專利名稱：真空泵所抽吸流體中污染物的探測的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及探測利用真空泵并且特別是分子真空泵抽吸的流體中的污染物。
很多制造過程和試驗對污染高度敏感，并且因此而在真空或局部真空環(huán)境中進行。特別是在半導體器件生產中的特定制造過程，例如侵蝕、沉積、和離子注入要求真空條件以保證該過程的化學純凈度，以及獲得適于形成活性等離子體或提供均勻過程的正確的物理條件(分子平均自由程等)。最近，已經設計出超紫外(EUV)投影印刷過程，其中光學構件的反射表面在存在水或者碳氫化合物污染時對損傷高度敏感。
為了保證對于這種敏感真空過程的環(huán)境條件，非常有利的是，具有能夠從刻意地引入真空腔室中的其它氣體辨別出污染物氣體物質的局部壓力傳感器件。這些其它的氣體可以是反應氣體，或惰性氣體，需要它們用于形成必要的壓力和流動條件。
現有技術中存在多種方法用于物質選擇性氣體壓力測量。
(1).殘余氣體分析器(RGA)在現有技術中，局部壓力分析器用于測量真空腔室中的氣體成分。這種RGA一般是四極質譜計(QMS)，它非常昂貴，并且一般僅能夠在低水平的總壓力下進行測量。在該方法中，產生光譜，其對應于所存在的離子的局部壓力，并且作為它們的質量-電荷比(m/z)。一般，系統(tǒng)中存在的氣體分子在離子源中分解，產生更小的離子，它們在光譜中一般顯現為較低的m/z值。
(2).采樣殘余氣體分析

圖1示意了一種布置，其中總壓力超過壓力傳感器件所允許的水平。腔室1利用泵2抽吸，一般為渦輪分子泵2，以及初級泵3，一般為正排量泵。RGA4連接到輔助腔室6，其經由限流器件5連接到腔室。該輔助腔室6裝備有另外的分子泵7和正排量泵8，其允許RGA4在可以接受的總壓力水平下操作。該系統(tǒng)允許測量腔室1中最為富含的氣體物質，但是不能測量具有非常低的局部壓力的氣體物質；一般，測量局限于量級在每十億50份的相對水平。分子泵7和正排量泵8的另外的抽吸布置也導致系統(tǒng)非常昂貴。
(3).瞬態(tài)殘余氣體分析為了測量來自抽吸布置的油回流，已知的是，將RGA連接到位于該泵布置上游的真空腔室。一旦該系統(tǒng)已經達到最終壓力，RGA被關閉，允許腔室的附近表面冷卻并且因此吸附腔室中存在的油氣。當RGA再次被打開時，所伴隨的溫度增加引起對油氣的快速解吸附，這在RGA中探測到。這導致高度放大的探測油氣的“峰值”，然后當再次形成熱平衡時，其開始衰退。這種放大的響應可用于改進測量系統(tǒng)的敏感度。
(4).逆流殘余氣體分析如圖2示意的，一種可選方法(經常應用在氦泄漏探測中)是將RGA連接在逆流結構中。在該布置中，RGA4連接到分子泵2的入口。該泵2的出口連接到正排量泵3，該泵也連接到腔室1。當分子泵2將RGA4保持在充分低的總壓力時，允許氦通過分子泵2回流，并且因此該布置基于這種事實，即分子泵2的壓縮率對于特定氣體物質較低，特別是輕質氣體例如氦氣。
該布置提供RGA對于氣體例如氦的相對敏感度的改進，但是不適于其它氣體，例如水蒸氣或者碳氫化合物。因為器件對于各種氣體物質的敏感度依賴于分子泵對于該特定物質的壓縮率，該系統(tǒng)不適于用作多氣體分析器。該方法對于氦有效，是因為分子泵對于氦具有不良的壓縮率，但是對于大多數重質碳氫化合物污染物無效，因為分子泵對于這些重質分子呈現出高的壓縮率。分析器以及另外的泵2的高成本也是不利的。
