和构型的感测元件用于冗余和/或确保精 确度等。可替换地，或者附加地，多个金属感测元件的不同元件可 以在不同的工作模式下工作，如电阻性的，传导性的，脉冲的，DC 模式，AC模式等。
关于采用气体感测元件的阵列，可以使用先进数据处理技术来 增强传感器系统的输出。这种技术的实例包括但不限于补偿信号的 使用、时变信号的使用、加热器电流、锁相放大技术、信号平均、 信号时间导数和阻抗频谱技术。另外，属于化学统计学范畴的先进 技术也同样可以应用。这些技术包括最小二乘拟和、逆最小二乘、 主成分回归分析、和偏最小二乘数据分析法。
例如，在与氟化合物例如SiF4，和/或者其它氟或者卤素物质接 触时，通过金属感测元件(作为电路的部件)的电压可能会下降， 表明金属感测元件电阻升高，从而关联到其与目标氟或卤素物质的 接触。这样的电压降可以被采用来产生用于加工控制目的的信号。 电压降可以被使用来产生对自动控制阀进行制动的信号，以便在半 导体加工系统中的加工物流的流动开始、流动终止，或者流动切换。 该控制信号可以可替换地被使用来制动循环定时器(cycle timer)， 来初始化在加工操作中的新步骤，或者来发出维持情况的信号，如 在清洗加工室(abatement process chamber)中洗涤树脂的改换 (change-out)的信号，是必须或者希望的。
应当理解，本领域的技术人员无需过度实验，能够以各种方式 的任何方式开发金属敏感元件的特性改变，来实现感测目标气体 (如氟或者卤素)物质有关的加工控制。
通过另外的实例，本发明的传感器组件可以用于与包含氟或者 卤素物质气体(如全氟化物质，如用于化学气相沉积操作的全氟化 有机金属前体)供应源的气体柜(gas cabinet)相连接，并且气体 传感器组件可以被用来测定在气体柜中的供应容器或者其他流动 线路的泄漏的存在。氟或者卤素物质的感测可以被用来制动大量吹 扫气体源，来清除气体柜的内部体积和防止氟或者卤素物质的浓度 达到毒性或者其他有害的水平。
传感器组件还可以被用于监测单元中，用于其中容易进入或产 生氟或卤素物质的环境，或者可替换地，传感器组件可以是可配戴 气体监测单元的组成部分，其被配置成启动警报和/或紧急呼吸气体 的自给源，用于危险物质清理人员，化学品综合企业的消防员，在 HF玻璃蚀刻操作中的工人等。
气体传感器组件可以很容易的应用于在产生这种物质的各种 工业加工操作中监测氟和卤素物质，该工业加工操作包括半导体制 造操作如室清洗，其中氟或者卤素物质被用于去除氧化硅、氮化硅、 氧化钽、和低介电常数(k<3.9)含硅膜如碳参杂的氧化硅等。
关于产生和输出用于监测在由传感器组件监测的流体环境中 的一种或多种目标气体物质的多个信号，各种设计对于气体感测组 件是可能的，并且可以有利地采用不同尺寸的装置的阵列来使气体 传感器组件的效率最大化。
可以认识到的是，本发明的气体感测组件的微热板具体实施方 式可以就所使用的部件感测膜以及反应/吸附化学物广泛地加以改 变，如本领域的技术人员能够为目标气体物质检测的给定的最终应 用而确定。微加热板检测器可以如以Frank DiMeo，Jr.和Gautan Bahndari的名义在2001年7月24日公开的U.S.No.6,265,222专利 中全面描述的那样加以制造，在此引入其全部公开内容作为参考。
本发明的另一种具体实施方式中给出包括具有催化表面的热 隔离结构和埋入式加热器和温度传感器的气体传感器，其中加热器 可以是电阻器或者晶体管元件，并且温度测量通过热电堆，热敏电 阻，或者热电元件进行。
由放热反应引起的温度升高可以通过与起到催化剂/加热器/热 敏电阻作用的镍载体催化传感器远离的温度测量来探测。由于镍金 属相对高的导电性，在一些情况中希望它来降低加热和热敏电阻功 能。可以使用多种方式来进行。
可以使用具有催化表面涂层的微加热板配置。关于材料，SiC 和Ni可以有效地用于在EPM应用中作为显示抗氟腐蚀的高稳定性 材料。催化层不需要电连接。希望具有大的电阻率温度系数的电阻 材料用于实现加热器/热敏电阻功能。多晶硅对应该目的来说是优异 材料。理想中的，加热器工作来维持恒定温度，焦耳热的改变来保 持指示表面催化反应的这种恒定温度。可替换地，温度可以是浮动 变量，加热器在固定的电压/电流/功率下工作，从而得到的温度的 变化是表面催化反应的指示。
温度测量可以使用埋入式热电堆进行，如以多晶硅/镍连接(件) 的形式进行。
另一种变型中，载体催化传感器转换可以通过多晶硅加热器/ 热敏电阻而不通过催化性镍表面层来进行。
而在另一种变型中，使用具有塞贝克系数(Seebeck coefficient)， 如多晶SiC(塞贝克系数>0.1mV/℃)有用的材料。通过将恰好在Ni 表面涂层(热)下的SiC层和冷的热沉(例如基底)电连接件，呈 现出温度不同的电动势指示，这可以用于温度测量。
因此，通过这种方法，可以从活性的感测层中减弱电转导，使 得催化性镍表面不再是电活性的。这是一个显著的操作优点。如果 由于电活性导致发生镍催化剂逐渐损失，将会出现催化性涂层最初 非常薄的问题。然后涂层的损失会导致在活性氟物质缺乏时读数的 偏离。通过避免整个催化涂层的电传导性，传感器避免了这样的困 难，从而相对于其中催化涂层暴露给电子传导的薄膜传感器，提高 了该传感器的可靠性。
这种减弱还使得实现催化层和转换层的分离最优化。例如，从 而一个分离最优化可以是在没有任何传导性损失下提供非常大的 表面积，并且催化层的厚度对于适当的操作不是非常重要的。另外， 其他具有潜在的更高的再结合活性的金属如铜可用被有效的使用。 可以制备具有或者不具有催化表面的微热板，因此不同的测量器， 如Wheatstone Bridge测量器，可以制成，其对催化反应是选择性 的，不受环境波动约束。
在以前的实践中，其中不可能将环境波动与目标刺激效应分离 开来，为了随后的信号处理，有必要在工具开始清洗中采用参比读 数。这样的参比读数又需要与工具控制器进行有源通信，这不是经 常可以达到的。上述的传感器避免了这种要求并且对目标刺激是真 正选择性的。
尤其热敏电阻方法具有几个附加的优点。由于与镍层相比该多 晶硅具有较大的电阻，信号的调制被极大地简化了。此外，多晶硅 容易与现存的Ni表面的机械加工相兼容，如MUSiC加工可以从 FLX MICRO(www.flxmicro.com)商购。
因此该传感器可以被构造成具有在碳化硅基底上的镍层，带有 热和冷的连接(件)，并具有在热和冷连接(件)之间组成塞贝克 电动势的电压差。
在阻止电流通过Ni涂物的排布中，可以将热电堆嵌入在涂覆 Ni的SiC微加热板中。更确切地说，载体催化传感器操作通过调节 加热板温度而完成，并且加热板与镍层分离。可以采用嵌入的多晶 硅加热器来测量温度。作为另一个选择，可以采用热电方法，使用 碳化硅的塞贝克电压，在基底侧面提供热沉。
通过加入热电堆，传感器连接的数量至少增加2个。尽管热点 堆和电热结构需要用于温度测量器的接触件，但是对于上部镍层没 有必要接触件。因此，共提供四个接触件(两个为加热器，以及两 个为温度测量器)。根据热敏电阻的方法，接触件的数量是保持在2 个。
在一种具体实施方式中蚀刻加工监测器(EPM)可以被用在等 离子增强化学气相沉积(PECVD)氧化室中来检测清洗终点。室清 洗是通过使用一种与沉积的SiO2反应的氟化蚀刻剂气体(如NF3) 形成气相的副产物(主要是SiF4和HF)来实现的。因为NF3在等 离子体中分裂，形成F2和F-。在终点，所有的SiO2被蚀刻，限制 了F与SiO2的反应。这导致了EPM电特性的改变。在一种具体实 施方式中，EPM使用一种电镀镍的碳化硅丝。该丝具有低热容量和 半导体核心，这能使该EPM提供更快、更可靠的室清洗信号。这 种具体实施方式中该丝可以被设置成横跨KF40法兰。该丝的各个 端与电源相连，通过此可以提供电能并且测量电性能。在室清洗过 程中，镀镍碳化硅丝的电阻是保持恒定的。在终点，丝的电阻增加。 为了补偿这种电阻的变化，施加到丝的电流下降，这是室清洗终点 的信号。
通常，希望保持蚀刻加工监测器的占用面积(footprint)尽可 能的小。传感器越小，传感器越可能接地安装到加工室中。例如， 加工室可以是从Applied Materials，Inc.，(Santa Clara，California)商购 的P5000加工室，并且带有3/8英寸NPT插栓的传感器的构造允许 该传感器直接安装到这种加工室的端口(port)。在一种具体实施方 式中，传感器可以采用一种微机械加工的丝(传感器构造在1/4英 寸NPT或者其他合适的配件上)来使传感器的占用面积最小化。
减少传感器的占用面积可能使传感器安装在与加工室相对的 最接近下游的位置。
在某些情况中，可能希望修改加工系统来适容纳蚀刻加工监测 器。例如，使用P5000加工室，可能希望将P5000的节流阀重新部 署到室排气管线的下游的远点，蚀刻加工监测器被设置在节流阀的 上游。这样的配置使得蚀刻加工监测器被设置在其中压力与加工室 压力相同的环境中，同时为蚀刻加工监测器的安装提供一个合适占 用面积。蚀刻加工监测器越靠近室，则终点检测信号越精确。在一 种具体实施方式中微机械加工的蚀刻加工监测器可以包括在没有 任何主要的系统修改下能够安装的构造。
图16是传感器组件的透视图，其中传感器组件150包括一个 2.16时直径的KF40法兰156，法兰156上安装材料盘158。 盘158通过压配式销(press fit pin)154固定在法兰156上。传感 器元件160包括电镀有镍膜的碳化硅丝，这种丝结构通过与之连接 的压配式销152固定在适当的位置了。在这种传感器中，如所示的， 电镀镍的碳化硅丝是被水平定向的。
图17是根据本发明的另一种具体实施方式的传感器164的透 视图。传感器164结合了垂直定向的丝170，以便使传感器需要的 占用面积最下化。这种减小的占用面积能够便捷安装到P5000加工 室的3/8时NPT螺纹孔中，这样的螺纹孔是这种室的固有特征。
在图17的传感器164中的丝170是电镀有镍膜的碳化硅丝。 使用两种不同大小的压配式销来形成电接触件，丝被安装在由 材料构成的机械加工的插件168里。机械加工的插 件安装在3/8时NPT配件166中。这种垂直定向和配置使图16传 感器的占用面积从2.16″直径减小到6.75″，降低了70％。
该机械加工的材料插件168是以任何合适的方式固定 在NPT配件166上，例如，使用压配式销或者TORR-SEAL密封剂， 或者其它密封介质。压配式销被压制穿过材料插件然后穿 过与传感器组件连接的金属法兰。根据销的规范采用推荐的洞直 径。密封介质应该确保对加工气体是真空密封的。
