專利名稱：差動(dòng)式氣體感測(cè)-在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及裝置和方法，用于在低濃度范圍和高濃度范圍，檢測(cè)流動(dòng)的氣流中雜質(zhì)的標(biāo)定的濃度，高的雜質(zhì)濃度顯露以后，系統(tǒng)能快速恢復(fù)到常規(guī)運(yùn)行。
汽相處理技術(shù)的快速發(fā)展，例如化學(xué)蒸法鍍敷，在半導(dǎo)體工業(yè)中已經(jīng)和制造設(shè)備的配置和使用聯(lián)系起來(lái)，在半導(dǎo)體制造廠的使用處所，這種設(shè)備完全依賴于超高凈化的工藝過(guò)程氣體的供應(yīng)。目前，在使用著的這種設(shè)備價(jià)格超過(guò)50億美元。
盡管這種汽相處理技術(shù)有廣泛的工業(yè)應(yīng)用，但至今，很少有努力集中到工藝過(guò)程系統(tǒng)中的氣流潔凈度的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展。
由于缺乏適合于工業(yè)用的氣體雜質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)果是再次出現(xiàn)這樣的情況，在判明流入反應(yīng)器的工藝過(guò)程用的氣流成分的改變正在導(dǎo)致高的廢品率之前，大量晶片已經(jīng)經(jīng)過(guò)汽相蒸敷反應(yīng)器的處理。這樣高的廢品率顯著地降低半導(dǎo)體制造廠的效率和生產(chǎn)率，并且產(chǎn)生重大的潛在產(chǎn)品的損失。由此引起的不合格的微電子制品就成為必須返工的廢料，如果這還是可行的，否則就要用作為廢品被廢棄。
因此，提供一種工業(yè)用的連續(xù)測(cè)量使用處所的氣體潔凈度的系統(tǒng)，是半導(dǎo)體制造工業(yè)的迫切需要。這種潔凈度測(cè)量可用于改造可能引起生產(chǎn)問(wèn)題的加工處理?xiàng)l件，例如在鍍敷處理最終使用之前先把包含雜質(zhì)的氣流分流做適當(dāng)?shù)奶幚怼?br> 在一般處理方面，例如石油精煉，廢水處理，生物藥劑生產(chǎn)等等，各種用于檢測(cè)液相雜質(zhì)的雜質(zhì)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)有所發(fā)展，利用主流的側(cè)流或滑流的樣本，測(cè)定雜質(zhì)濃度。被取樣的一般流過(guò)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)設(shè)備，然后就被廢棄。這種浪費(fèi)，從經(jīng)濟(jì)學(xué)來(lái)說(shuō)對(duì)半導(dǎo)體加工過(guò)程是大為有害的，當(dāng)氣流包含昂貴的試劑材料，一般是這種情況，例如用于基片金度鍍敷的金屬有機(jī)化合物試劑。另外，用于半導(dǎo)體制造的許多氣流的特點(diǎn)是有較大的危險(xiǎn)性，以致它們的浪費(fèi)還表現(xiàn)出再加工、處理和處置的許多困難。
考慮出現(xiàn)在半導(dǎo)體制造涉及的氣流中的雜質(zhì)，必須注意到用化學(xué)蒸法鍍敷或其它基于蒸法技術(shù)方法的高質(zhì)量薄膜電子元件和光電元件的生產(chǎn)過(guò)程受各種低水平的過(guò)程雜質(zhì)抑制。這些雜質(zhì)同時(shí)影響生產(chǎn)半導(dǎo)體缺陷和成品。
具體地，至少兩類雜質(zhì)是重要的，即散粒雜質(zhì)和化學(xué)雜質(zhì)。散粒雜質(zhì)用各種過(guò)濾和聚集方法和設(shè)備成功地被選擇到(參看Malczewski，M.L.，et al，“Measurement of Particulates in Filtered Process Gas Streams，”SolidState Technology，28，151-157，April 1986)?；瘜W(xué)雜質(zhì)未受類似的注意。如所述的，其它工業(yè)已發(fā)展的監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)用到半導(dǎo)體制造工序是不良的。在活性過(guò)程中的化學(xué)雜質(zhì)可能起源于原始?xì)怏w本身的生產(chǎn)，以及它的相繼的包封，裝運(yùn)，存儲(chǔ)，和處理。雖然原始?xì)怏w制造商一般向半導(dǎo)體制造工廠提供所交付的原始?xì)怏w材料的分析，但該氣體的純度可能改變。其改變可能是由于用于包裝氣體的容器例如氣罐的滲入或漏出。另外，雜質(zhì)可能是不合適的氣體容器更換，滲入到下游處理設(shè)備，或者這種下游設(shè)備泄漏而導(dǎo)致的。
因此，在半導(dǎo)體制造中，為全面地解決向?yàn)檎舴ㄌ幚砉ば蜻B續(xù)一致地供應(yīng)高純度氣體的問(wèn)題，唯一的辦法是發(fā)展工業(yè)用的有效的雜質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)測(cè)量半導(dǎo)體制造過(guò)程氣流中的雜質(zhì)濃度，以及發(fā)明從使用上看確實(shí)可信的凈化系統(tǒng)，用于凈化被確定所含雜質(zhì)類超過(guò)可允許濃度的氣流。
在用于半導(dǎo)體的過(guò)程氣體中，出現(xiàn)甚小的雜質(zhì)類濃度是潛在地有害的。少至百萬(wàn)分之幾(ppm)水平的雜質(zhì)都可能引起半導(dǎo)體器件的不一致的電性能，該器件是使用包含雜質(zhì)氣流的鍍敷技術(shù)制造的。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是，提供一種用于檢測(cè)流動(dòng)氣流中雜質(zhì)濃度的系統(tǒng)，該氣流能夠有效地用于半導(dǎo)體制造工序。
本發(fā)明另一個(gè)目的是，提供這種類型的檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠提供過(guò)程氣流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便在雜質(zhì)濃度水平超過(guò)預(yù)定設(shè)置點(diǎn)限制時(shí)，可以進(jìn)行即時(shí)校正。