(5).泵輔助泄漏探測當氦泄漏探測用于具有其自身的真空泵的大型真空系統(tǒng)時，可通過將氦泄漏探測器連接到真空泵的前級真空管線而不是直接連接到真空腔室而改進響應速度。在泄漏探測中的響應速度與S/V比有關，其中S是泄漏探測系統(tǒng)的抽吸速度，并且V是真空腔室的體積。大多數泄漏探測器具有在幾升/秒的范圍內的低的抽吸速度，并且因此對于具有相應較大的真空泵的大型真空腔室，通過將其與這些大型真空泵串聯，泄漏探測器的有效抽吸速度被極大提高。雖然該方法對于氦泄漏探測非常有利，其對于探測腔室中的碳氫化合物污染是不實際的，因為通常存在于前級真空管線中的碳氫化合物污染物的濃度很高(經常由初級泵引起)。
(6).GC-MS入口濃縮器在氣相色譜質譜分析中(GC-MS)，被分析的氣體可由多種技術探測，包括四倍頻分析器，飛行時間(TOF)以及其它方法，為了提高這些方法的敏感度，有時使用“入口濃縮器”，還被稱為“凈化與通氣”器件。這些器件包括小的腔室，其充滿吸附材料例如活性炭，其溫度可改變。該器件暴露于所要分析的氣體，然后快速加熱，以在短時間內驅散所有積聚的氣體。提高的濃度改進了探測器件的敏感度。
(7).溫度可編程解吸附光譜學(TPDS)在該分析方法中，氣體吸附到保持為低溫的吸附層上，然后以穩(wěn)態(tài)控制的速率(一般幾個K/s)提高溫度。然后利用適當的探測器探測如此被驅散的氣體，例如四倍頻質量分光計(QMS)，但是也可使用飛行時間(TOF)分光計。該方法提供作為溫度函數的氣體壓力光譜，其可解釋用于指示具有不同表面結合能的氣體的相對豐度，因此提供關于氣體成分的有價值信息。例如，在圖3中，對于吸附到原子量值為m/z＝2和44的銅基質的蟻酸示出QMS輸出。這僅示出微弱吸附的氫氣(m/z＝2)，其在大約280K解吸附，以及在大約470K解吸附的氫氣和二氧化碳(m/z＝44)。
(8).氣體選擇性電容性測量器件一種可選方案是使用氣體選擇性測量器件，例如電容性傳感器，其中經常為薄膜聚合物的介電材料，響應于存在的水蒸氣改變性質。這種器件的缺點在于它們僅對特定氣體物質(在該實例中為水蒸氣)敏感，并且它們也通常具有較低的絕對敏感度。它們也易于漂移。然而，因為它們僅對特定氣體物質敏感，它們能夠在低的相對局部壓力下測量，其中所關注的物質是存在的其它氣體的一小部分。它們還具有比殘余氣體分析器更加低廉的優(yōu)點。
(9).石英晶體微平衡(QCM)這些器件基于測量吸附(冷凝)到器件表面的污染物的質量。該器件包括石英晶體，由高頻電壓激發(fā)，其固有頻率受到由于所吸附材料引起的額外質量的影響。這些器件是不依賴于物質的，因為它們僅對在其表面冷凝的氣體響應，并且它們辨別氣體的能力可通過在其表面上涂覆適當的材料或者通過在不同溫度包括低溫溫度下操作器件而改變。
(10).表面聲波(SAW)傳感器這些器件類似于QCM，但是基于在器件表面上傳播的波，而非通過其主體行進的波。這極大改進了它們對于吸附到其表面的少量材料的敏感度。
(11).金屬氧化物導電傳感器這些器件使用金屬氧化物薄層，該薄層通常利用化學氣相沉積(CVD)方法進行沉積，以產生傳感層，其導電性對吸附材料敏感。特殊的制造技術允許這種薄膜器件的陣列沉積到單獨的基質上，每個器件對特定的材料組敏感。因為這些器件依賴于氧化，它們易于在真空環(huán)境中漂移，這是氧氣還原的。
(12).固態(tài)電化電池這些傳感器包括位于兩個電極之間的固體電解質，并且基于探測由氧化負離子承載的電流或者產生的電壓。這些適于測量碳氫化合物污染，但是具有高于在很多應用中所需極限的探測極限。它們也應該在高溫下操作以便促進負離子導電。在一些情形，電解質允許氧氣從大氣擴散到真空系統(tǒng)中，這本身可成為過程污染源。
上述的這些現有技術方法(1)到(12)具有各種缺點，從而使得它們不適于用作在過程應用中定量測量局部壓力的方法。
(A).成本現有技術方法(1)到(7)基本依賴于四倍頻質量分析器或者類似高成本的探測器件。在大多數情形中，它們也要求具有其自身的真空泵設備的輔助真空腔室。這種系統(tǒng)的成本經常過高而不適于很多過程中廣泛應用。