在另一种具体实施方式中，传感器可以如图18和19所示来制 造。图18是传感器180的透视图以及图19是这个传感器的相应俯 视图。在这种具体实施方式中的感测丝184长度为0.5″直径142 微米，丝被安装在直径1/4时的NPT配件182上。例如，微机械 加工的蚀刻加工监测器可以利用3/8时的NPT螺纹孔安装在加工室 中。在图18和19中示出的微机械加工的蚀刻加工监测器是图16 中示出的蚀刻加工监测器大小的约25％。这样的大小允许该传感器 安装在尽可能最接近于加工室排除的加工气体的位置，从而尽可能 最早地监测终点。
在图18的微机械加工的传感器中，丝184具有长0.4″，宽25 微米，深2微米的激光去除的沟道185。采用压配式接触件186来 相对于丝固定镍线。
使用在碳化硅丝上的电镀镍膜使一种耐用的、非反应性核心材 料与在室清洗终点电性能变化的反应性金属薄膜相结合。碳化硅丝 可以用镍电镀，或者以任何其他合适的方式涂覆有金属膜。在镍沉 积之后，丝上的沟道被去除。这种沟道去除可以任何合适的方式进 行，例如，通过光刻技术，激光烧蚀等。在一个特定的具体实施方 式中，采用激光去除沟道。在这样的“沟道化”之前，涂覆的丝具 有如图19所示的平面俯视的形式，其中丝184的特征是在碳化硅 丝核心188的外表面上具有环状连续的且厚度均匀的涂层镍190。
在电镀的金属膜上的沟道可以制成互相之间成180度的形式， 使得这些沟道彼此是相反的。这样布置沟道的目的是在形成丝的电 通路的金属膜中产生支柱(leg)。
采用工业个人计算机和专门设计的软件给电镀的金属供能来 操作蚀刻加工监测器。电镀的金属膜的电阻被初始的记录并且输入 到软件记录中。然后丝被控制成这样的电阻。在所有的加工室循环 中在丝上通电流。在室清洗的过程中，传感器电流提高以便控制电 阻给定值并使之稳定。当已经达到室的清洗终点时，金属膜的电性 能改变。为了将丝控制在设定的电阻值，软件起到调节施加在传感 器上电流的作用。施加到丝上的电流的这种变化与室的清洗终点对 应。
为了进一步对镍薄膜进行电隔离，可以采用薄膜作为镍薄膜和 硅碳化合物丝之间的屏障层，以便提高传感器的响应，以及在高的 工作温度下保护丝不会短路。
随着温度的升高，半导性的碳化硅的导电性增强，使得出丝易 于可能短路。例如，如果在镍薄膜和碳化硅丝之间沉积铝氧化薄膜 作为屏障层，镍薄膜是与丝电性隔离的。镍薄膜通常采用电沉积来 沉积。如果非导电性的屏障层沉积在碳化硅的表面，也需要镍沉积 的除了电沉积外的方法，如电子束沉积或者溅射沉积。
图21是其中电镀镍已经被去除形成沟道的传感器丝在500倍 的放大率下的显微照片。该实例中的沟道是电镀在直径142微米的 碳化硅丝上的2微米厚电镀镍膜中，25微米宽和2微米深。
图20是其中安装了传感器的加工系统200的示例性图示。加 工系统200在泵浦板208上包括包覆内部体积204的P5000室202， 室202中安放了加工晶片206。加工室202排气管线212连接到泵 上，箭头方向所示(至泵)。排气泵212包含一个节流阀216。
在该构造中，图16中所示类型的传感器214可以设置在节流 阀216的排气管线的上游，如图所示。
然而，可替换地并且优选地，图17和18中所示类型的低占用 面积传感器210被安装在加工室壁上在泵浦板208下方，如图所示。 这样的布置，例如，可用通过具有3/8″NPT配件实现，该配件与位 于加工室202侧壁上的3/8″NPT的螺纹孔相接合。这种螺纹孔通入 位于泵浦板208下面的室中。采用泵浦板208来使加工气体从加工 室中均速并均匀地抽出。所有进入室(引入的方式没有示出)的气 体通过在泵浦板上的孔去除，这些孔例如直径可以为1/4″并分散穿 过板的表面。泵浦板的下面是一个连接至室排气管线的透孔。通过 在3/8″NPT的螺纹孔中设置低占用面积的传感器210，传感器被放 置于板下方透孔的感测关系中，晶片和引入气体的下游。在这个位 置，传感器不干扰加工室中的任何移动部件。
可以以任何适合的方式，例如机械连接件、电镀连接件、线结 合连接件(wire bonding connection)等，制成与微机械加工的蚀刻 加工监测器的电连接件。在丝中使用2个支柱制成一种机械连接件 模式，丝的每一个支柱上制成单独的机械连接件。机械连接件可以 包括例如夹具，其通过固定螺钉或者其他的机械紧固件固定在丝的 每一个支柱上。一个大的压配式连接件可以套丝180度分开，用固 定螺丝用于将丝固定在压配式连接件中。
另一个方法是在碳化硅基底上电镀该丝的支柱，其中碳化硅基 底是包含两个涂镍线的薄盘。镀覆这样的线可以利用光刻技术进 行。一旦该基底被制造，微机械加工的蚀刻加工监测器丝机械连接 至盘。丝的支柱与在碳化硅基底上的涂镍线相连接。在碳化硅基底 下的透孔是电源连接至基底上的电镀线必需的。
线结合技术可以被用来将薄镍线结合至丝的每一个支柱上，同 时使薄镍线连接至压配式连接件。
可以将各种金属用于丝涂层和热电偶的形成。
铜是可接受的用于制造该蚀刻加工监测器的耐氟材料。通常考 虑到耐氟性，由于氟暴露所形成的氟化物膜必须是密集的并且具有 低蒸汽压。由于这种性质不被人熟知，可以使用熔点作为向导。许 多元件形成具有高于二氟化铜熔点(～785℃)的熔点的氟化物单相 (single fluoride phase)。具有多相的元件可以形成非化学计量的并 且耐氟性小于那些具有单相的元件的氟化合物。对于这些金属的并 且在大气条件下不可燃的元件，下述元件形成氟化物单相(每一个 例子中的氟化物的熔点被列出在圆括号中)
∏A族
Mg(1248)，Ca(1418)，Sr(1477)，Ba(1368)
IIIA族
Al(1290)，Ga(>1000)
∏B族
Zn(872)，Cd(1049)
IIIB族
Sc(1515)，Y(1150)
镧系无素
La(1493)，Nd(1374)，Gd(1231)，Dy(1154)，Ho(1143)，Er(1140)， Tm(1158)，Lu(1182)
VIII族
Ni(1450)
在上述的物质中Gd具有最高的电阻(Ni的20倍)并且是用 于涂层的优选物质。
除了它们可以用作丝涂层的材料，用于蚀刻加工监测器应用的 热偶连连接可以使用上述任何两个材料或者它们的合金来制造。
可以用任何合适的材料来形成传感器丝的核心纤维。在本发明 的一种具体实施方式中，可以采用氧化铝作为碳化硅的替代品。有 用的可替代的材料包括从Goodfellow Corporation，Devon， Pennsylvania商购的蓝宝石单丝(A1665920蓝宝石单丝)，从Photran LLC，Poway，California商购的蓝宝石光学纤维，以及从3M Company， St.Paul，Minnesota商购的短切纤维(chopped fiber)，如Nextel 610 短切纤维。
氧化铝是非常适用的耐氟材料。
丝核心可由任何合适的材料制成，包括上述的元素的化合物和 合金，包括但不限于氟化物、氧化物和氮化物。
可以使用任何合适的能够用薄的导电性涂层涂覆的丝组分。可 以使用从各个卖主中商购的ZBLAN纤维，以及MgO和MgAl2O4 纤维。MgO已经被证明是非常合适的耐氟材料。考虑各种成本和性 能因素的平衡，Al2O3是非常优选的。
丝核心可以不全涂覆而对传感器性能没有不利影响。这种对全 部涂覆覆盖要求的放宽实际上增加了传感器设计和制造的自由度。
作为涂层技术可以避免镀覆，有利地使用其他技术，如真空沉 积技术，例如电子束或者溅射技术，在氧化铝单丝上沉积如镍的金 属层。
在真空沉积中数百根单丝的大量的涂层可以很容易获得，具有 高度的均一度。
另外，在氧化铝作为核心材料的情况下，对金属涂层连续性要 求的宽松意味着不再需要浓密的涂层，因为裸露的氧化铝单丝对氟 等离子体是高耐受性的。沉积的金属层可以薄至20nm，比SiC单 丝上的典型镍涂层薄两个级别。在Nextel 610短切纤维(从3M Company，St.Paul，Minnesota商购)的情况下，可使用的直径范围是7 到13微米，由此可以达到直径减小另外10倍(factor of 10)。这 种薄涂层又可以使丝的电阻提高100倍因子，达到几千欧姆(Nextel 纤维的1000倍)，从而大大简化了传感器所需的测量电子设备。此 外，对于小主体法兰可以缩短丝的长度而无需依靠Y字型或者其他 几何复杂的构造。
由于电阻较大，丝可以在恒定电流模式下工作而不是恒定电阻 模式下，因为没有必要在恒定的电阻工作来提高信号强度。使用恒 定的电流作为工作模式意味着该丝可作为电阻式温度检测器 (RTD)来工作，从而消除了对昂贵的电路部件(例如，控制电压 的电流源)和复杂的反馈控制的需要。因此可以容易地使用常规的 桥电路(bridge circuitry)。可替换地，用于恒定电阻工作的电路可 以被保持并且取决于使用的条件，传感器可以在恒定电流的模式 (作为RTD传感器)或者在恒定电阻的模式(作为风力传感器 (anemometric sensor))下工作。这种工作的灵活性将允许同样的 传感器构造在过清洗或欠清洗条件下工作。最后，这种配置允许多 个元件在不同模式和不同的设置下工作来提供用于正确的数据解 析的差分/冗余信号。
在另一种具体实施方式中，覆Ni的SiC单丝被氧化铝基底上 的微机械加工的镍或者铜结构所取代。氧化铝丝上的镍或者铜是商 购的(见http://www.microfabrica.com/resource—center/EFAB_White _Paper_Microfabrica.pdf)。
在另一种具体实施方式中，本发明涉及位于氧化铝支撑物上的 微机械加工的Ni载体催化传感器。另外，可以提供采用单金属， 如镍，和热接点(热电偶接点，thermojunction)(如镍/铜)的热隔 离RTD传感器。
图22是电阻作为时间的函数变化的图，用于铁丝和覆镍的氧 化铝(曲线A)与水平安装的直的覆镍的SiC碳纤维(XENA)(曲 线B)的对比测试。各自的曲线示出了蚀刻加工监测器在恒定电流模 式下工作时在一个涉及间歇性的暴露在三氟化氮的循环中的电阻 变化，以及在开/关操作(工作)中暴露于三氟化氮的四个事件与三 个关闭循环步骤相交替。
考虑本发明的另一个方面，在必须适应暴露在由等离子体产生 的高腐蚀性的氟物质中的处理工具中使用不锈钢。这样，不锈钢 (SS)是适用于制造用于暴露在氟化物的装置的材料。具有SS护 套的测温元件，如，热电偶、RTD、和热敏电阻，是可以低价格商 购的。SS护套有效地扩展了适合于制造根据本发明的传感器的材料 的范围，因为护套对可能会被氟化物蚀刻的元件提供了额外的保 护。
具有护套的元件的使用具有另一个优势，即允许将护套直接焊 接到主体法兰上取代专用的电馈通。护套可以被直接焊接在EMP 主体法兰上。可替换地，通常与具有护套的元件一起的法兰(如， Omege RTD-800系列TRD温度探针和Lorex具有法兰/护套的热电 偶)可以被焊接到EPM主体法兰上。这种焊接，除了惯常的变化， 是容易进行的并且对传感器的成本不会显著增加额外的费用。