本發(fā)明一個(gè)進(jìn)一步的目的是，提供一種檢測(cè)流動(dòng)氣流中雜質(zhì)類的系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于半導(dǎo)體制造工序，并且不需要任何側(cè)流和滑流取樣。
本發(fā)明另一個(gè)進(jìn)一步目的是，提供一種用于檢測(cè)流動(dòng)氣流中雜質(zhì)濃度的系統(tǒng)，該氣流是容易地標(biāo)定的，并且有一基本的連續(xù)的使用壽命，例如至少六個(gè)月范圍。
本發(fā)明還有一個(gè)進(jìn)一步的目的是，流動(dòng)氣流中被標(biāo)定的雜質(zhì)類濃度，可用在低的濃度范圍，和高的濃度范圍，在暴露到高雜質(zhì)濃度之后，可快速恢復(fù)到正常工作。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)，從隨后的披露和附加的權(quán)利要求中將會(huì)看得更加明顯。
本發(fā)明涉及一種有效的用于實(shí)時(shí)確定流動(dòng)氣流中雜質(zhì)濃度的在線檢測(cè)系統(tǒng)。
在一個(gè)主要方面，發(fā)明涉及一種在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于確定流動(dòng)氣流中雜質(zhì)類標(biāo)定的濃度，在低于預(yù)定濃度值的低濃度范圍內(nèi)，以及在高于所述預(yù)定濃度值的高濃度范圍內(nèi)，所述系統(tǒng)包括(a)確定流動(dòng)氣流流路的裝置；(b)氣體凈化器，來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體可以從該凈化器流過(guò)，在其中除去雜質(zhì)類；(c)用于感測(cè)來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體中雜質(zhì)類的濃度的裝置；(d)有選擇地使氣體從流路流過(guò)氣體凈化器的裝置，產(chǎn)生所述雜質(zhì)類貧化了的凈化氣體；(e)使被凈化的氣體從所述氣體凈化器流向所述感測(cè)裝置的裝置；(f)有選擇地使氣體從流路流向感測(cè)裝置而不流過(guò)氣體凈化器的裝置；(g)確定流動(dòng)氣流雜質(zhì)類濃度的標(biāo)定平衡值的裝置，運(yùn)行時(shí)與感測(cè)裝置相連，該平衡值得自被所述感測(cè)裝置測(cè)得的未被凈化的氣體雜質(zhì)類濃度，和與之有標(biāo)定關(guān)系的被所述感測(cè)裝置測(cè)得的已凈化的氣體的雜質(zhì)類濃度；(h)流體控制裝置，運(yùn)行時(shí)與氣體流動(dòng)裝置(f)和(g)相連，并被設(shè)置為能使來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體，在一個(gè)重復(fù)循環(huán)中，有選擇地、交替地和重復(fù)地以第一可選時(shí)間周期t1，經(jīng)氣體流動(dòng)裝置(f)流至氣體凈化器，繼而以第二可選時(shí)間周期t2，流經(jīng)氣體流動(dòng)裝置(g)，其中，在低于所述預(yù)定濃度值的低濃度范圍內(nèi)，t2＞t1，又其中，在高于所述預(yù)定濃度值的高濃度范圍范圍內(nèi)，t1＞t2。
本發(fā)明的另一方面，是提供一種方法，所述方法用于確定流動(dòng)氣流中雜質(zhì)類的標(biāo)定的濃度，在低于預(yù)定濃度值的低濃度范圍，以及在高于所述預(yù)定濃度值的高濃度范圍，所述方法包括(a)確定流動(dòng)氣流的流路的裝置；(b)氣體凈化器，來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體可以從該凈化器流過(guò)，在其中除去雜質(zhì)類；(c)用于感測(cè)來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體中雜質(zhì)類的濃度的裝置；(d)有選擇地使氣體從流路流過(guò)氣體凈化器的裝置，產(chǎn)生所述雜質(zhì)貧化了的凈化氣體；(e)使被凈化的氣體從所述氣體凈化器流向所述感測(cè)裝置的裝置；(f)有選擇地使氣體從流路流向感測(cè)裝置而不流過(guò)氣體凈化器的裝置；(g)確定流動(dòng)氣流雜質(zhì)類濃度的標(biāo)定平衡值的裝置，運(yùn)行時(shí)與感測(cè)裝置相連，該平衡值得自被所述感測(cè)裝置測(cè)得的未被凈化的氣體的雜質(zhì)類濃度，和與之有標(biāo)定關(guān)系的被所述感測(cè)裝置測(cè)得的已凈化的氣體的雜質(zhì)類濃度；(h)流體控制裝置，運(yùn)行時(shí)與氣體流動(dòng)裝置(f)和(g)相連，并被設(shè)置為能使來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體，在一個(gè)重復(fù)循環(huán)中，有選擇地、交替地和重復(fù)地以第一可選時(shí)間周期t1，經(jīng)氣體流動(dòng)裝置(f)流至氣體凈化器，繼而在第二可選時(shí)間周期t2，流經(jīng)氣體流動(dòng)裝置(g)，其中，在低于所述預(yù)定濃度值的低濃度范圍內(nèi)，t2＞t1，又其中，在高于所述預(yù)定濃度值的高濃度范圍內(nèi)t1＞t2。
使來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體，有選擇地從流路經(jīng)過(guò)氣體凈化器流動(dòng)，產(chǎn)生所述雜質(zhì)類貧化了的凈化氣體，另一種是使氣體從流路經(jīng)過(guò)氣體流動(dòng)裝置(f)，并使氣體流過(guò)所述感測(cè)裝置；以及有選擇地操作所述流體控制裝置(h)，使氣體在一個(gè)重復(fù)循環(huán)中，以第一可選時(shí)間周期t1，經(jīng)過(guò)裝置(f)流至氣體凈化器，繼而以第二可選時(shí)間周期t2經(jīng)過(guò)氣體流動(dòng)裝置(g)，其中，在低于所述預(yù)定濃度值的低濃度范圍內(nèi)，t2＞t1，又其中，在高于所述預(yù)定濃度值的高濃度范圍內(nèi)，t1＞t2。