(B).解釋對四倍頻質量分光計數據的解釋很復雜，因為大的碳氫化合物分子在離子源中分裂，并且要求技術熟練的操作人員進行解釋以從輕質碎片的分裂模式確定母體化學成分。這使其不適于自動過程控制軟件。
(C).敏感度RGA在其它溫和氣體環(huán)境下難以鑒別小的局部壓力。特別是，其難以在強烈的氬氣環(huán)境中探測水，因為雙重離子化的氬在20amu出現，并且水在18出現。而且，分裂的碳氫化合物產生C3H4+(40amu)碎片以及其它質量接近40amu的碎片。這些在氬的存在下也難以鑒別。氬經常用于半導體制造過程以及EUV平版印刷術工具中。傳感器(8)到(11)的低成本并不同樣具有被其它氣體影響的缺點，但是一般具有不良的敏感度。
(D).響應速度現有技術方法(2)的采樣殘余氣體分析器的響應速度較低，因為，再次參考圖1，限流器件5限制了污染物進入輔助腔室6的速率。
(E).對真空系統(tǒng)的效果現有技術方法(6)和(7)涉及溫度調節(jié)，并且一般用于分析目的以便僅僅確定不同物質的相對濃度。一般認為它們不適于定量測量過程應用中的局部壓力，因為溫度的變動引起污染物濃度的提高，這不利地影響到該過程。一般，這種溫度調節(jié)對敏感度的改進由“脈沖間隔比率”確定-即對表面進行加熱的時間與將其保持冷卻的時間的比率。
(F).熱輻射和傳導RGA以及固態(tài)電化電池應該在高溫下操作，它們通過傳導或輻射將熱量傳遞給真空系統(tǒng)。這在平版印刷術或度量衡系統(tǒng)中非常不利，這些系統(tǒng)對溫度變化非常敏感。
(G).帶電粒子RGA通常產生高能帶電粒子(離子或電子)，它們對過程也非常有害。
(H)產生的污染一些傳感器也產生污染。在固態(tài)電化電池的情形，氧氣從大氣的擴散可污染過程。
總之，因為污染物可高度損壞昂貴構件，重要的是，傳感器件對低水平的污染非常敏感，并且也具有快速響應時間，從而可由過程控制軟件提供充分的保護。
在第一方面，本發(fā)明提供包括真空泵的設備，該真空泵具有用于接收流體的入口和用于排出抽吸流體的出口，以及與入口和出口中間的位置形成流體連通，用于接收由該泵接收的流體的至少一部分并且用于探測其中一種或多種污染物的存在性的傳感器。
因此，用于探測其中一種或多種污染物的存在性的傳感器設置在該泵入口和該泵出口中間。相應的，傳感器探測到的一種或各種污染物的局部壓力由該泵入口所接收的流體流量所控制，并且因此從連接到該泵出口的初級泵的任何回流對于污染物的局部壓力具有最小的影響。
優(yōu)選，該泵包括至少第一和第二抽吸站，并且所述位置位于第一和第二站之間。通過在由該泵第一抽吸站將所接收流體中的污染物壓縮到較高局部壓力的位置處操作傳感器而提高傳感器的敏感度。例如，如果第一站的抽吸速度為Sa，并且第二站的為Sb，則在傳感器處的污染物局部壓力ps，通過關系ps＝pc×Sa/Sb而與腔室中的局部壓力pc相關。而且，第二站的抽吸效果可保證該傳感器不受前級真空管線中存在的污染物的影響。
其中的一個站優(yōu)選包括分子站。例如，其中一個站可包括渦輪-分子站，并且/或者其中一個站可包括分子牽引站。
該傳感器優(yōu)選連接在該泵外部，在此情形該泵在所述位置包括端口，包括用于朝向傳感器從所述端口輸送流體的裝置的設備。該設備優(yōu)選具有容納該泵和傳感器的殼體。可提供控制裝置以控制該泵和傳感器，該控制裝置優(yōu)選容納在公共殼體中。
優(yōu)選，在使用時，該傳感器基本獨立于流體中非污染物的壓力對流體中的污染物(例如水蒸氣或碳氫化合物)敏感。該傳感器優(yōu)選僅對一種或多種所選擇的污染物敏感，這可提供易于進行解釋的傳感器輸出信號以及使用自動過程控制軟件的過程。優(yōu)選，該傳感器設置為用于提供指示流體中污染物局部壓力的輸出。