尽管不锈钢是常用的护套材料，但是任何其它合适的材料可以 作为护套材料来使用，例如Inconel和Hastelloy-C。许多这样的合 金含有的镍含量(通常>50原子％)高于不锈钢(<15原子％)。 许多这种合金比不锈钢更耐氟，当发生钝化时，例如，当合金护套 暴露在氟化物中时在合金表面形成一层钝化的镍氟化物层，并且这 样的钝化层可以防止进一步的腐蚀。尽管护套材料优选含有高的镍 含量来增强耐氟性，但是可以通过将表面镍涂层施加到护套上来获 得合适的增强。
合金的耐腐蚀性列表可以在http://www.watlow.com/reference/ files/corrosion.pdf上得到。
通常，护套的使用会带来响应时间减慢的缺点。因此优选使用 薄壁的，接地的护套化元件。可替换地，可以沉积一层薄的绝缘、 耐氟性材料如氧化铝，或者氟聚合物如TEFLON、VESPEL和 KAPTON。TEFLON和VESPEL在氟环境中的生存性已经经验确认 了。在一种具体实施方式中，金属护套(一般厚度>20微米)可以 被例如厚度为2微米的氧化铝涂层替换。比较而言，与带金属护套 的配置相比，没有护套的、绝缘的涂层配置具有附加的热质并且因 此易于较快速响应。
图23是电阻(单位是欧姆)作为时间(单位是分钟)的函数 的曲线，示出了覆有Teflon镀镍的SiC的丝(曲线A)，非连续的 镀镍的碳化硅丝(曲线D)，在电流是0.125毫安下电镀5个小时 的镀镍的SiC丝(曲线B)，在0.25毫安下电镀5个小时的镀镍的 SiC丝(曲线E)的响应，曲线C代表等离子体开/关循环。测试条 件包括在恒定电流模式下同时测定所有四个丝。加工条件包括5torr 的压力和800标准立方厘米每分钟(sccm)流速的氩气和400sccm 的三氟化氮，通过打开或者关闭四次来进行加工的操作以便模拟终 点或者氟的增加。
观测到，覆有Teflon的样品和不连续涂覆的丝具有相反的响应。 电阻随着氟的引入而下降。
图24是热电偶电压作为时间的函数的曲线，在暴露于4脉冲 的三氟化氮下测试三个热电偶的试验。一个裸线T型丝具有最快的 响应性(曲线A)。曲线B是0.020”具有护套的T型丝的曲线以及 曲线C是0.040”具有护套的K型丝曲线。如果是具护套的，其他 易受氟损害的元件如K型热电偶可以被有效的采用，然而，护套化 提高了通常与护套化层的厚度相关的响应时间。
本发明的传感器可以采用任何合适的终点算法。
在一种具体实施方式中，以一个最小限度和差分的形式可以将 控制方程写成
ΔW+{h(k，v)x ΔTeffluent+Telement x Δ[h(k，v)]}+ΔH·r＝0
其中ΔW是为了使感测元件保持在设定的温度Telement下焦耳热的必 要变化；h是热对流系数并且是流出物导热系数k和运动粘度v的 函数；Telement是有效的流出物温度；ΔH是发生在感测元件表面的 反应焓(例如，氟自由基的再结合)，以及r是反应速率。
ΔW被测定并且可以实时获知。在花括号中两个项代表了在对 流损失中的改变并且取决于k和v。当与以下表A所示蚀刻剂(如 F2)相比时，该蚀刻产品往往具有低的热传导率和运动粘度：
表A
物质 WF6 CF4 SiF4 BF3 HF 热传导率 (Mw/m·K) 9.8 15.0 15.6 16.6 23.0 运动粘度(μ 泊/g) 0.6 1.96 1.5 2.5 5.8
*运动粘度被定义为动力学粘度和密度的比。因为该密度比例 随着压力而变化并且因此不是基本的材料特性，分子质量被使用来 代替密度。
因为蚀刻反应是放热的，清洗过程中流出物温度与后清洗操作 相比较高。每一项在清洗进程中的趋势行为可用被表述为：
ΔW＝-{h x ΔTeffluent↓+Telement x Δh↑+(ΔH·r)↑}
因为这些项的相对权重从一个清洗工序到下一个是变化的，不 知道先验如何确定终点并且因此一个确定性的算法是不可行的。
对于普通的工具操作，尽管一个确定性的算法是不可行的，但 是具有可选择范围的参数(field-selectable parameter)的遗传算法是 可能的。因此以下遗传表示的控制方程在考虑的遗传趋势中具备实 用性：
W＝项1↑+项2↓
根据这两项(term)的相对权重，可以有四个——并仅仅四个 ——可能的情况：(1)项1支配整个清洗循环，(2)项2支配整个 全部的清洗循环，(3)项1支配和初始化以及在随后的操作中给项 2路线，(4)在操作过程中项2给项1路线。每一个情况的图示的 说明展示如下：
可以开发具有选择性条件的遗传算法来确定这四种情况的任 何一个的终点。首先定义以下四个参数，在清洗工序中各时间的函 数：
SM(t)≡max[W(t)]—W(t)
SM(t)≡W(t)—min[W(t)]
其中下标max和min表示从清洗开始(t＝0)的最大值和最小值。 可以根据这些参数或者这些参数的函数构建遗传算法。一个实例表 示为两个阶段条件的决定程序：
情况 前置条件 条件 (1) 无 Sm>阈值 (2) 无 SM>阈值 (3) Sm>前置阈值(pre-threshold) SM<阈值 (4) SM>前置阈值 Sm<阈值
当满足条件时终点就达到了。设计前置条件来适应对第三和第 四种情况进行分类的两个项之间的相对权重的变化。前置阈值，如 果选择慎重的话，如果将被去除的剩余物由不同化学组分的层制成 也会允许多峰(以波纹的形状出现)。
在范围采用(field deployment)中，操作者通过以下步骤定义 终点算法：
1.选择前置条件参数：无，SM，或者Sm
2.如果需要的话，选择前置阈值
3.选择条件比较：大于(>)或者小于(<)
//这个可以被包括在步骤1因为前置条件也定义了条件比较
4.选择阈值
上述的4-步骤选择过程可以被自动的提供，软件能够确定哪一 个分类适用于确定的迹线(measured trace)，应该注意的是，清洗 过程必须具有可重复性的特征。可以采用高级的模式识别技术，或 者为了过清洗过程而监测清洗终点的参数(即，清洗过程达到终点， 例如，通过使用辅助分析仪或者故意延长清洗时间)：
条件(在清洗的终点) 情况 Sm}}SM？0 (1) SM}}Sm？0 (2) SM}}Sm>0 (3) Sm}}SM>0 (4)
因此可以想象的是，在定值设置阶段后，软件转移到练习阶段， 其中(过-)清洗过程需要运行多次用于软件分类该迹线并且确定 (identify)合适的阈值：
1.记录一些过清洗循环的能量迹线值。
2.通过以下条件对迹线分类(“零”是一个非零值，用来确定数 学上有意义的但是算法上模糊的“？”条件)
条件(在清洗的终点) 情况 Sm>零>SM (1) SM>零>Sm (2) SM>Sm>零 (3) Sm>SM>零 (4)
希望所有的过程产生同样的终点结果。
3.从这些循环中确定(identify)感兴趣的终点(过-)清洗参数
情况 感兴趣的参数 (1) 最小的Sm (2) 最小的SM (3) 最小的Smi和最大的SM (4) 最小的SM和最大的Sm
4.基于在允许的Δ安全边界内从以前的步骤中获得的参数值 来确定前置阈值和阈值。这个策略有助于确保大部分(如果 不是所有次数)终点条件会得到满足。
情况 前置阈值的限定 阈值限定 (1) 无 从最小的Sm中扣除Δ (2) 无 从最小的SM中扣除Δ (3) 从最小的Sm中扣除Δ 将Δ加入到最大SM (4) 从最小的SM中扣除Δ 将Δ加入来形成最大Sm
设计了具有内置安全边界的终点呼叫来呼叫稍微过早的终点 以便适应加工的变化。因此将短的过终点周期T加入以便在过了呼 叫终点后继续清洗是有益的。
如果在清洗过程中有较小的变化，步骤3和4可以被制成连续 性操作的固有部分(resident part)。
3.从所有前面循环中确定(identify)感兴趣的参数值。
4.如果感兴趣的参数值进入目前阈值的设定边界范围内则更
新该阈值。
该软件适用于产生事件日志记录，用来在发生的时候将设定点 改变记录在文档，这样，在适当的时候，工具的操作者可以检查阈 值改变的合适度。只要该控制设定点被改变阈值也应该被再监测。
尽管参照说明性具体实施方式和特征已经在本文对本发明进 行了多方面的描述，应该明了，以上描述的实施方案和特征并不是 为了限制本发明，并且基于本文的公开，其它的变化、修改和其它 的具体实施方式将易容易地将它们启示给本领域的普通技术人员。 因此与所附的权利要求相一致，本发明可以被广泛地解释。
与之相比，本发明应用下游热探针，而不是原位能量探针，用 于监测在远离等离子体状态的下游区域由等离子体加工设备产生 的流出物气体流的能量流。
在这样的下游区域，只有特征是比带电粒子和光子寿命更长的 高能的中性物质，如氟、氯、碘、溴、氧，和其衍生物和自由基， 所负载的能量流才可以到达这样的下游热探针的表面。因为这种高 能中性物质所负载的能量流的密度与等离子体状态在数量上是相 关的，所以在蚀刻等离子体加工设备中用于等离子体状态的下游测 定是有利的。
因此，在本发明的一种具体实施方式中，一个能够显示由于上 述高能中性物质的存在的温度变化并且能够相应地产生指示所述 温度变化的输出信号的传感器元件，被暴露在蚀刻等离子体加工设 备的下游区域由蚀刻等离子体加工设备产生的流出物气体流中，用 来监测由在流出物气体流中的这种高能中性物质引起的能量流。例 如，这种传感器元件可以工作连接至气体采样装置，该气体采样装 置或者连接于下游流体流动路径或者组成这种流体流动路径的一 部分，用于在这样的下游区域从流出物气体流中获得气体样品并且 将该传感器元件暴露给气体样品。
因此该高能中性物质(如果存在于流出物气体流中)到达了这 种下游传感器元件的表面，通过非弹性碰撞和/或者通过放热性再结 合在传感器表面释放能量来将能量传递到传感器表面，引起了这种 传感器元件表面上的可测的温度变化。这种温度变化是与高能中性 物质在流出物气体流中的存在和浓度相关的，并且因此用于推断蚀 刻等离子体加工设备的等离子体状态。
优选这样的传感器元件包括在二者之间用异质结连接的两个 不同的金属部件，这可以显示传感器元件的两个部件在高能的气体 物质存在下的可检出的差分电压的变化。这种差分电压的变化是与 流出物气体流中高能气体物质的浓度定量相关的，并且可以通过监 测装置的监测来推测所述蚀刻等离子体加工设备中的等离子体状 态。
这种传感器元件的特定结构、组成和表面条件对于实现本发明 并不是关键性的。
优选地，当流出物气体流易于存在高能氟物质或者其它卤素物 质时，那么这种传感器元件包含能够耐氟物质或者其他卤素物质的 腐蚀或者侵害的材料，或者另外例如通过耐氟或者耐卤素涂层的保 护性而免受这种腐蚀或者侵害的材料。例如，这种传感器元件的两 个部件可以通过包含金属或者金属合金例如镍、铝、和铜，及其合 金的金属丝形成，并且这种金属丝可以具有从大约0.1微米到大约 1000微米的平均直径。
用于实现本发明一个特别优选的传感器元件的类型是包括由 铜制成的第一部件和由铜-镍合金如康铜制成的第二部件的传感 器元件。铜和镍都是耐氟的，因此这样的传感器元件可以用于检测 高能的氟物质。