還有本發(fā)明的另一方面，提供一種方法，用于確定流動(dòng)氣流中雜質(zhì)類的標(biāo)定的濃度，在低于預(yù)定濃度值的低濃度范圍內(nèi)，以及在高于所述預(yù)定濃度值的高濃度范圍內(nèi)，所述方法包括對(duì)來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體，以相繼和重復(fù)的感測(cè)操作，感測(cè)其雜質(zhì)類的濃度，其中，在第一感測(cè)方式中，氣體在被感測(cè)之前，對(duì)氣體中的雜質(zhì)類進(jìn)行凈化，又其中，在第二感測(cè)方式中，對(duì)氣體不進(jìn)行凈化，并且其中，在第一感測(cè)方式和第二感測(cè)方式中，根據(jù)雜質(zhì)類的濃度，改變感測(cè)方式循環(huán)時(shí)間，因此，在低于所述預(yù)定濃度值的所述低濃度范圍內(nèi)，第二感測(cè)方式的頻率高于第一感測(cè)方式的頻率，又其中，在高于所述預(yù)定濃度值的所述高濃度范圍內(nèi)，所述第一感測(cè)方式的頻率高于第二感測(cè)方式的頻率；以及根據(jù)在第一和第二感測(cè)方式中對(duì)濃度的感測(cè)，確定流動(dòng)氣流中雜質(zhì)類濃度的標(biāo)定平衡值。
又一方面，本發(fā)明涉及一種在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于確定流動(dòng)氣體中雜質(zhì)類的標(biāo)定的濃度，在低于濃度值的低濃度范圍內(nèi)，以及高于預(yù)定濃度值的高濃度范圍內(nèi)，所述系統(tǒng)包括用于清除來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體中的雜質(zhì)類的凈化器；用于對(duì)來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體以相繼的和重復(fù)的感測(cè)操作，感測(cè)其雜質(zhì)類的濃度的裝置，其中，在第一感測(cè)方式中，氣體在被感測(cè)之前先流過(guò)所述凈化器，對(duì)氣體中的雜質(zhì)類進(jìn)行凈化，又其中，在第二感測(cè)方式中，對(duì)氣體不進(jìn)行凈化，并且其中，在第一感測(cè)方式和第二感測(cè)方式中，根據(jù)雜質(zhì)類的濃度，改變感測(cè)方式的循環(huán)時(shí)間，因此，在低于所述預(yù)定濃度值的所述低濃度范圍內(nèi)，第二感測(cè)方式的頻率高于第一感測(cè)方式的頻率，又其中，在高于所述預(yù)定濃度值的所述高濃度范圍內(nèi)，所述第一感測(cè)方式的頻率高于第二感測(cè)方式的頻率；以及根據(jù)在第一和第二感測(cè)方式中對(duì)濃度的感測(cè)，確定流動(dòng)氣流中的雜質(zhì)類濃度的標(biāo)定平衡值的裝置。
在另外一方面，本發(fā)明涉及一種確定流動(dòng)氣流中雜質(zhì)類的標(biāo)定的濃度的方法，其中，來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體，在已凈化和未凈化的情況下的雜質(zhì)類濃度，被交替地感測(cè)，并且，所述感測(cè)包括用傳感器接觸氣體，所述傳感器含有對(duì)雜質(zhì)類具有不可逆的結(jié)合親合力的結(jié)合介質(zhì)，所述方法包括以差動(dòng)方式用所述傳感器，對(duì)未凈化的氣體的雜質(zhì)類濃度進(jìn)行感測(cè)，在這種方式中，傳感器暴露于所述未凈化氣體中的感測(cè)時(shí)間少于傳感器工作時(shí)間的50％，這樣，傳感器的使用壽命，與對(duì)未凈化氣體的連續(xù)感測(cè)相比得以延長(zhǎng)。
還有另外一方面，本發(fā)明涉及一種在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于確定流動(dòng)氣流中雜質(zhì)類的標(biāo)定的濃度，包括傳感器，含有對(duì)雜質(zhì)類具有不可逆的結(jié)合親合力的結(jié)合介質(zhì)，用于感測(cè)氣體中的雜質(zhì)類的濃度；對(duì)來(lái)自所述流動(dòng)氣流的氣體進(jìn)行凈化，產(chǎn)生凈化氣體的裝置；使來(lái)自流動(dòng)氣流的未凈化的氣流流向所述傳感器，并使來(lái)自氣體凈化裝置的已凈化的氣體流向所述傳感器的裝置，這樣，所述未凈化的氣體被所述傳感器以差動(dòng)方式感測(cè)，在這種方式中，傳感器暴露于未凈化氣體中的感測(cè)時(shí)間，少于傳感器工作時(shí)間的50％，這樣，傳感器的使用壽命，與對(duì)未凈化的氣體的連續(xù)感測(cè)相比得以延長(zhǎng)；以及根據(jù)所述傳感器測(cè)得的所述已凈化和未凈化的氣體中的雜質(zhì)類濃度，確定所述流動(dòng)氣流中雜質(zhì)類的標(biāo)定的濃度的裝置。
在一個(gè)有關(guān)的方面，本發(fā)明涉及一種在線檢測(cè)器系統(tǒng)，包括用于除去氣流雜質(zhì)的凈化器單元；以及確定流動(dòng)通路的裝置，有入口端和出口端，所述裝置這樣來(lái)構(gòu)成和配置使來(lái)自流動(dòng)氣流至少一部分氣體流過(guò)凈化器單元，產(chǎn)生雜質(zhì)被減少的氣體；使雜質(zhì)被減少的氣體流到雜質(zhì)濃度感測(cè)的地點(diǎn)；使來(lái)自流動(dòng)氣流的未凈化的氣體流到雜質(zhì)濃度感測(cè)地點(diǎn)；以及從出口端排送雜質(zhì)被減少的氣體和未凈化的氣體。
本發(fā)明另外一個(gè)有關(guān)的方面，涉及一種在線檢測(cè)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)的靈敏度可方便地周期性反復(fù)標(biāo)定，包括用于除去氣流雜質(zhì)的凈化器單元；以及確定流動(dòng)通路的裝置，有入口端和出口端，所述裝置這樣來(lái)構(gòu)成和配置使來(lái)自流動(dòng)氣流至少一部分氣體流過(guò)凈化器單元，產(chǎn)生雜質(zhì)被減少的氣體；使雜質(zhì)被減少氣體至少一部分流到雜質(zhì)濃度感測(cè)地點(diǎn)；使氣流至少一部分流到給氣體發(fā)送已知雜質(zhì)濃度的雜質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)地點(diǎn)；使來(lái)自雜質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)地點(diǎn)氣體流到雜質(zhì)濃度感測(cè)地點(diǎn)。