該傳感器可以是石英晶體微平衡傳感器，表面聲波傳感器，或者電容型-傳感器。
在一個實施例中，該傳感器與入口濃縮器相結合以提高其敏感度，或者改進其鑒別不同氣體物質的能力。在入口濃縮器中的溫度調節(jié)可以是基本為臺階形式，這可允許污染物的聚集，同時表面處于較低溫度，并且當溫度快速提高時快速解吸附這些聚集的污染物，由此形成污染物的大的瞬態(tài)濃度，這易于被感測到。
可選的，該溫度調節(jié)可以是基本成鋸齒形式，這可允許污染物在較低溫度下聚集，并且當溫度逐步提高時更加緩慢地解吸附，從而具有較低結合能的污染物在較低溫度下解吸附，并且那些具有較高結合能的污染物在較高溫度下解吸附，由此提供鑒別具有不同結合能的污染物的能力。在另一可選方式中，該溫度調節(jié)可以基本為傾斜脈沖的形式。
該傳感器可包括涂覆有用于吸收一種或多種污染物的材料的表面?？商峁┯糜趯鞲衅骼鋮s到低于周圍溫度的溫度的裝置，這可改進傳感器吸附所關注污染物的能力。
該設備優(yōu)選包括連接到該泵出口的初級泵用于抽吸從真空泵排放的流體。該入口可與真空腔室流體連通以便從其接收流體。
根據前面任一權利要求的設備，其中污染物包括水和碳氫化合物中的至少一種。
本發(fā)明還以結合方式提供一種真空泵，其具有用于接收流體的入口和用于排放抽吸流體的出口，和一種傳感器，其與該入口和出口中間的位置形成流體連通，以用于接收由該泵接收的流體的至少一部分并且用于探測其中的一種或多種污染物的存在性。
本發(fā)明還提供一種方法，用于探測抽吸流體中的一種或多種污染物的存在性，包括在真空泵入口處接收流體；并且從該真空泵入口和出口中間的位置處將該泵接收的流體的至少一部分傳輸到傳感器以用于探測其中的一種或多種污染物的存在性。
涉及本發(fā)明設備方面的特征同樣可應用于本發(fā)明的方法方面，并且反之亦然。
現在參考附圖僅通過示例描述本發(fā)明的優(yōu)選特征，其中圖1示意了采樣殘余氣體分析器的一種布置；圖2示意了逆流殘余氣體分析器的一種布置；圖3是示出所吸附的蟻酸的解吸附光譜的圖；圖4示意了本發(fā)明的一個實施例；并且圖5(a)到(c)示意了可應用于圖4傳感器的溫度調節(jié)的各種形式。
參考圖4，泵12，例如渦輪分子、分子牽引、或復合渦輪分子/分子牽引泵具有通過入口管道或導管連接到真空腔室11的入口15，以及通過出口管道或導管連接到第二真空泵13例如干式初級泵的出口17。該泵12具有第一抽吸部分12a，以及第二抽吸部分12b。該第一抽吸部分12a包括至少一個抽吸站，例如至少一個渦輪分子站，并且該第二抽吸部分12b包括至少一個抽吸站，例如至少一個分子牽引站。
局部壓力傳感器，或測量器件14通過連接管道或導管16連接到位于該泵入口15和該泵出口17中間的分子泵端口。局部壓力測量器件14可以是QCM(石英晶體微平衡)，SAW(表面聲波)或電容型(或類似的特定氣體傳感器)，并且還可使用溫度調節(jié)以提高其敏感度，或改進其鑒別不同氣體物質的能力。如圖4所示意，可設置控制器18以控制該泵12和局部壓力測量器件14，其中該泵12，局部壓力測量器件14和控制器18優(yōu)選位于公共的殼體19中。
溫度調節(jié)可以是基本為臺階形式的，如圖5(a)所示，可以是基本為鋸齒形式的，如圖5(b)所示，或者基本為傾斜脈沖的形式，如圖5(c)所示。臺階調節(jié)的效果在于使得當表面處于較低溫度時積聚污染物，并且當溫度快速提高時快速解吸附這些積聚的污染物，由此形成高的污染物瞬態(tài)濃度，這易于被感測。鋸齒調節(jié)的效果在于，在較低的溫度下積聚污染物，然后當溫度逐步提高時將其更緩慢地解吸附，從而具有較低結合能的污染物在較低溫度下解吸附，并且那些具有較高結合能的污染物在較高溫度下解吸附，由此提供鑒別具有不同結合能的污染物的能力。