此外，该传感器元件可以包括保护传感器的两个金属部件免受 氟物质腐蚀和侵害的耐氟涂层。例如，这样的传感器元件可以具有 由聚四氟乙烯、氧化铝、第II族金属氟化物(例如CaF2和MgF2) 和全氟聚合物(如由DuPont市售的的商标为的聚酰亚胺材 料)形成的涂层。另外，这样的耐氟涂层起到隔离该传感器元件金 属部件的作用并且因此避免了金属部件与外部导体或者导电性材 料的非有意的接触，这可能会干扰差分电压的测量。
图1示出了一个示例性的Y字型传感器元件10，其包括由铜 丝形成的第一部件12和由康铜丝形成的第二部件14，二者在它们 的一端连接在一起形成一个异质热结点(异质热电偶结点 heterothermojunction)。第一和第二部件12和14的另一端固定在或 者换句话说安装在两个电接触件或者端子16和18，并且如上描述 的监测和信号设备(没有示出)可用于监测这两个端子16和18的 差分电压来测定氟物质的存在和浓度。
图2示出了另一个示例性的传感器元件20，其包括由不同金属 或者金属合金形成的一个第一部件22和一个第二部件24。含有聚 四氟乙烯的耐氟涂层23隔离两个部件以及保护这样的部件免受腐 蚀性氟物质的侵蚀。该第一和第二部件22和24在其一端连接形成 异质结(heterojunction)并且固定在或者换句话说安装在两个电接 触件的或者端子26和28上，其可与监测和信号装置(没有示出) 电性连接用于监测两个端子26和28之间的差分电压。
该传感器元件两个部件之间的差分电压的测量可以通过具有 简单的信号扩增器元件的电压表，或者任何其他适合的仪器或者装 置容易地实现。优选冷的热电偶补偿(CJC)技术被用于补偿在传 感器元件和测量仪器之间形成的任何附加的异质结的影响并且来 确保差分电压的精确测量。
对于上述传感器元件的信号测量是简单的和直接的，并且本域 的普通技术人员可以容易的确定该监测和信号设备的部件和构造， 而无需过度实验。更重要的是，本发明的这样的传感器元件的信号 测量是被动的(无源的)，即，不需要外部的能量来操作这样的传 感器。
可替换是，本发明的传感器元件可以包括任何其他的热探针， 包括但不限于热敏电阻和电阻式温度检测器(RTD)。RTD可以在 其电阻未作修正而读出的测量模式下工作。可替换地，RTD可以在 恒定电阻或者恒定电流控制的模式下工作，其中这样的RTD的电 阻或者通过这样的RTD的电流，例如，通过改变供应给它的电功 率被操控以保持在规定的恒定值上。在后者情况中，受控的电功率 提供了间接的温度测量。
尽管以上的描述是主要针对测定高能氟物质，本发明可容易地 应用在其他高能气体物质，包括但不限于氯、碘、溴、氧、以及其 衍生物和自由基。
本发明的气体感测系统可以包括单个如上所述的信号气体传 感器，或者多个这样的气体传感器，其中多个气体传感器元件提供 冗余或者备份感测能力，或者在其中多传感器元件中不同的元件被 配置成用于感测在被监测的物流或者气体空间中不同高能气体物 质，或者在其中多传感器元件中不同的元件可以被安排在不同的模 式下或者相互关联的模式下工作，如产生被算法操作(例如相减地) 的相应信号，来产生一个净指示信号(net indicating signal)，或者 可替换地，相加地来产生复合指示信号(composite indicating signal)，或者以其中有效地采用多个传感器元件的任何其他合适的 方式，以便用于监测气流或者感兴趣的流体空间中高能气体物质， 来产生用于监测或者控制目的的相关信号。
结合气体传感器元件的阵列的使用，可以采用先进数据处理技 术来增强传感器系统的输出。这样的技术的实例包括但不限于补偿 信号的使用、时变信号(time-varying singal)的使用、加热器电流 (灯丝电流，heater current)、锁相放大技术、信号平均、信号时间 导数和阻抗谱技术。另外，属于化学统计学范畴的先进技术也同样 可以应用。这些技术包括最小二乘拟和、逆最小二乘(inverse least squares)、主成分回归分析、和偏最小二乘数据分析法。
因此本发明的气体感测元件可以以合适的方式，在本领域技术 范围内连接至转换器、计算模块，或者其他的信号处理单元，来提 供可以在受监测的流体环境中一种或多种高能气体物质的存在和 数量的变化的输出指示。
实施例
进行测试来测定当暴露于含有高能氟物质的NF3等离子体时如 图1所示传感器元件的响应。
等离子体源是在400KHz和6KW运行的ASTeX的ASTRON AX 7650原子氟发生器。质量流控制器用于控制加工气体(Ar和 NF3)流。在紧挨着等离子源输出口处的样本口允许插入测试样品 如硅晶片。该输送管由6060 T6铝(Aluminum)制成，并且沿着输 送管有多个口用于热探针的安装。电容压力计(capacitance manometer)被用于提供压力读数，和节流阀被用于控制输送管压 力。
关于传感器元件，直径大约0.05英寸的铜丝和一个康铜丝(如 从在斯坦福德，康涅狄格的Omega Engineering，Inc.购买的)在它们 的第一端点焊接在一起来形成在焊接点具有异质结的传感器元件。 然后将这种传感器元件使用铜和康铜连接体(如从CeramTec Norh America Corp.at Laures，SC购买)连接到一个传感器元件真空连通 (vacuum feedthrough)，其又连接至将差分电压读数自动转换成温 度读数的信号转化器。
模仿五个沉积/清洗循环。具体的说，通过提供70mTorr的氮 气吹扫来模仿沉积循环，以及在5Torr和每分钟大约1标准升(slm) 下通过提供和氩气一起的活性等离子体来模仿清洗循环。在每一个 清洗循环的中间点，间隔15秒来逐渐的加入500sccm的NF3来模 仿用来NF3等离子体清洗的一个氟上升终端。
斯坦福研究系统的RGA300残留气体分析仪被用于跟踪化学 物质的时间演变，特别是在测试歧管(test manifold)中的实际的氟 浓度，其每10秒扫描全100原子质量单位光谱。质量38被绘制成 曲线作为测试歧管中氟(F2)浓度的指示。
图3示出了经过五个这样的模仿的沉积/清洗循环的传感器元 件的温度读数，与RGA的氟浓度读数相比较。明显的，基于本发 明的传感器元件的传感器的温度读数与RGA的氟浓度读数关联得 很好。
此外，进行了2×3矩阵设计的实验来研究传感器响应性能。 尤其是，传输管压力在3、5和7torr之间变化，而总气流在0.6到 1.2SLM之间变化。在每一个传输管压力和总气流的组合中，以总 传输气体供给的体积计，NF3组成在1/6、2/6、和3/6的之间变化。 取决于NF3组成和相应测试条件的信号示于用于实验矩阵的全部设 计的图4中。在传感器响应和NF3组成之间具有线性相关，由此得 到的定量参数可以被求导重现响应特性。
2004年4月22日公开的出版号No.2004007285题为 “APPARATUS AND PROCESS FOR SENSING FLUORO SPECIES IN SEMICONDUCTOR PROCESSING SYSTEMS”的美国专利申请 和2001年7月24日公布的题为“MICRO-MACHINED THIN FILM HYDROGEN GAS SENSOR，AND METHOD OF MAKING AND USING THE SAME”的专利号No.6,265,222的美国专利为了所有的 目的将其全部内容结合在此作为参考。
本发明涉及一种气体传感器，包括：
热隔离结构；
催化材料；
加热器；和
温度传感器；
其中：
温度传感器包括热电堆、热敏电阻，和热电元件中的至少一种；
催化材料与气体催化性地相互作用来进行产生热效应的气体 的反应；
温度传感器适用于感测热效应并且产生指示与催化材料接触 的气体的存在和/或者浓度相应的输出；并且该热隔离结构被配置成 至少部分地限制加热器对催化材料的加热。
该气体传感器，在它的一种具体实施方式中，包含包括镍的催 化材料。该气体传感器可以被构造为微热板或者载体催化传感器 (pellistor)，并且该催化材料作为微热板表面涂层而存在。
该气体传感器可以被制成任何合适的形式。基底可以是碳化硅 或者其他合适的材料，加热器可以包含电阻材料，催化材料可以以 非电性连接的形式提供。该电阻材料可以由多晶硅制成。
该加热器适于将温度传感器的参比部分维持在恒定温度，使得 通过加热器加热温度的变化指示了气体与催化材料的催化相互作 用。
可替换地，加热器适于在选自电压、电流和功率中的固定电条 件下工作，使得温度的变化指示了气体与催化材料的催化相互作 用。
加热器可以包括热电堆，如，包括多晶硅/镍连接。
在气体传感器中，催化材料可以包括在碳化硅基底上的镍层。 在一种特别优选的具体实施方式中，气体传感器包括电镀镍的碳化 硅丝。
气体传感器可被配置成保持电镀镍的碳化硅丝的电阻恒定，其 中电阻的变化指示出了接触催化材料的气体的存在和浓度。
本发明提出了化学加工组件，包括适用于加工材料流过其中的 室，以及上述气体传感器，适用于感测存在于加工材料中的气体。 在这样的组件中的气体传感器可以装配有一个3/8英寸的插栓或者 1/8英寸的插栓来使该传感器能安装在室上。
该气体传感器可以包括垂直定向的金属镀覆的丝作为催化材 料和温度传感器。这样可以提供一种传感器，包括电镀了镍膜的硅 丝，该丝被垂直定向并且被设置在接触件上用于感测气体。该传感 器也可以包括压配式接触件来将该丝固定在适当的位置。丝中可能 存在沟道，用于将传感器连接至基底。
该传感器可以被配置成用来通过镍涂层电性能的变化而确定 室清洗操作的终点。该传感器可以被操作，使得通过丝的电性能变 化而测定气体的存在。该电连接件是分离的。通常，该电连接可以 是任何合适的类型，包括机械连接件、电镀连接件和电镀连接件中 的至少一种。
在另一种具体实施方式中的传感器包括在氧化铝支撑物上的 微机械加工的Ni载体催化传感器。
另一种具体实施方式中本发明提供了一种适合感测流出物的 物流中气体的传感器，这种传感器包括温度感测元件和气体相互作 用元件，气体与该气体相互作用元件反应产生被温度感测元件能探 测的热响应，其中该传感器由加热器进行焦耳加热，并且适于按照 以下关系工作
ΔW+{h(k，v) x ΔTelement+Telementx Δ[h(k，v)]}+ΔH·r＝0
其中ΔW是为了使传感器元件保持在设定的温度Telement下焦耳热的 必要变化；h是热对流系数并且是流出物导热系数k和运动粘度v 的函数；Telement是有效的流出物温度；ΔH是发生在感测元件(sensing element)表面的反应焓，以及r是反应速率。
另一种具体实施方式中本发明提供了感测含有或易于含有气 体的流出物的物流中气体的方法，包括使用上述气体传感器。
而特别参照在半导体过程控制中的应用在此处对本发明进行 描述，可以明了本发明的应用并不是这样受限制，而是拓展到广泛 的各种其他用途和应用，包括但不限于，应用于生命安全系统，室 内或者周围环境的监测操作，以及其他工业上和用户市场气体感测 应用。