在另外的有關(guān)方面，本發(fā)明涉及一種在線檢測(cè)器系統(tǒng)，包括凈化器單元，用于從包含雜質(zhì)的氣體中清除雜質(zhì)；多支管組件，具有一個(gè)與流動(dòng)氣流相連通的入口，為的是使流動(dòng)氣體通過(guò)這里，以及一個(gè)用于輸送從多支管組件流過(guò)的氣體的出口，這種多支管組件規(guī)定(i)第一流路，與凈化器單元相連，用于使來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體通過(guò)凈化器單元，產(chǎn)生雜質(zhì)被減少的氣體，和(ii)第二流路，回避凈化器，并這樣構(gòu)成和安排，以便使多支管組件從流動(dòng)氣流的第一流路和第二流路得到氣流，并通過(guò)多支管組件的出口輸送氣流；裝置，用于(a)感測(cè)從凈化器單元被輸送到多支管組件的第一流路的雜質(zhì)被減少的氣體雜質(zhì)濃度，作為基線雜質(zhì)濃度值，(b)感測(cè)第二流路氣體中氣體的雜質(zhì)濃度，以及(c)確定流動(dòng)氣流的基線校準(zhǔn)的雜質(zhì)濃度值。
進(jìn)一步有關(guān)的方面，本發(fā)明涉及一種在線檢測(cè)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)的靈敏度能夠方便地周期地進(jìn)行標(biāo)定，又包括(i)第一流路連接到凈化器單元，使來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體通過(guò)凈化器單元，產(chǎn)生雜質(zhì)被減少的氣體，以及相繼使雜質(zhì)被減少的氣體通過(guò)雜質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)地點(diǎn)，那里被給予已知濃度的雜質(zhì)，(ii)第二流路，回避雜質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)地點(diǎn)，并這樣構(gòu)成和安排，以便使多支管組件從流動(dòng)氣流的第一流路和第二流路得到氣流，并通過(guò)多支管組件的出口輸送氣流。
裝置，用于(a)感測(cè)從雜質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)地點(diǎn)輸送到多支管組件的第一流路的氣體的雜質(zhì)濃度，作為基線雜質(zhì)濃度值，(b)感測(cè)第二流路雜質(zhì)被減少氣流的氣體雜質(zhì)濃度，以及(c)由此確定用于標(biāo)定檢測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)雜質(zhì)濃度值。
在本發(fā)明的廣泛實(shí)施中使用的凈化器，可以是任何適當(dāng)類型的，但比較好的是包括一個(gè)有凈化劑材料床的容器，該凈化劑是一種吸附地選擇流動(dòng)氣流中雜質(zhì)的材料。
多支管組件可以有多種結(jié)構(gòu)，在一個(gè)方位上可包括與它相連的主氣流管道，彼此是隔開(kāi)的關(guān)系，凈化器單元和傳感器部與適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)濃度感測(cè)裝置是可連接的。在這種組件中，一種T形管道部件是有用的，在它的下端有垂直于主氣流管道的支腿，并且在它的上端有水平伸展臂。水平伸展臂的兩個(gè)外端分別連接到凈化器和傳感器部，帶有開(kāi)關(guān)閥，例如氣體閥或電控的電磁閥，被配置在T形管道部件的臂和腿相交處，它用來(lái)有選擇地建立從氣流管道通過(guò)凈化器單元到傳感器部的流路，或者另一方面，通過(guò)T形管道部件的腿和臂到傳感器部的流路。
另一種方法，多支管組件可以這樣構(gòu)成，氣流進(jìn)口管道與進(jìn)氣多支管相連進(jìn)氣多支管在它的兩端分別連接于第一和第二分流管，分流管在它們的相對(duì)端與出氣分支管相連，出氣分支管又和與其相連的氣流出口管道相通。用這種分支管路組件，凈化器單元可設(shè)置在分支管中的一個(gè)或分流管路徑上，處于第一雜質(zhì)傳感器的上游，而第二雜質(zhì)傳感器或者設(shè)置在凈化器單元的上游，或者多支管組件的相對(duì)部分，經(jīng)過(guò)這里的氣體不流向傳感器(在凈化器單無(wú)的下游)和一個(gè)樣本傳感器(傳感器被裝在多支管組件的一個(gè)部位，流過(guò)那里的氣流不流向凈化器單元)，參照傳感器和樣本傳感器感測(cè)的結(jié)果可被用來(lái)確定基線校準(zhǔn)的氣流雜質(zhì)濃度值。
在比較好的方面，當(dāng)水是雜質(zhì)類時(shí)，雜質(zhì)濃度感測(cè)裝置包括濕度計(jì)或者另外一種基于壓電效應(yīng)的濃度傳感器。對(duì)于非含水雜質(zhì)類，基于壓電效應(yīng)的器件比較好地被采用，例如表面超聲波(SAW)器件。
本發(fā)明的另外一方面，涉及SAW器件，包括器件的壓電基片上的特殊親合性敷層，如專門用于特定的雜質(zhì)氣體類。
本發(fā)明的其它方面，涉及上面概括說(shuō)明的在線檢測(cè)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)與傳感及信號(hào)產(chǎn)生和處理裝置聯(lián)合，用于確定流動(dòng)氣流中雜質(zhì)的基線校準(zhǔn)的濃度值。
本發(fā)明的其它方面，包括屬于使用在線檢測(cè)，確定流動(dòng)氣流中雜質(zhì)濃度的方法論述，其中，來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體被凈化和感測(cè)，確定它的雜質(zhì)濃度，同時(shí)感測(cè)來(lái)自流動(dòng)氣流而沒(méi)有被凈化的氣體雜質(zhì)濃度，并為流動(dòng)氣流中的雜質(zhì)確定標(biāo)定的或基線校準(zhǔn)的濃度值。
本發(fā)明的其它方面和特征，從下面的披露和附加的權(quán)利要求，將是更為明顯的。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的檢測(cè)器系統(tǒng)的簡(jiǎn)略示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的檢測(cè)器系統(tǒng)組件的透視圖，例如可有效地應(yīng)用于本發(fā)明的實(shí)施中，感測(cè)流動(dòng)氣流中的雜質(zhì)濃度。
圖3是圖2的檢測(cè)器系統(tǒng)組件的透視圖，簡(jiǎn)略地表示被安裝在一個(gè)模制殼體中。