在使用中，腔室11中存在的污染物氣體利用最靠近該泵入口的該泵抽吸部分12a抽吸，并且利用該抽吸部分12a壓縮到更高的壓力。利用該裝置，污染物氣體的壓力被提高到使得污染物能夠更加容易地被局部壓力測量器件14探測到。
由于存在于其軸承和潤滑系統(tǒng)或其電動機驅動系統(tǒng)中的污染物，或者由于存在于第二真空泵14中的污染物，污染物氣體還可能存在于該泵12的出口導管17的附近。一般，這些污染物并不影響過程腔室11，因為該泵抽吸部分12a、12b對這些污染物提供有效的阻擋。然而重要的是，局部壓力測量器件14不響應于出口導管中污染物的增加。這通過鄰近出口導管17的抽吸部分12的抽吸效果而得以保證。
本發(fā)明具有優(yōu)于上述現有技術方法(1)到(12)的多個顯著的優(yōu)點。
(A).成本通過使用較低成本的氣體選擇性測量器件，本發(fā)明克服了殘余氣體分析器的成本缺點。當本發(fā)明應用于已經使用分子泵的真空系統(tǒng)時，無需另外的抽吸裝置。通過將該器件在系統(tǒng)中總壓力較高的位置處進行連接而提高該氣體選擇性測量器件的絕對敏感度。
(B).解釋僅對所關注污染物敏感的該傳感器的輸出本質上易于解釋并且該過程使用自動過程控制軟件。
(C).敏感度通過在存在于真空腔室中的污染物已經被壓縮到較高局部壓力的區(qū)域中操作傳感器，本發(fā)明提高了傳感器的敏感度。如果該泵12的抽吸部分12a的抽吸速度為Sa，并且該泵12抽吸部分12b的為Sb，則在傳感器處的污染物局部壓力ps通過關系ps＝pc×Sa/Sb而與腔室中的局部壓力pc相關。而且，該泵12的抽吸部分12a的抽吸效果可保證該傳感器不受存在于前級真空管線中的污染物的影響。
(D).響應速度通過使用該泵12第一部分12a的抽吸速度將污染物抽吸到傳感器中而提高了響應速度。
(E).對于真空系統(tǒng)的效果分子泵12的第一部分12a的抽吸效果可避免過程腔室11受到由于溫度調節(jié)引起的污染物壓力變動的不利影響。它還將過程腔室與由傳感器自身所產生的污染物絕緣。
(F).熱效應由于傳感器遠離過程腔室設置，由于傳感器自身或者由于入口濃縮器中的溫度調節(jié)的輻射或傳導而導致的熱效應被極大地降低。
總之，該真空泵具有，與用于接收流體的入口和用于排放抽吸流體的出口中間的位置形成流體連通，用于接收由該泵接收的流體的至少一部分并且用于感測其中存在的一種或多種污染物的存在性的傳感器。
權利要求
1.一種設備，包括抽吸裝置，所述抽吸裝置具有用于接收流體的入口和用于排出抽吸流體的出口，以及與入口和出口中間的位置形成流體連通用于接收由所述抽吸裝置接收的流體的至少一部分并且用于探測其中一種或多種污染物的存在性的傳感器。
2.根據權利要求1所述的設備1，其特征在于，所述抽吸裝置包括至少第一和第二抽吸站，并且所述位置位于所述第一和第二站之間。
3.根據權利要求2所述的設備，其特征在于，這些站中的一個包括分子站。
4.根據權利要求2或3所述的設備，其特征在于，這些站中的一個包括渦輪分子站。
5.根據權利要求2到4中任一項所述的設備，其特征在于，這些站中的一個包括分子牽引站。
6.根據前面任一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述抽吸裝置在所述位置包括端口，所述設備包括從所述端口朝向傳感器輸送流體的裝置。
7.根據前面任一項權利要求所述的設備，其特征在于，包括用于容納所述抽吸裝置和傳感器的殼體。
8.根據前面任一項權利要求所述的設備，其特征在于，包括用于控制所述抽吸裝置和傳感器的裝置。