本发明的一种具体实施方式提供了用于确定半导体室清洗加 工的终点的、基于微电子机械系统(MEMS)的气体感测能力。
传统的MEMS设计(为了其他的、更良好的气体环境)需要 将感测金属层(sensing metal layer)沉积在一个基于硅的器件结构 上，并且随后将该器件连接并封装到芯片载体上。在一种具体实施 方式中，这个制作方法需要多步骤的工序，涉及相应的多部件产品 传感器组件，其中每一个部件受到大量氟化气体化学侵蚀。尽管通 过开发合适的包封结构可能保护每一个独立的部件，但是这个权宜 之计还是增加了该产品气体传感器装置的制作复杂性、制造时间和 成本。
这些障碍可以使用基于MEMS的感测装置的方式来克服，该 感测装置可容易且便宜地制造，并且易于实施以高效、持久且可靠 的方式来监测在这种工艺的苛刻的化学环境中半导体室清洗工艺 中的氟化气体。
本发明的氟化气体传感器装置(在以下一种具体实施方式中充 分描述)具有多个有利特性使其作为该领域的突破而显著。
一个这样的特性是在该装置种所使用的是高性能的氟-反应 性金属感测元件，如镍或者镍合金，其特征是电阻高，热低质，密 度小，以及电阻率温度系数高，这特别适合用于基于电阻的气体感 测(gas sensing)。
第二个特性涉及采用同时作为感测材料和热源(如，通过其电 阻性、传导性、或者其他的加热)的金属元件用于气体感测工作， 例如需要根据周围的条件来改变感测温度，或者需要与其流出物包 含要被监测目标气体物质的半导体室的温度相匹配。
第三个特性涉及采用碳化硅(SiC)与SiO2/多晶硅牺牲材料协 同形成自立式碳化硅支撑结构，这消除了与金属感测元件相关的热 沉(heat sink)的形成而因而使热损失降到最低。
第四个特性涉及将采用微成型技术用于制造平面化结构层，这 使得可以自动且大规模生产气体感测装置并在产品质量控制方面 提供高的精密度。
上述的特性是相互独立的并且可以单独立或者联合合并。基底 和/或者支撑材料可替换地用耐蚀刻聚合物材料来制造。
可替换地，氟或者卤素物质传感器装置可以包含多个这种气体 感测元件，其中多个元件提供冗余或者备份感测能力，或者在其中 多个感测元件中不同的元件可以被配置成用于感测在被监测的物 流或者气体空间中不同的氟或者卤素物质，或者阵列感测元件中不 同的元件可以不同的模式或者相互关联的模式下工作，如产生被算 法操作(例如相减地)的相应信号，来产生净指示信号(net indicating signal)，或者可替换地，相加地来产生复合指示信号(composite indicating signal)，或者以其中有效地采用多个传感器元件的任何其 他合适的方法以便用于监测感兴趣的物流或者流体空间中物质的 流动，来产生用于监测或者控制目的的相关信号。
众所周知的，氟与大多数的金属反应，产生具有高的和有时混 合的氧化态化合物(Inorganic Solid Fluorides，Chemistry and Physics.Academic Press，1985，Ed P.Hagenmuller)。许多过渡金属和贵 金属(包括但不限于，例如，Ti、V、Cr、Mn、Nb、Mo、Ru、Pd、 Ag、Ir、Ni、Al、Cu和Pt)与氟气体成分接触容易形成不同的非挥 发性的氟化合物。本文披露的该气体感测装置和方法可以使用这些 金属的独立形式来检测被监测气体中氟物质的存在。
对于本发明给定的最终应用，结构的特定感测材料的组成的选 择可以通过涉及将结构的备选气体感测元件材料暴露在含氟或者 卤素物质的环境中的简单实验容易的确定，并确定其适用度，例如， 在这样的暴露下该备选材料的耐腐蚀性或者耐蚀刻性。
由于其高的耐氟性、高的电阻、低的热质，小密度和高的电阻 率温度系数，镍或镍合金(例如蒙乃尔合金)特别优选作为氟或者 卤素感测材料。在基于电阻的气体感测工作中信号强度/响应时间的 比率主要受到传感器材料的性质的影响，并且已经被发现，当传感 器形状/尺寸和提供的仪器因素相同时，基于镍或者镍合金的传感器 元件在金属传感器元件中提供最大的信号强度/响应时间比。
感兴趣的氟或者卤素物质的检测可用通过任何合适的方式实 现，例如，当自立式金属材料与含氟物质的反应时通过电阻变化来 实现。
氟检测器中的金属感测元件可以以多种任何适合的形式提供， 并且可以具有特制的形态，如粗糙的表面或者次生纳米孔。金属元 件的电阻和行为(性能)可以通过改变几何结构而设计。例如，悬 空的金属薄膜的几何形状可用通过选择悬空区域之上的膜的宽度、 长度和厚度来适当设计。为了提高绝对电阻，以及为了提高金属的 表面积/体积比，从而提高敏感度或者提高信噪比，使用各种方式， 如，机械性的、化学性的、电化学的，光学的或者热的方式，可使 悬空的金属丝在制成后变细。此外，可以设计该材料的物理性质。 例如，可以利用合金化或者掺杂改变组成，并且例如通过改变晶粒 尺寸、结晶度的水平、多孔性(例如纳米孔)、表面积/体积比等来 修饰微结构。
因此很明显，在本领域的技术范围内无需过度实验，可以根据 其形状、构造、物理性质、化学性质和形态特征，将该金属感测元 件进行所希望的配置和修饰。
氟化合物与金属感测元件的反应可以是温度敏感的，并且金属 的加热可以对其通过电流而获得。按照这种方法，金属感测元件可 同时作为加热结构用于气体感测工作。
为了增强本发明气体传感器的敏感性和信噪比，将氟或卤素敏 感性金属薄膜沉积在其特征是高电阻和低热质的自立式碳化硅物 支撑结构上。这种SiC支撑结构的高电阻进一步增强了传感器的灵 敏度和信号强度；SiC的低热质使支撑结构的潜在热损失最小化； 并且其自身自立的这样的SiC支撑结构，可有效地将金属感测膜与 基底隔离并且增强了信噪比。
这样的自立式碳化硅支撑结构可以通过以下来制成：(1)在基 底上提供其上具有凹槽的牺牲模，该凹槽限定预定的支撑结构， (2)将SiC膜沉积在这样的牺牲模的凹槽里，和(3)选择性地去 除该牺牲模，来形成自立式SiC支撑结构，其通过最初由这种牺牲 模所占据的空气间隙或空的空间与基底分开。
该牺牲模可以通过沉积牺牲型材料层然后将这样的层图案化 来形成限定预定的支撑结构的必要凹槽。与支撑结构相连可被选择 性去除的任何合适的材料都可以作为牺牲材料用于实现本发明。例 如，与耐含氟化合物的碳化硅支撑结构相连的二氧化硅被通过含氟 化合物如HF选择性的去除。
在该支撑结构形成后，感测氟或者卤素的材料层，优选氟或者 卤素反应性金属或者金属合金，可以被涂敷在这样的支撑结构上， 来形成对氟或者卤素物质存在产生响应的自立式气体感测组件。
可以提供一个或者多个空间分离的直立接触件来支撑这样的 自立式气体感测组件，优选仅在其外周支撑。更优选的，这种空间 分离的直立接触件包含高电阻、低热质以及对腐蚀性含氟化合物具 有高耐性的材料。碳化硅是特别优选用于形成这样接触件。
当该自立式气体感测组件在易受腐蚀性含氟化合物侵蚀的基 底(如硅基底)上形成时，优选提供耐这种化合物的屏障层来覆盖 和保护基底。这样的屏障层可以包含任何耐氟或者耐卤素材料，包 括但不限于聚酰亚胺和碳化硅，其中碳化硅是优选的。
在一个优选具体实施方式中，气体传感器组件包括自立式气体 感测元件、一个或者多个空间分离的直立接触件、和屏障层，而该 空间分离的接触件在屏障层上制备，形成完整的接触/屏障元件来支 撑自立式气体感测元件并用来覆盖和保护其下的基底件。
参照图5-14A，描述是根据本发明的一种具体实施方式，制造 包括如上所述的自立式气体感测元件和接触/屏障元件的气体感测 组件的工艺流程的示意图。
如图5所示，提供基底件110，第一牺牲制模材料112在其上 面沉积并且图案化，以便形成其中的屏障凹槽。屏障材料(优选硅 碳化合物)层114沉积在基底件10上的屏障凹槽中以及第一牺牲 制模材料112上，然后平面化以暴露第一牺牲制模材料112，如图 6所示。
平面化步骤提高了结构层的平面性，从而有助于实现对随后形 成的结构层的几何形状的良好控制。该平面化步骤是可选的，并且 自身水平性能由隔离材料证实的情况下，平面化步骤可以省去，并 且有可能将隔离材料施加到隔离凹槽中，以便与围绕这些凹槽的第 一牺牲制模材料的邻接面接近水平。
图6A示出了图6结构的示意性俯视图，从该图第一牺牲制模 材料112是可见的，具有在其中填加了屏障材料114的方形屏障凹 槽。请注意本领域普通技术人员根据具体的最终使用和系统要求， 可以较容易地对该屏障凹槽的形状和构造进行修改，因此不受这里 提供的示意性例子的限制。
第二牺牲制模材料(优选硅氧化物)层16进一步沉积在平面 化的屏障材料114和第一牺牲制模材料112上，并图案化以提供接 触凹槽115，其限定位于平面化的屏障材料114上的一个或者多个 空间分离接触件，如图7所示。
之后将接触件形成材料(优选碳化硅)118沉积在这种接触凹 槽中并且加以平面化以暴露第二牺牲制模材料116，如图8-9所示。 图9A提供了图9结构的俯视图，从这里第二牺牲制模材料116是 可见的。四个空间分离的方形接触凹槽在第二牺牲制模材料116中 形成并且用接触件形成材料118填充。
图10示出第三牺牲制模材料(优选多晶硅)层120的沉积和 图案化，其包含限定预定支撑结构的结构凹槽119。尤其是，这样 的结构凹槽119位于接触件形成材料118和第二牺牲制模材料116 上方，因此如此限定的支撑结构将空间分离的接触件和第二牺牲制 模材料116进行桥接起来。
图11-12示出支撑材料(优选碳化硅)层112在这种结构凹槽 的沉积，以及随后其平面化以暴露第三制模材料120。
图12A示出了图12结构的俯视图，包括在第三牺牲制模材料 120中的结构凹槽中形成的支撑结构122，而这样的支撑结构122 将这四个空间分离的接触件(在图12A无法看到)和第二牺牲制模 材料116(在图12A无法看到)桥接起来。
在图13中，第三牺牲制模材料120被选择性的去除，从而形 成由支撑材料122形成的突出支撑结构并且暴露第二牺牲制模材料 116，并且氟反应性金属或者金属合金(优选包含镍)层124沉积 在这个突出的支撑结构上。图13A示出了图13结构的俯视图，从 这里第二牺牲制模材料116和氟反应性金属或者金属合金124是可 见的。
最终，第一和第二牺牲制模材料112和116被选择性地去除， 形成其上包含支撑结构112和氟反应性金属层124的自立式气体感 测元件，和包含空间分离的接触件118和屏障层114的接触/屏障元 件。自立式气体感测元件是由在其垂直方向的空间分离接触件118 支撑的，而这种气体感测元件的中心主要部分是悬空的和分离的。 屏障层114支撑其上的接触件118并保护下面的基底件110免受腐 蚀性含氟化合物的潜在侵蚀。
图14A示出图14结构的俯视图，其中只有自立式气体感测元 件的金属层124和接触/屏障元件的屏障层114是可见的。