圖4是檢測(cè)器的透視圖，檢測(cè)器可用兩種濃度周期地進(jìn)行標(biāo)定，一種是基線濃度，一種是流動(dòng)氣流中表示特征的非零值雜質(zhì)濃度，有裝置用于標(biāo)定低的基線雜質(zhì)濃度和較高的表示特征的雜質(zhì)濃度。
圖5是一種可用許多濃度周期性地進(jìn)行標(biāo)定的檢測(cè)器的透視圖，一種是基線濃度，一種是流動(dòng)氣流中的許多表示特征的非零值雜質(zhì)濃度，有裝置用于標(biāo)定低的基線雜質(zhì)濃度和較高的表示特征的雜質(zhì)濃度。
圖6是滲透裝置的簡(jiǎn)略示意圖，該滲透管用作為本發(fā)明實(shí)施中用的氣體雜質(zhì)傳感器的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)。
圖7表示濕度計(jì)傳感器的輸出信號(hào)和時(shí)間的關(guān)系曲線，該傳感器處于含有1.6ppm濕氣，每分鐘2升的惰性氣流中，交替地給于凈化的(“零”)，每分鐘2升的惰性氣流中，然后是含0.3ppm濕氣，每分鐘2升的惰性氣流，交替地給以零氣流。
圖8表示來(lái)自圖7密集的數(shù)據(jù)，表示在1.6ppm濕氣水平下的兩個(gè)循環(huán)。
圖9表示濕度計(jì)傳感器的標(biāo)定曲線，其范圍為300至3000ppb，通過(guò)該曲線，可以將信號(hào)的變化外推到平衡濃度。
本發(fā)明克服了如本文上面關(guān)于先有技術(shù)背景討論中所述的先有技術(shù)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一些不足，提供一種在線氣體雜質(zhì)檢測(cè)器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，特別適用于半導(dǎo)體器件的制造，包括蒸法鍍敷基片的工序。
本發(fā)明的檢測(cè)器系統(tǒng)，能夠在低的濃度水平(例如十億分之幾的濃度)上測(cè)量流動(dòng)氣流中重要的雜質(zhì)濃度，因此，允許流動(dòng)氣流的雜質(zhì)濃度被控制保持在適當(dāng)?shù)偷乃剑岳诎雽?dǎo)體器件的制造，該系統(tǒng)在流動(dòng)氣流中的雜質(zhì)超過(guò)可接受的預(yù)定限值時(shí)，可以有效地和流動(dòng)氣流凈化處理裝置連用。本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)，能夠檢測(cè)流動(dòng)氣流中雜質(zhì)的濃度，可以是低濃度范圍和高濃度范圍，當(dāng)高的雜質(zhì)濃度顯露之后，可快速恢復(fù)到常規(guī)運(yùn)行。
因?yàn)楸景l(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)是在線系統(tǒng)，所以不存在工藝過(guò)程氣流的損耗，或者由于它的轉(zhuǎn)向，處理和清理而偶然引起不測(cè)事件，例如雜質(zhì)濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中側(cè)流從主體氣流中分離出來(lái)，并被輸送到遠(yuǎn)距離的濃度感測(cè)裝置，就是這種情況。
由于本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)能夠在兩方面被標(biāo)定，即傳感器基線(或“零點(diǎn)”)的標(biāo)定，和以已知的雜質(zhì)濃度最好是以在工藝過(guò)程氣流中可遇到的典型的雜質(zhì)濃度的標(biāo)定，所以，檢測(cè)系統(tǒng)能夠采用容易買到的和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的雜質(zhì)傳感器，而可以不管這些傳感器的基線和響應(yīng)特性兩方面可能隨時(shí)間產(chǎn)生漂移。
作為結(jié)果，本發(fā)明的在線檢測(cè)器系統(tǒng)，可以一致性地供應(yīng)所得到的高凈化氣體，同時(shí)直接地、在線地對(duì)工藝過(guò)程氣流中的重要雜質(zhì)的濃度進(jìn)行測(cè)量。與這種檢測(cè)系統(tǒng)配合，配置在線的、符合使用目的的凈化系統(tǒng)，能使氣體凈化經(jīng)校正而得到保證，因此，對(duì)流動(dòng)氣流預(yù)定的凈化容限，可以容易地并連續(xù)地保持。
能與本發(fā)明的在線檢測(cè)器系統(tǒng)有效地聯(lián)合使用的氣體凈化系統(tǒng)的實(shí)例，包括凈化器設(shè)備，合成物(凈化劑或化學(xué)吸附劑)和方法，在美國(guó)專利中被披露和要求的專利號(hào)有4,761,395(用于凈化的合成物三氯化鉀，磷化氫，氨水和惰性氣體)；4,853,148(囟化氫凈化劑)；4,797,227(氫硒鹽凈化劑)；4,781,900(凈化三氯化鉀，磷化氫，氨水和惰性氣體的方法)；4,950,491(惰性氣體凈化用的合成物)；5,015,411(惰性氣體凈化方法)；4,865,822(氫硒鹽凈化方法)；和4,925,646(囟化氫凈化方法)；5,057,242(氟硅烷凈化用的化合物)；5,094,830(氟硅烷凈化方法)；未決申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)系列No.08/084,414(惰性和氫化氣體的凈化)；以及凈化器容器設(shè)備在美國(guó)專利中披露和要求的有No.4,723,967和No.4,738,693，所有這些都在這里被結(jié)合參考。
本發(fā)明的在線檢測(cè)器系統(tǒng)，能與任何相適應(yīng)的專用氣體雜質(zhì)濃度傳感器配用，這些傳感器提供氣流中的雜質(zhì)濃度輸出指示。這類傳感器就其特性而言，可以是濕度計(jì)的(被監(jiān)測(cè)的是含水污染例如水)，分光光度計(jì)的(基于氣流中被碰撞的射線的發(fā)射和反射)，壓電的，比色分析的等等，或者，它們可以與其他任何適合的裝置、方法或操作方式混用，如所希望的，對(duì)被監(jiān)測(cè)的流動(dòng)氣流中的所選雜質(zhì)類進(jìn)行定量測(cè)量。傳感器的工作介質(zhì)典型地是對(duì)所關(guān)心的雜質(zhì)具有束縛親合力的介質(zhì)，例如物理吸附材料。