9.根據權利要求8所述的設備，其特征在于，包括用于所述控制裝置的殼體。
10.根據前面任一項權利要求所述的設備，其特征在于，在使用時，所述傳感器基本獨立于流體中非污染物的壓力對流體中的污染物敏感。
11.根據前面任一項權利要求所述的設備，其特征在于，傳感器設置為提供能夠指示流體中污染物的局部壓力的輸出。
12.根據前面任一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述傳感器為石英晶體微平衡傳感器。
13.根據權利要求1到11中任一項所述的設備，其特征在于，所述傳感器為表面聲波傳感器。
14.根據權利要求13所述的設備，其特征在于，待感測的污染物為碳氫化合物。
15.根據權利要求1到11中任一項所述的設備，其特征在于，所述傳感器為固體電化電池。
16.根據權利要求15所述的設備，其特征在于，待感測的污染物為碳氫化合物。
17.根據權利要求1到11中任一項所述的設備，其特征在于，所述傳感器為氣體選擇性電容器件。
18.根據權利要求17所述的設備，其特征在于，待感測的污染物為水蒸氣。
19.根據前面任一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述傳感器設有溫度調節(jié)。
20.根據權利要求19所述的設備，其特征在于，所述溫度調節(jié)基本為臺階形式。
21.根據權利要求19所述的設備，其特征在于，所述溫度調節(jié)基本為鋸齒形式。
22.根據權利要求19所述的設備，其特征在于，所述溫度調節(jié)基本為斜面脈沖形式。
23.根據前面任一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述傳感器具有涂覆用于吸收一種或多種污染物的材料的表面。
24.根據前面任一項權利要求所述的設備，其特征在于，包括將傳感器冷卻到低于周圍溫度的溫度的裝置。
25.根據前面任一項權利要求所述的設備，其特征在于，包括連接到出口的初級泵以用于抽吸從所述抽吸裝置排放的流體。
26.根據前面任一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述入口與真空腔室形成流體連通以用于從其接收流體。
27.根據前面任一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述污染物包括水和碳氫化合物中的至少一種。
28.一種相結合的真空泵，其具有用于接收流體的入口和用于排出抽吸流體的出口，以及與入口和出口中間的位置形成流體連通用于接收由所述泵接收的流體的至少一部分并且用于探測其中一種或多種污染物的存在性的傳感器。
29.一種方法，用于探測抽吸流體中的一種或多種污染物的存在性，包括在真空泵入口處接收流體；并且從所述真空泵入口和出口中間的位置處將所述泵接收的流體的至少一部分傳輸到傳感器以用于探測其中的一種或多種污染物的存在性。
30.一種方法，用于探測抽吸流體中的一種或多種污染物的存在性，包括在第一抽吸站處接收流體；并且從所述第一抽吸站將第一股抽吸流體輸送到第二抽吸站并且將第二股流體輸送到傳感器以探測其中的一種或多種污染物的存在性。
全文摘要
一種真空泵，具有與入口和出口中間的位置形成流體連通用于接收由該泵接收的流體的至少一部分并且用于探測其中一種或多種污染物的存在性的傳感器，該入口用于接收流體并且該出口用于排出抽吸流體。
文檔編號F04B37/14GK1856651SQ200480027275
公開日2006年11月1日 申請日期2004年9月16日 優(yōu)先權日2003年9月26日
發(fā)明者B·D·布雷斯特 申請人:英國氧氣集團有限公司