图15是根据一种具体实施方式的气体传感器组件的透视图， 其包括一个含有一个其上具有镍涂层138的碳化硅层136的自立式 气体感测元件135。这样的气体感测元件135是通过空间分离的直 立的接触件134在其垂直方向上支撑的。屏障层132提供了对空间 分离的接触件134的支撑，同时保护了下面的基底130在气体感测 工作中免受气体感测工作中腐蚀性目标气体物质造成的苛刻化学 条件影响。
气体感测元件135悬空在屏障层132以及其下基底130的上方， 并且仅仅外周在非常有限的面积上与空间分离的接触件134接触。 因此，气体感测元件135的主要表面积(优选大于80％表面积，以 及更优选大于95％)是悬空的并通过空气腔与基底130分离开。此 外，通过使用特征为高电阻和低热质(如碳化硅)的材料制成空间 分离的接触件134，气体感测元件135的潜在热损失就可以最小化。 而且，本发明的气体组件由耐氟材料如碳化硅制成，因此在易于存 在含氟化合物的气体环境中尤其耐用且可靠。
在气体传感器组件中的自立式气体感测元件优选具有高表面 积/体积(S/V)特性，以有利于快速的响应，并将对在气体指示整 体性能(gas-indicating bulk property)中基本上较低变化的响应加以 放大，这种情况在相同传感器材料的低S/V构造中会出现。
因此，考虑到响应速度与易于制造的平衡，自立式气体感测元 件的关键尺寸——箔或膜的厚度尺寸，或者如丝、杆、或者柱状物 等的形式的直径——希望小于500微米(μm)，优选小于150μm， 更优选小于25μm，还更优选小于10μm，以及最优选在大约0.1μm 到5μm范围内。
还是为了响应性的原因，箔和膜，除了具有例如在0.1μm到5μm 范围内的低厚度外，希望在平面垂直于箔或者膜的厚度方向上具有 小的尺寸。作为制造复杂性和响应的平衡，在这种平面的横向尺寸 (X-Y平面，其Z轴是厚度方向)包括一个长度(X-方向)和宽度 (Y-方向)，它们有利地小于约10cm，优选小于约1mm和更优选 小于约100μm，如在约20μm到约5mm的范围内。通常，传感器 金属丝的合适尺寸可以容易确定以便为预期的应用相应地提供合 适的信噪音比例。
在前述描述的上下文中，应当明了，自立式气体感测元件可以 作为纳米级元件而被制造，虽然作为气体传感器产品比上述通常的 毫米/微米级的元件更昂贵。
在提供多个金属感测元件结构的情况下，可以将多个金属结构 的不同元件构造并且配置用于感测被监测的流体环境中不同的氟 化物质(fluorinated species)，和/或不同温度下相同的氟化物质，并 且可以采用不同几何形状和构型的感测元件用于冗余和/或确保精 确度等。可替换地，或者附加地，多个金属感测元件的不同元件可 以在不同的工作模式下工作，如电阻性的，传导性的，脉冲的，DC 模式，AC模式等。
关于采用气体感测元件的阵列，可以使用先进数据处理技术来 增强传感器系统的输出。这种技术的实例包括但不限于补偿信号的 使用、时变信号的使用、加热器电流、锁相放大技术、信号平均、 信号时间导数和阻抗频谱技术。另外，属于化学统计学范畴的先进 技术也同样可以应用。这些技术包括最小二乘拟和、逆最小二乘、 主成分回归分析、和偏最小二乘数据分析法。
例如，在与氟化合物例如SiF4，和/或者其它氟或者卤素物质接 触时，通过金属感测元件(作为电路的部件)的电压可能会下降， 表明金属感测元件电阻升高，从而关联到其与目标氟或卤素物质的 接触。这样的电压降可以被采用来产生用于加工控制目的的信号。 电压降可以被使用来产生对自动控制阀进行制动的信号，以便在半 导体加工系统中的加工物流的流动开始、流动终止，或者流动切换。 该控制信号可以可替换地被使用来制动循环定时器(cycle timer)， 来初始化在加工操作中的新步骤，或者来发出维持情况的信号，如 在清洗加工室(abatement process chamber)中洗涤树脂的改换 (change-out)的信号，是必须或者希望的。
应当理解，本领域的技术人员无需过度实验，能够以各种方式 的任何方式开发金属敏感元件的特性改变，来实现感测目标气体 (如氟或者卤素)物质有关的加工控制。
通过另外的实例，本发明的传感器组件可以用于与包含氟或者 卤素物质气体(如全氟化物质，如用于化学气相沉积操作的全氟化 有机金属前体)供应源的气体柜(gas cabinet)相连接，并且气体 传感器组件可以被用来测定在气体柜中的供应容器或者其他流动 线路的泄漏的存在。氟或者卤素物质的感测可以被用来制动大量吹 扫气体源，来清除气体柜的内部体积和防止氟或者卤素物质的浓度 达到毒性或者其他有害的水平。
传感器组件还可以被用于监测单元中，用于其中容易进入或产 生氟或卤素物质的环境，或者可替换地，传感器组件可以是可配戴 气体监测单元的组成部分，其被配置成启动警报和/或紧急呼吸气体 的自给源，用于危险物质清理人员，化学品综合企业的消防员，在 HF玻璃蚀刻操作中的工人等。
气体传感器组件可以很容易的应用于在产生这种物质的各种 工业加工操作中监测氟和卤素物质，该工业加工操作包括半导体制 造操作如室清洗，其中氟或者卤素物质被用于去除氧化硅、氮化硅、 氧化钽、和低介电常数(k<3.9)含硅膜如碳参杂的氧化硅等。
关于产生和输出用于监测在由传感器组件监测的流体环境中 的一种或多种目标气体物质的多个信号，各种设计对于气体感测组 件是可能的，并且可以有利地采用不同尺寸的装置的阵列来使气体 传感器组件的效率最大化。
可以认识到的是，本发明的气体感测组件的微热板具体实施方 式可以就所使用的部件感测膜以及反应/吸附化学物广泛地加以改 变，如本领域的技术人员能够为目标气体物质检测的给定的最终应 用而确定。微加热板检测器可以如以Frank DiMeo，Jr.和Gautan Bahndari的名义在2001年7月24日公开的U.S.No.6,265,222专利 中全面描述的那样加以制造，在此引入其全部公开内容作为参考。
本发明的另一种具体实施方式中给出包括具有催化表面的热 隔离结构和埋入式加热器和温度传感器的气体传感器，其中加热器 可以是电阻器或者晶体管元件，并且温度测量通过热电堆，热敏电 阻，或者热电元件进行。
由放热反应引起的温度升高可以通过与起到催化剂/加热器/热 敏电阻作用的镍载体催化传感器远离的温度测量来探测。由于镍金 属相对高的导电性，在一些情况中希望它来降低加热和热敏电阻功 能。可以使用多种方式来进行。
可以使用具有催化表面涂层的微加热板配置。关于材料，SiC 和Ni可以有效地用于在EPM应用中作为显示抗氟腐蚀的高稳定性 材料。催化层不需要电连接。希望具有大的电阻率温度系数的电阻 材料用于实现加热器/热敏电阻功能。多晶硅对应该目的来说是优异 材料。理想中的，加热器工作来维持恒定温度，焦耳热的改变来保 持指示表面催化反应的这种恒定温度。可替换地，温度可以是浮动 变量，加热器在固定的电压/电流/功率下工作，从而得到的温度的 变化是表面催化反应的指示。
温度测量可以使用埋入式热电堆进行，如以多晶硅/镍连接(件) 的形式进行。
另一种变型中，载体催化传感器转换可以通过多晶硅加热器/ 热敏电阻而不通过催化性镍表面层来进行。
而在另一种变型中，使用具有塞贝克系数(Seebeck coefficient)， 如多晶SiC(塞贝克系数>0.1mV/℃)有用的材料。通过将恰好在Ni 表面涂层(热)下的SiC层和冷的热沉(例如基底)电连接件，呈 现出温度不同的电动势指示，这可以用于温度测量。
因此，通过这种方法，可以从活性的感测层中减弱电转导，使 得催化性镍表面不再是电活性的。这是一个显著的操作优点。如果 由于电活性导致发生镍催化剂逐渐损失，将会出现催化性涂层最初 非常薄的问题。然后涂层的损失会导致在活性氟物质缺乏时读数的 偏离。通过避免整个催化涂层的电传导性，传感器避免了这样的困 难，从而相对于其中催化涂层暴露给电子传导的薄膜传感器，提高 了该传感器的可靠性。
这种减弱还使得实现催化层和转换层的分离最优化。例如，从 而一个分离最优化可以是在没有任何传导性损失下提供非常大的 表面积，并且催化层的厚度对于适当的操作不是非常重要的。另外， 其他具有潜在的更高的再结合活性的金属如铜可用被有效的使用。 可以制备具有或者不具有催化表面的微热板，因此不同的测量器， 如Wheatstone Bridge测量器，可以制成，其对催化反应是选择性 的，不受环境波动约束。
在以前的实践中，其中不可能将环境波动与目标刺激效应分离 开来，为了随后的信号处理，有必要在工具开始清洗中采用参比读 数。这样的参比读数又需要与工具控制器进行有源通信，这不是经 常可以达到的。上述的传感器避免了这种要求并且对目标刺激是真 正选择性的。
尤其热敏电阻方法具有几个附加的优点。由于与镍层相比该多 晶硅具有较大的电阻，信号的调制被极大地简化了。此外，多晶硅 容易与现存的Ni表面的机械加工相兼容，如MUSiC加工可以从 FLX MICRO(www.flxmicro.com)商购。
因此该传感器可以被构造成具有在碳化硅基底上的镍层，带有 热和冷的连接(件)，并具有在热和冷连接(件)之间组成塞贝克 电动势的电压差。
在阻止电流通过Ni涂物的排布中，可以将热电堆嵌入在涂覆 Ni的SiC微加热板中。更确切地说，载体催化传感器操作通过调节 加热板温度而完成，并且加热板与镍层分离。可以采用嵌入的多晶 硅加热器来测量温度。作为另一个选择，可以采用热电方法，使用 碳化硅的塞贝克电压，在基底侧面提供热沉。
通过加入热电堆，传感器连接的数量至少增加2个。尽管热点 堆和电热结构需要用于温度测量器的接触件，但是对于上部镍层没 有必要接触件。因此，共提供四个接触件(两个为加热器，以及两 个为温度测量器)。根据热敏电阻的方法，接触件的数量是保持在2 个。
在一种具体实施方式中蚀刻加工监测器(EPM)可以被用在等 离子增强化学气相沉积(PECVD)氧化室中来检测清洗终点。室清 洗是通过使用一种与沉积的SiO2反应的氟化蚀刻剂气体(如NF3) 形成气相的副产物(主要是SiF4和HF)来实现的。因为NF3在等 离子体中分裂，形成F2和F-。在终点，所有的SiO2被蚀刻，限制 了F与SiO2的反应。这导致了EPM电特性的改变。在一种具体实 施方式中，EPM使用一种电镀镍的碳化硅丝。该丝具有低热容量和 半导体核心，这能使该EPM提供更快、更可靠的室清洗信号。这 种具体实施方式中该丝可以被设置成横跨KF40法兰。该丝的各个 端与电源相连，通过此可以提供电能并且测量电性能。在室清洗过 程中，镀镍碳化硅丝的电阻是保持恒定的。在终点，丝的电阻增加。 为了补偿这种电阻的变化，施加到丝的电流下降，这是室清洗终点 的信号。
通常，希望保持蚀刻加工监测器的占用面积(footprint)尽可 能的小。传感器越小，传感器越可能接地安装到加工室中。例如， 加工室可以是从Applied Materials，Inc.，(Santa Clara，California)商购 的P5000加工室，并且带有3/8英寸NPT插栓的传感器的构造允许 该传感器直接安装到这种加工室的端口(port)。在一种具体实施方 式中，传感器可以采用一种微机械加工的丝(传感器构造在1/4英 寸NPT或者其他合适的配件上)来使传感器的占用面积最小化。