一般來(lái)說(shuō)，在半導(dǎo)體制造工序中，最重要的雜質(zhì)類是水汽，并且氣流中出現(xiàn)水常常表現(xiàn)出工藝處理系統(tǒng)的大氣污染物。因此，在下文主要參照以水作為所關(guān)心的雜質(zhì)類的檢測(cè)，對(duì)本發(fā)明加以例證性的說(shuō)明。但是，應(yīng)該判明，以此為焦點(diǎn)僅是出于說(shuō)明的目的，而本發(fā)明對(duì)任何其他雜質(zhì)類的監(jiān)測(cè)是廣泛可實(shí)用的，只要有合適的靈敏的傳感器。雜質(zhì)類的說(shuō)明性實(shí)例和相應(yīng)的可能有用的傳感器包括但并不局限水/氧化鋁(濕度計(jì))，HCl/氧化鋁(濕度計(jì))，水/多胺(壓電檢測(cè)度)，水/P2O5(電解檢測(cè)器；具有不可逆部分)；氨水/氧化鋁(濕度計(jì))，甲醇/氧化鋁(濕度計(jì))，氧/錫氧化物(固體電極)。
盡管在線檢測(cè)器系統(tǒng)的特別結(jié)構(gòu)和功能，可以在本發(fā)明的廣泛范圍內(nèi)作廣泛的變化，這類在線檢測(cè)器系統(tǒng)必須滿足各種功能性規(guī)范，并列如下首先，檢測(cè)器系統(tǒng)對(duì)于被處理的氣流必須是無(wú)污染的。因?yàn)榱鲃?dòng)氣流在被監(jiān)測(cè)(并在那里作合適的低雜質(zhì)濃度的校驗(yàn))之后，被流向鍍敷反應(yīng)器或其他使用場(chǎng)合，來(lái)源于檢測(cè)器系統(tǒng)的任何污染將相繼地分布于整個(gè)工序系統(tǒng)。這可能對(duì)所制造的產(chǎn)品產(chǎn)生重大的和有害的影響。因此，從在線檢測(cè)器系統(tǒng)本身引來(lái)的任何雜質(zhì)應(yīng)當(dāng)是適當(dāng)?shù)偷模缭谑畠|分之幾(ppb)的范圍或更低。
因此，檢測(cè)器系統(tǒng)在機(jī)械上必須是緊固的和密封的。這個(gè)要求規(guī)定檢測(cè)器系統(tǒng)使用相應(yīng)合適的結(jié)構(gòu)材料，檢測(cè)器的系統(tǒng)零件和部件中的與氣流接觸的零件和部件要有高的表面光潔度，并且，檢測(cè)器的全部密封是面密封，不漏氣。
比較好的結(jié)構(gòu)材料是具有適配的高光潔度的不銹鋼。如果檢測(cè)器在使用和操作中產(chǎn)生任何粒子，則系統(tǒng)的組成部件中要求有粒子過(guò)濾器。
此外，檢測(cè)器系統(tǒng)應(yīng)能精確地測(cè)量工藝過(guò)程氣流中的重要的雜質(zhì)。應(yīng)用在半導(dǎo)體制造工業(yè)中的工藝過(guò)程氣流包含多于一種的雜質(zhì)，精確地測(cè)量氣流中的每一種這類雜質(zhì)是很有利的。
但是，作為一種實(shí)際考慮，沒(méi)有一種單一的傳感器能測(cè)量所有可能的雜質(zhì)。因此，監(jiān)測(cè)所有的所關(guān)心的雜質(zhì)將需要大量多重性傳感器裝置，而這樣又使得檢測(cè)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作過(guò)分地復(fù)雜。
因此，在含有多重成分雜質(zhì)的氣流中，比較好的是選擇單一的雜質(zhì)類并對(duì)它加以監(jiān)測(cè)，特別是那里被監(jiān)測(cè)的雜質(zhì)類是有限的或者是最重要的雜質(zhì)，或者那里的特定的雜質(zhì)類和出現(xiàn)在含有多重雜質(zhì)成分的氣流中的其他雜質(zhì)是定量地相關(guān)的。
如上文所指出的，半導(dǎo)體制造工序中的重要雜質(zhì)是水，并且各種水傳感器是容易買到的。與此相反，氧同樣是一種重要的雜質(zhì)，常常很少能選擇它作為工藝過(guò)程氣體的監(jiān)測(cè)目的，因?yàn)檠鮽鞲衅鞅辉S多(半導(dǎo)體制造)感興趣的氣流毒壞，以致在實(shí)際上很難買到適用的傳感器。在這方面，應(yīng)該記住所要求的傳感器寧可是低于百萬(wàn)分之幾(ppm)水平的傳感器。
應(yīng)該明了，在雜質(zhì)類對(duì)傳感器元件有可能毒害的情況下，本發(fā)明的差動(dòng)感測(cè)方式可以提供一種方法，延長(zhǎng)傳感器的壽命，它是不用這種運(yùn)作方式在實(shí)際上不可能得到的。
因此，檢測(cè)器系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有對(duì)氣體雜質(zhì)檢測(cè)的必要的靈敏度，比較好的是百萬(wàn)分之幾的水平，最好是十億分之幾的水平。
進(jìn)一步，檢測(cè)器系統(tǒng)在實(shí)質(zhì)性的時(shí)間周期內(nèi)應(yīng)當(dāng)有滿意的穩(wěn)定性，例如，至少是六個(gè)月，較好的是一年或更多的量級(jí)，而不必連續(xù)地要求重新標(biāo)定。因此，用在檢測(cè)器中的傳感器應(yīng)當(dāng)有不漂移的特點(diǎn)，或者，如果漂移不可避免地出現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)具有濃度測(cè)量的自校正手段，以便得到穩(wěn)定的和協(xié)調(diào)定量的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)氣流中的濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這種自校正手段應(yīng)當(dāng)包括基線和對(duì)已知雜質(zhì)濃度的靈敏度兩者的標(biāo)定，因?yàn)榛€和響應(yīng)特性兩者都可能隨時(shí)間漂移。
附帶地，檢測(cè)器系統(tǒng)的價(jià)格應(yīng)是適當(dāng)?shù)牡偷?，以保證快速的商業(yè)發(fā)展，檢測(cè)器系統(tǒng)可以利用經(jīng)濟(jì)的、容易買到的傳感器。
本發(fā)明的廣泛實(shí)施中通過(guò)所供應(yīng)的檢測(cè)器系統(tǒng)，適應(yīng)上述規(guī)范，在這個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)中，從流動(dòng)的氣流來(lái)的氣體(無(wú)論是這氣流的一部分或是整個(gè)氣流本身)被輸送而流過(guò)的凈化器，在其中被監(jiān)測(cè)的雜質(zhì)實(shí)際上完全從氣體中被排除。所得到的已凈化的氣體然后被感測(cè)，以提供基線濃度感測(cè)值。同時(shí)，不用上述凈化器單元作凈化處理的流動(dòng)氣流中的氣體，被輸送到雜質(zhì)濃度感測(cè)裝置。這樣提供的濃度感測(cè)值，和已凈化的氣體的雜質(zhì)濃度感測(cè)值一起，被用來(lái)提供流動(dòng)氣流雜質(zhì)濃度的標(biāo)定值。
流過(guò)凈化器并接著被感測(cè)雜質(zhì)濃度的氣體，被從檢測(cè)器系統(tǒng)排送到流動(dòng)的氣流中，沒(méi)有被凈化而被感測(cè)的氣體，同樣被從檢測(cè)器系統(tǒng)排送到流動(dòng)的氣流中。進(jìn)入而流過(guò)檢測(cè)器系統(tǒng)的氣流沒(méi)有被分流而損耗，或者相反地要求對(duì)氣流雜質(zhì)容量監(jiān)測(cè)結(jié)果的最后處置(僅有的例外是從氣體中排除而留在凈化器中的雜質(zhì)類，例如，典型地出現(xiàn)在流入凈化器的氣體中的雜質(zhì)濃度是低的，例如小于大約1000ppm，更典型的是小于100ppm)。
相應(yīng)地，檢測(cè)器系統(tǒng)所用的傳感器應(yīng)當(dāng)有一個(gè)相配的檢測(cè)低限，比較好的是不足ppm的水平，更好的低至十億分之(ppm)100，或者更低。
在前面所述各種類型的傳感器件(濕度計(jì)，分光光度計(jì)，等等)中，比較好的是壓電的類型，在壓電傳感器中，其壓電表面的特性是由于檢測(cè)器系統(tǒng)中被監(jiān)測(cè)的雜質(zhì)濃度的存在和變化而變化的。
一種特別好的壓電器件包括表面超聲波(SAW)器件，SAW器件是壓電式的電子器件，傳統(tǒng)地用作為窄頻帶濾波器，例如在高頻控制應(yīng)用中的確定頻率的元件。通過(guò)將一個(gè)信號(hào)穿過(guò)壓電的薄基片，這類器件便起超聲波的作用。超聲波的產(chǎn)生是在金屬化的交指型電極上加一個(gè)交流(AC)信號(hào)，電極則敷在基片一端的表面上。這個(gè)超聲波穿過(guò)基片發(fā)射到對(duì)稱形成在相對(duì)端上的金屬化的交指型電極(傳感器)上。接受傳感器將超聲信號(hào)變回為電信號(hào)。通過(guò)改變交指型傳感器的指間間隔，傳感器之間的間隔和基片的厚度；如熟悉這方面技術(shù)的人都知道的，以此來(lái)控制頻率、傳播延時(shí)和穿過(guò)器被發(fā)射信號(hào)的超聲波型式，可以使SAW器件的電特性滿足特定的應(yīng)用要求。
對(duì)于低水平的濕度的監(jiān)測(cè)，一種較好的傳感器類型是濕度計(jì)，其中，是對(duì)一種特性加以監(jiān)測(cè)，例如對(duì)水有較高的吸附性親合力的材料的電容。這種濕度計(jì)傳感器具有像活性傳感介質(zhì)那樣的材料例如超干氧化鋁，它以高親合力吸附水。其他可由這類濕度計(jì)傳感器感測(cè)的雜質(zhì)類包括極性化合物，例如氨水，甲醇，等等。
不論在本發(fā)明的廣泛實(shí)施中所用的雜質(zhì)濃度傳感器是何種特定類型，傳感器測(cè)量雜質(zhì)含量足夠低的重要雜質(zhì)的濃度所應(yīng)具有的靈敏度，要和檢測(cè)器系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的氣流的高凈度特性協(xié)調(diào)一致。
在線監(jiān)測(cè)器的多數(shù)半導(dǎo)體加工應(yīng)用中，感測(cè)裝置最好具有非常高的靈敏度，因?yàn)樵诔Ｒ?guī)工作條件下，出現(xiàn)在氣流中的濕氣量或其他雜質(zhì)類一般是十分低的，例如十億分之幾。高響應(yīng)度傳感器的實(shí)例包括電容性濕度計(jì)，它通過(guò)對(duì)超干氧化鋁這類對(duì)水有特別強(qiáng)的親合力的材料的電容的監(jiān)測(cè)，測(cè)量濕氣的痕跡含量。氧化鋁或其他活性傳感器材料和氣流接觸時(shí)，與它所遇到的痕跡含量相結(jié)合，表現(xiàn)為傳感器材料的電容變化。壓電的檢測(cè)器將雜質(zhì)結(jié)合到傳感器表面上的高親合力層，表現(xiàn)為薄膜由于重量變化而引起的薄膜振動(dòng)頻率的變化。
許多最高靈敏的檢測(cè)器，是通過(guò)吸附，物理聯(lián)合，聚集，或其它結(jié)合過(guò)程，與被分析物相互作用而工作的，并且，這樣的相互作用有很強(qiáng)的親合力。當(dāng)這種以物理吸附過(guò)程與被分析物相互作用的傳感器，遇到高濃度分析物，例如濕氣或其他被監(jiān)測(cè)雜質(zhì)，就象在氣體處理系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重漏泄或危害的偶然事件時(shí)那樣，在普通工作狀態(tài)下傳感器不可能足夠快地重新平衡到低雜質(zhì)水平時(shí)的工作狀態(tài)。這就可能需要一個(gè)長(zhǎng)的“干耗”時(shí)間，在這期間在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用壽命會(huì)受到嚴(yán)重的危害。這個(gè)缺陷可能是個(gè)主要問(wèn)題，如果在“失?！逼陂g，碰上氣流含有高濃度雜質(zhì)的話，這些“失?！崩?，重大的漏泄事件，氣體處理系統(tǒng)受害，偶然的錯(cuò)誤氣體流動(dòng)，汽相反應(yīng)物進(jìn)入過(guò)程，或者其它不正常狀態(tài)即傳感器材料碰上大團(tuán)的被分析物(其雜質(zhì)被監(jiān)測(cè)的)。
在對(duì)雜質(zhì)敏感的汽相操作中，例如半導(dǎo)體器件處理和光學(xué)纖維絲的汽相敷層，防止過(guò)程顯露出高雜質(zhì)濃度是嚴(yán)酷的，也是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)重要功能，所說(shuō)的高雜質(zhì)濃度在這些“失?！笔录锌赡苡龅?。在一次失常期間，濕氣或其它雜質(zhì)的濃度可能非常高。半導(dǎo)體處理器已經(jīng)表明，可以估計(jì)濕氣水平達(dá)到百萬(wàn)分之20(ppm)，這大大高于在平滑運(yùn)行時(shí)過(guò)程中遇到的十億分之幾(ppb)的水平。如果上述高靈敏的、基于吸附作用的傳感器在高雜質(zhì)水平達(dá)到平衡，它們可能要幾小時(shí)至幾天“干耗”，才會(huì)使輸出信號(hào)恢復(fù)到基線水平。