减少传感器的占用面积可能使传感器安装在与加工室相对的 最接近下游的位置。
在某些情况中，可能希望修改加工系统来适容纳蚀刻加工监测 器。例如，使用P5000加工室，可能希望将P5000的节流阀重新部 署到室排气管线的下游的远点，蚀刻加工监测器被设置在节流阀的 上游。这样的配置使得蚀刻加工监测器被设置在其中压力与加工室 压力相同的环境中，同时为蚀刻加工监测器的安装提供一个合适占 用面积。蚀刻加工监测器越靠近室，则终点检测信号越精确。在一 种具体实施方式中微机械加工的蚀刻加工监测器可以包括在没有 任何主要的系统修改下能够安装的构造。
图16是传感器组件的透视图，其中传感器组件150包括一个 2.16时直径的KF40法兰156，法兰156上安装材料盘158。 盘158通过压配式销(press fit pin)154固定在法兰156上。传感 器元件160包括电镀有镍膜的碳化硅丝，这种丝结构通过与之连接 的压配式销152固定在适当的位置了。在这种传感器中，如所示的， 电镀镍的碳化硅丝是被水平定向的。
图17是根据本发明的另一种具体实施方式的传感器164的透 视图。传感器164结合了垂直定向的丝170，以便使传感器需要的 占用面积最下化。这种减小的占用面积能够便捷安装到P5000加工 室的3/8时NPT螺纹孔中，这样的螺纹孔是这种室的固有特征。
在图17的传感器164中的丝170是电镀有镍膜的碳化硅丝。 使用两种不同大小的压配式销来形成电接触件，丝被安装在由 材料构成的机械加工的插件168里。机械加工的插 件安装在3/8时NPT配件166中。这种垂直定向和配置使图16传 感器的占用面积从2.16″直径减小到6.75″，降低了70％。
该机械加工的材料插件168是以任何合适的方式固定 在NPT配件166上，例如，使用压配式销或者TORR-SEAL密封剂， 或者其它密封介质。压配式销被压制穿过材料插件然后穿 过与传感器组件连接的金属法兰。根据销的规范采用推荐的洞直 径。密封介质应该确保对加工气体是真空密封的。
在另一种具体实施方式中，传感器可以如图18和19所示来制 造。图18是传感器180的透视图以及图19是这个传感器的相应俯 视图。在这种具体实施方式中的感测丝184长度为0.5″直径142 微米，丝被安装在直径1/4时的NPT配件182上。例如，微机械 加工的蚀刻加工监测器可以利用3/8时的NPT螺纹孔安装在加工室 中。在图18和19中示出的微机械加工的蚀刻加工监测器是图16 中示出的蚀刻加工监测器大小的约25％。这样的大小允许该传感器 安装在尽可能最接近于加工室排除的加工气体的位置，从而尽可能 最早地监测终点。
在图18的微机械加工的传感器中，丝184具有长0.4″，宽25 微米，深2微米的激光去除的沟道185。采用压配式接触件186来 相对于丝固定镍线。
使用在碳化硅丝上的电镀镍膜使一种耐用的、非反应性核心材 料与在室清洗终点电性能变化的反应性金属薄膜相结合。碳化硅丝 可以用镍电镀，或者以任何其他合适的方式涂覆有金属膜。在镍沉 积之后，丝上的沟道被去除。这种沟道去除可以任何合适的方式进 行，例如，通过光刻技术，激光烧蚀等。在一个特定的具体实施方 式中，采用激光去除沟道。在这样的“沟道化”之前，涂覆的丝具 有如图19所示的平面俯视的形式，其中丝184的特征是在碳化硅 丝核心188的外表面上具有环状连续的且厚度均匀的涂层镍190。
在电镀的金属膜上的沟道可以制成互相之间成180度的形式， 使得这些沟道彼此是相反的。这样布置沟道的目的是在形成丝的电 通路的金属膜中产生支柱(leg)。
采用工业个人计算机和专门设计的软件给电镀的金属供能来 操作蚀刻加工监测器。电镀的金属膜的电阻被初始的记录并且输入 到软件记录中。然后丝被控制成这样的电阻。在所有的加工室循环 中在丝上通电流。在室清洗的过程中，传感器电流提高以便控制电 阻给定值并使之稳定。当已经达到室的清洗终点时，金属膜的电性 能改变。为了将丝控制在设定的电阻值，软件起到调节施加在传感 器上电流的作用。施加到丝上的电流的这种变化与室的清洗终点对 应。
为了进一步对镍薄膜进行电隔离，可以采用薄膜作为镍薄膜和 硅碳化合物丝之间的屏障层，以便提高传感器的响应，以及在高的 工作温度下保护丝不会短路。
随着温度的升高，半导性的碳化硅的导电性增强，使得出丝易 于可能短路。例如，如果在镍薄膜和碳化硅丝之间沉积铝氧化薄膜 作为屏障层，镍薄膜是与丝电性隔离的。镍薄膜通常采用电沉积来 沉积。如果非导电性的屏障层沉积在碳化硅的表面，也需要镍沉积 的除了电沉积外的方法，如电子束沉积或者溅射沉积。
图21是其中电镀镍已经被去除形成沟道的传感器丝在500倍 的放大率下的显微照片。该实例中的沟道是电镀在直径142微米的 碳化硅丝上的2微米厚电镀镍膜中，25微米宽和2微米深。
图20是其中安装了传感器的加工系统200的示例性图示。加 工系统200在泵浦板208上包括包覆内部体积204的P5000室202， 室202中安放了加工晶片206。加工室202排气管线212连接到泵 上，箭头方向所示(至泵)。排气泵212包含一个节流阀216。
在该构造中，图16中所示类型的传感器214可以设置在节流 阀216的排气管线的上游，如图所示。
然而，可替换地并且优选地，图17和18中所示类型的低占用 面积传感器210被安装在加工室壁上在泵浦板208下方，如图所示。 这样的布置，例如，可用通过具有3/8″NPT配件实现，该配件与位 于加工室202侧壁上的3/8″NPT的螺纹孔相接合。这种螺纹孔通入 位于泵浦板208下面的室中。采用泵浦板208来使加工气体从加工 室中均速并均匀地抽出。所有进入室(引入的方式没有示出)的气 体通过在泵浦板上的孔去除，这些孔例如直径可以为1/4″并分散穿 过板的表面。泵浦板的下面是一个连接至室排气管线的透孔。通过 在3/8″NPT的螺纹孔中设置低占用面积的传感器210，传感器被放 置于板下方透孔的感测关系中，晶片和引入气体的下游。在这个位 置，传感器不干扰加工室中的任何移动部件。
可以以任何适合的方式，例如机械连接件、电镀连接件、线结 合连接件(wire bonding connection)等，制成与微机械加工的蚀刻 加工监测器的电连接件。在丝中使用2个支柱制成一种机械连接件 模式，丝的每一个支柱上制成单独的机械连接件。机械连接件可以 包括例如夹具，其通过固定螺钉或者其他的机械紧固件固定在丝的 每一个支柱上。一个大的压配式连接件可以套丝180度分开，用固 定螺丝用于将丝固定在压配式连接件中。
另一个方法是在碳化硅基底上电镀该丝的支柱，其中碳化硅基 底是包含两个涂镍线的薄盘。镀覆这样的线可以利用光刻技术进 行。一旦该基底被制造，微机械加工的蚀刻加工监测器丝机械连接 至盘。丝的支柱与在碳化硅基底上的涂镍线相连接。在碳化硅基底 下的透孔是电源连接至基底上的电镀线必需的。
线结合技术可以被用来将薄镍线结合至丝的每一个支柱上，同 时使薄镍线连接至压配式连接件。
可以将各种金属用于丝涂层和热电偶的形成。
铜是可接受的用于制造该蚀刻加工监测器的耐氟材料。通常考 虑到耐氟性，由于氟暴露所形成的氟化物膜必须是密集的并且具有 低蒸汽压。由于这种性质不被人熟知，可以使用熔点作为向导。许 多元件形成具有高于二氟化铜熔点(～785℃)的熔点的氟化物单相 (single fluoride phase)。具有多相的元件可以形成非化学计量的并 且耐氟性小于那些具有单相的元件的氟化合物。对于这些金属的并 且在大气条件下不可燃的元件，下述元件形成氟化物单相(每一个 例子中的氟化物的熔点被列出在圆括号中)
∏A族
Mg(1248)，Ca(1418)，Sr(1477)，Ba(1368)
IIIA族
Al(1290)，Ga(>1000)
∏B族
Zn(872)，Cd(1049)
IIIB族
Sc(1515)，Y(1150)
镧系无素
La(1493)，Nd(1374)，Gd(1231)，Dy(1154)，Ho(1143)，Er(1140)， Tm(1158)，Lu(1182)
VIII族
Ni(1450)
在上述的物质中Gd具有最高的电阻(Ni的20倍)并且是用 于涂层的优选物质。
除了它们可以用作丝涂层的材料，用于蚀刻加工监测器应用的 热偶连连接可以使用上述任何两个材料或者它们的合金来制造。
可以用任何合适的材料来形成传感器丝的核心纤维。在本发明 的一种具体实施方式中，可以采用氧化铝作为碳化硅的替代品。有 用的可替代的材料包括从Goodfellow Corporation，Devon， Pennsylvania商购的蓝宝石单丝(A1665920蓝宝石单丝)，从Photran LLC，Poway，California商购的蓝宝石光学纤维，以及从3M Company， St.Paul，Minnesota商购的短切纤维(chopped fiber)，如Nextel 610 短切纤维。
氧化铝是非常适用的耐氟材料。
丝核心可由任何合适的材料制成，包括上述的元素的化合物和 合金，包括但不限于氟化物、氧化物和氮化物。
可以使用任何合适的能够用薄的导电性涂层涂覆的丝组分。可 以使用从各个卖主中商购的ZBLAN纤维，以及MgO和MgAl2O4 纤维。MgO已经被证明是非常合适的耐氟材料。考虑各种成本和性 能因素的平衡，Al2O3是非常优选的。
丝核心可以不全涂覆而对传感器性能没有不利影响。这种对全 部涂覆覆盖要求的放宽实际上增加了传感器设计和制造的自由度。
作为涂层技术可以避免镀覆，有利地使用其他技术，如真空沉 积技术，例如电子束或者溅射技术，在氧化铝单丝上沉积如镍的金 属层。
在真空沉积中数百根单丝的大量的涂层可以很容易获得，具有 高度的均一度。
另外，在氧化铝作为核心材料的情况下，对金属涂层连续性要 求的宽松意味着不再需要浓密的涂层，因为裸露的氧化铝单丝对氟 等离子体是高耐受性的。沉积的金属层可以薄至20nm，比SiC单 丝上的典型镍涂层薄两个级别。在Nextel 610短切纤维(从3M Company，St.Paul，Minnesota商购)的情况下，可使用的直径范围是7 到13微米，由此可以达到直径减小另外10倍(factor of 10)。这 种薄涂层又可以使丝的电阻提高100倍因子，达到几千欧姆(Nextel 纤维的1000倍)，从而大大简化了传感器所需的测量电子设备。此 外，对于小主体法兰可以缩短丝的长度而无需依靠Y字型或者其他 几何复杂的构造。
由于电阻较大，丝可以在恒定电流模式下工作而不是恒定电阻 模式下，因为没有必要在恒定的电阻工作来提高信号强度。使用恒 定的电流作为工作模式意味着该丝可作为电阻式温度检测器 (RTD)来工作，从而消除了对昂贵的电路部件(例如，控制电压 的电流源)和复杂的反馈控制的需要。因此可以容易地使用常规的 桥电路(bridge circuitry)。可替换地，用于恒定电阻工作的电路可 以被保持并且取决于使用的条件，传感器可以在恒定电流的模式 (作为RTD传感器)或者在恒定电阻的模式(作为风力传感器 (anemometric sensor))下工作。这种工作的灵活性将允许同样的 传感器构造在过清洗或欠清洗条件下工作。最后，这种配置允许多 个元件在不同模式和不同的设置下工作来提供用于正确的数据解 析的差分/冗余信号。
在另一种具体实施方式中，覆Ni的SiC单丝被氧化铝基底上 的微机械加工的镍或者铜结构所取代。氧化铝丝上的镍或者铜是商 购的(见http://www.microfabrica.com/resource—center/EFAB_White _Paper_Microfabrica.pdf)。
在另一种具体实施方式中，本发明涉及位于氧化铝支撑物上的 微机械加工的Ni载体催化传感器。另外，可以提供采用单金属， 如镍，和热接点(热电偶接点，thermojunction)(如镍/铜)的热隔 离RTD传感器。
图22是电阻作为时间的函数变化的图，用于铁丝和覆镍的氧 化铝(曲线A)与水平安装的直的覆镍的SiC碳纤维(XENA)(曲 线B)的对比测试。各自的曲线示出了蚀刻加工监测器在恒定电流模 式下工作时在一个涉及间歇性的暴露在三氟化氮的循环中的电阻 变化，以及在开/关操作(工作)中暴露于三氟化氮的四个事件与三 个关闭循环步骤相交替。
考虑本发明的另一个方面，在必须适应暴露在由等离子体产生 的高腐蚀性的氟物质中的处理工具中使用不锈钢。这样，不锈钢 (SS)是适用于制造用于暴露在氟化物的装置的材料。具有SS护 套的测温元件，如，热电偶、RTD、和热敏电阻，是可以低价格商 购的。SS护套有效地扩展了适合于制造根据本发明的传感器的材料 的范围，因为护套对可能会被氟化物蚀刻的元件提供了额外的保 护。
具有护套的元件的使用具有另一个优势，即允许将护套直接焊 接到主体法兰上取代专用的电馈通。护套可以被直接焊接在EMP 主体法兰上。可替换地，通常与具有护套的元件一起的法兰(如， Omege RTD-800系列TRD温度探针和Lorex具有法兰/护套的热电 偶)可以被焊接到EPM主体法兰上。这种焊接，除了惯常的变化， 是容易进行的并且对传感器的成本不会显著增加额外的费用。
尽管不锈钢是常用的护套材料，但是任何其它合适的材料可以 作为护套材料来使用，例如Inconel和Hastelloy-C。许多这样的合 金含有的镍含量(通常>50原子％)高于不锈钢(<15原子％)。 许多这种合金比不锈钢更耐氟，当发生钝化时，例如，当合金护套 暴露在氟化物中时在合金表面形成一层钝化的镍氟化物层，并且这 样的钝化层可以防止进一步的腐蚀。尽管护套材料优选含有高的镍 含量来增强耐氟性，但是可以通过将表面镍涂层施加到护套上来获 得合适的增强。
合金的耐腐蚀性列表可以在http://www.watlow.com/reference/ files/corrosion.pdf上得到。
通常，护套的使用会带来响应时间减慢的缺点。因此优选使用 薄壁的，接地的护套化元件。可替换地，可以沉积一层薄的绝缘、 耐氟性材料如氧化铝，或者氟聚合物如TEFLON、VESPEL和 KAPTON。TEFLON和VESPEL在氟环境中的生存性已经经验确认 了。在一种具体实施方式中，金属护套(一般厚度>20微米)可以 被例如厚度为2微米的氧化铝涂层替换。比较而言，与带金属护套 的配置相比，没有护套的、绝缘的涂层配置具有附加的热质并且因 此易于较快速响应。
图23是电阻(单位是欧姆)作为时间(单位是分钟)的函数 的曲线，示出了覆有Teflon镀镍的SiC的丝(曲线A)，非连续的 镀镍的碳化硅丝(曲线D)，在电流是0.125毫安下电镀5个小时 的镀镍的SiC丝(曲线B)，在0.25毫安下电镀5个小时的镀镍的 SiC丝(曲线E)的响应，曲线C代表等离子体开/关循环。测试条 件包括在恒定电流模式下同时测定所有四个丝。加工条件包括5torr 的压力和800标准立方厘米每分钟(sccm)流速的氩气和400sccm 的三氟化氮，通过打开或者关闭四次来进行加工的操作以便模拟终 点或者氟的增加。
观测到，覆有Teflon的样品和不连续涂覆的丝具有相反的响应。 电阻随着氟的引入而下降。
图24是热电偶电压作为时间的函数的曲线，在暴露于4脉冲 的三氟化氮下测试三个热电偶的试验。一个裸线T型丝具有最快的 响应性(曲线A)。曲线B是0.020”具有护套的T型丝的曲线以及 曲线C是0.040”具有护套的K型丝曲线。如果是具护套的，其他 易受氟损害的元件如K型热电偶可以被有效的采用，然而，护套化 提高了通常与护套化层的厚度相关的响应时间。
本发明的传感器可以采用任何合适的终点算法。
在一种具体实施方式中，以一个最小限度和差分的形式可以将 控制方程写成
ΔW+{h(k，v)x ΔTeffluent+Telement x Δ[h(k，v)]}+ΔH·r＝0
其中ΔW是为了使感测元件保持在设定的温度Telement下焦耳热的必 要变化；h是热对流系数并且是流出物导热系数k和运动粘度v的 函数；Telement是有效的流出物温度；ΔH是发生在感测元件表面的 反应焓(例如，氟自由基的再结合)，以及r是反应速率。
ΔW被测定并且可以实时获知。在花括号中两个项代表了在对 流损失中的改变并且取决于k和v。当与以下表A所示蚀刻剂(如 F2)相比时，该蚀刻产品往往具有低的热传导率和运动粘度：
表A
物质 WF6 CF4 SiF4 BF3 HF 热传导率 (Mw/m·K) 9.8 15.0 15.6 16.6 23.0 运动粘度(μ 泊/g) 0.6 1.96 1.5 2.5 5.8
*运动粘度被定义为动力学粘度和密度的比。因为该密度比例 随着压力而变化并且因此不是基本的材料特性，分子质量被使用来 代替密度。
因为蚀刻反应是放热的，清洗过程中流出物温度与后清洗操作 相比较高。每一项在清洗进程中的趋势行为可用被表述为：
ΔW＝-{h x ΔTeffluent↓+Telement x Δh↑+(ΔH·r)↑}
因为这些项的相对权重从一个清洗工序到下一个是变化的，不 知道先验如何确定终点并且因此一个确定性的算法是不可行的。
对于普通的工具操作，尽管一个确定性的算法是不可行的，但 是具有可选择范围的参数(field-selectable parameter)的遗传算法是 可能的。因此以下遗传表示的控制方程在考虑的遗传趋势中具备实 用性：
W＝项1↑+项2↓
根据这两项(term)的相对权重，可以有四个——并仅仅四个 ——可能的情况：(1)项1支配整个清洗循环，(2)项2支配整个 全部的清洗循环，(3)项1支配和初始化以及在随后的操作中给项 2路线，(4)在操作过程中项2给项1路线。每一个情况的图示的 说明展示如下：
可以开发具有选择性条件的遗传算法来确定这四种情况的任 何一个的终点。首先定义以下四个参数，在清洗工序中各时间的函 数：
SM(t)≡max[W(t)]—W(t)
SM(t)≡W(t)—min[W(t)]
其中下标max和min表示从清洗开始(t＝0)的最大值和最小值。 可以根据这些参数或者这些参数的函数构建遗传算法。一个实例表 示为两个阶段条件的决定程序：
情况 前置条件 条件 (1) 无 Sm>阈值 (2) 无 SM>阈值 (3) Sm>前置阈值(pre-threshold) SM<阈值 (4) SM>前置阈值 Sm<阈值
当满足条件时终点就达到了。设计前置条件来适应对第三和第 四种情况进行分类的两个项之间的相对权重的变化。前置阈值，如 果选择慎重的话，如果将被去除的剩余物由不同化学组分的层制成 也会允许多峰(以波纹的形状出现)。
在范围采用(field deployment)中，操作者通过以下步骤定义 终点算法：
1.选择前置条件参数：无，SM，或者Sm
2.如果需要的话，选择前置阈值
3.选择条件比较：大于(>)或者小于(<)
//这个可以被包括在步骤1因为前置条件也定义了条件比较
4.选择阈值
上述的4-步骤选择过程可以被自动的提供，软件能够确定哪一 个分类适用于确定的迹线(measured trace)，应该注意的是，清洗 过程必须具有可重复性的特征。可以采用高级的模式识别技术，或 者为了过清洗过程而监测清洗终点的参数(即，清洗过程达到终点， 例如，通过使用辅助分析仪或者故意延长清洗时间)：
条件(在清洗的终点) 情况 Sm}}SM？0 (1) SM}}Sm？0 (2) SM}}Sm>0 (3) Sm}}SM>0 (4)
因此可以想象的是，在定值设置阶段后，软件转移到练习阶段， 其中(过-)清洗过程需要运行多次用于软件分类该迹线并且确定 (identify)合适的阈值：
1.记录一些过清洗循环的能量迹线值。
2.通过以下条件对迹线分类(“零”是一个非零值，用来确定数 学上有意义的但是算法上模糊的“？”条件)
条件(在清洗的终点) 情况 Sm>零>SM (1) SM>零>Sm (2) SM>Sm>零 (3) Sm>SM>零 (4)
希望所有的过程产生同样的终点结果。
3.从这些循环中确定(identify)感兴趣的终点(过-)清洗参数
情况 感兴趣的参数 (1) 最小的Sm (2) 最小的SM (3) 最小的Smi和最大的SM (4) 最小的SM和最大的Sm
4.基于在允许的Δ安全边界内从以前的步骤中获得的参数值 来确定前置阈值和阈值。这个策略有助于确保大部分(如果 不是所有次数)终点条件会得到满足。
情况 前置阈值的限定 阈值限定 (1) 无 从最小的Sm中扣除Δ (2) 无 从最小的SM中扣除Δ (3) 从最小的Sm中扣除Δ 将Δ加入到最大SM (4) 从最小的SM中扣除Δ 将Δ加入来形成最大Sm
设计了具有内置安全边界的终点呼叫来呼叫稍微过早的终点 以便适应加工的变化。因此将短的过终点周期T加入以便在过了呼 叫终点后继续清洗是有益的。
如果在清洗过程中有较小的变化，步骤3和4可以被制成连续 性操作的固有部分(resident part)。
3.从所有前面循环中确定(identify)感兴趣的参数值。
4.如果感兴趣的参数值进入目前阈值的设定边界范围内则更
新该阈值。
该软件适用于产生事件日志记录，用来在发生的时候将设定点 改变记录在文档，这样，在适当的时候，工具的操作者可以检查阈 值改变的合适度。只要该控制设定点被改变阈值也应该被再监测。
尽管参照说明性具体实施方式和特征已经在本文对本发明进 行了多方面的描述，应该明了，以上描述的实施方案和特征并不是 为了限制本发明，并且基于本文的公开，其它的变化、修改和其它 的具体实施方式将易容易地将它们启示给本领域的普通技术人员。 因此与所附的权利要求相一致，本发明可以被广泛地解释。
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