慢的恢復(fù)/響應(yīng)時(shí)間的問(wèn)題的解決，是遇到高雜質(zhì)濃度的情況時(shí)，使在線監(jiān)測(cè)器以一種差動(dòng)方式工作。在常態(tài)方式中，傳感器大多數(shù)時(shí)間面臨樣本氣體(被監(jiān)測(cè)其中雜質(zhì)水平的氣流)。傳感器的特性以常態(tài)方式工作時(shí)具有高靈敏度，輸出信號(hào)反映傳感器與氣流完全平衡。在差動(dòng)方式中，傳感器被給予凈化器方式，那就是，它在大多數(shù)時(shí)間暴露于已經(jīng)通過(guò)凈化器單元的氣流中。在一個(gè)短的時(shí)間周期中，旁通閥是打開(kāi)的。傳感器對(duì)樣本氣流作一個(gè)短時(shí)的照看。然后旁通閥被關(guān)閉，系統(tǒng)被允許恢復(fù)。然后重復(fù)循環(huán)。利用短暫地暴露于高雜質(zhì)樣本氣流之中所得的輸出信號(hào)，系統(tǒng)再將雜質(zhì)濃度的變化外推至平衡值。
利用物理吸附性與分析物相互作用的傳感材料，例如濕度計(jì)或SAW器件，其行為表現(xiàn)如同海綿。如果長(zhǎng)時(shí)間使海綿處于水霧之中，轉(zhuǎn)至干燥氣體中將需要長(zhǎng)的時(shí)間周期才能使海綿干透。如果海綿被很短暫地噴以水霧，轉(zhuǎn)至干燥氣流之中，很快就會(huì)恢復(fù)。
差動(dòng)方式運(yùn)行的關(guān)鍵是提供傳感器材料外表上的平衡，而不是總體的平衡。測(cè)量是在傳感器材料的動(dòng)態(tài)接觸平衡狀態(tài)下進(jìn)行的，而不是靜態(tài)平衡，那里，動(dòng)態(tài)接觸平衡是表面平衡現(xiàn)象，靜態(tài)平靜是總體平衡條件。在線檢測(cè)器的構(gòu)成，使它能有選擇地、交替地和重復(fù)地使來(lái)自被監(jiān)測(cè)氣流的氣流，在一個(gè)重復(fù)循環(huán)中，以第一可選時(shí)間周期t1流經(jīng)氣體凈化器單元，繼而以第二可選時(shí)間周期t2流經(jīng)雜質(zhì)感測(cè)單元。時(shí)間t1的選擇使傳感器以足夠的時(shí)間面臨已凈化的氣體，以便精確地標(biāo)定基線濃度，在實(shí)際上允許基線有某些漂移，因?yàn)楸粶y(cè)量的雜質(zhì)濃度是不同的。時(shí)間t2的選擇，允許實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡但不是靜態(tài)平衡，因此，檢測(cè)器能快得多地與低雜質(zhì)濃度的氣流平衡，而不改變它的響應(yīng)特性。被監(jiān)測(cè)的氣流的雜質(zhì)的實(shí)際濃度是通過(guò)將雜質(zhì)濃度的變化外推至平衡值而得來(lái)的。
循環(huán)時(shí)間將取決于雜質(zhì)類和傳感器的性質(zhì)，感測(cè)的吸附性親合力或雜質(zhì)的結(jié)合介質(zhì)，氣流速度，與感測(cè)介質(zhì)接觸時(shí)間，以及其他系統(tǒng)參數(shù)。對(duì)于包含對(duì)雜質(zhì)類有強(qiáng)的吸附性親合力的結(jié)合介質(zhì)的傳感器來(lái)說(shuō)，結(jié)合介質(zhì)典型地暴露于樣本氣體中的時(shí)間周期；比暴露于已凈化氣流(或“零位氣體”)中的時(shí)間，要少許多倍，少5-100倍的量級(jí)。例如，結(jié)合介質(zhì)能暴露于樣本氣體的時(shí)間是幾秒鐘至幾分鐘，例如10-60秒，而暴露于零位氣體的時(shí)間在幾分鐘至幾十分鐘的量級(jí)，例如3-30分鐘。
現(xiàn)在來(lái)看圖，圖1是包括在線檢測(cè)器組件102在內(nèi)的在線檢測(cè)系統(tǒng)100的示意圖。管道104與檢測(cè)器組件相連，并向組件輸送高純度氣流，用于監(jiān)測(cè)其中重要的雜質(zhì)類的濃度。被監(jiān)測(cè)的氣體從檢測(cè)器組件被輸送到管道103并流過(guò)流體控制器105，流體控制器通過(guò)流體控制信號(hào)線107，以信號(hào)傳輸關(guān)系與檢測(cè)器組件相連。如果對(duì)重要的雜質(zhì)類的檢測(cè)顯示其濃度超過(guò)規(guī)定限值，流體控制器105就將氣流轉(zhuǎn)向進(jìn)入旁通管線107a并流入氣體洗滌或凈化設(shè)備109，在其中將雜質(zhì)類清除至低于規(guī)定的最高濃度值。被洗滌的氣體結(jié)果經(jīng)過(guò)管線111進(jìn)入工藝過(guò)程用的氣體供應(yīng)管線113，并被送入汽相處理設(shè)備115。
如果由檢測(cè)器組件102監(jiān)測(cè)的重要雜質(zhì)類的濃度，在可允許的規(guī)定限值以內(nèi)，在管線103中的氣流就從控制器105通過(guò)，進(jìn)入供應(yīng)管線113，順流而下至終端使用設(shè)備115。設(shè)備115包括例如化學(xué)蒸法鍍敷反應(yīng)器或其他合適的下行流程處理設(shè)備。
控制器108通過(guò)信號(hào)線106與在線檢測(cè)器組件102相連，形成信號(hào)傳輸和接受的關(guān)系。這個(gè)控制器可包括光電轉(zhuǎn)換器，數(shù)字/模擬電路等等，在線檢測(cè)器組件102對(duì)雜質(zhì)類的感測(cè)結(jié)果可通過(guò)它們轉(zhuǎn)換為處理信號(hào)。這個(gè)處理信號(hào)經(jīng)信號(hào)傳輸手段110被輸送到包含中央處理單元114和監(jiān)視器或顯示器116在內(nèi)的數(shù)字計(jì)算機(jī)112。另一種方法是，計(jì)算機(jī)112被代之以微處理器，可編程邏輯裝置，或其他一些并入或整裝于控制器108的計(jì)算裝置。
在圖1系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，裝有一個(gè)或幾個(gè)傳感器的在線檢測(cè)器組件102，被用來(lái)感測(cè)氣流中的重要雜質(zhì)類的濃度，以及來(lái)自氣流的已經(jīng)過(guò)凈化的氣體中的重要雜質(zhì)類的濃度。
這些各別的濃度感測(cè)結(jié)果，隨后通過(guò)信號(hào)傳輸手段106被送至控制器108，并為了計(jì)算而被轉(zhuǎn)換成必需的形式(處理信號(hào)的形式)。處理信號(hào)通過(guò)處理信號(hào)傳輸手段110被送至數(shù)字計(jì)算機(jī)112，用以確定在線、實(shí)時(shí)濃度值，作為已由凈化氣體校正(規(guī)范)過(guò)的(雜質(zhì)濃度感測(cè))值。
根據(jù)對(duì)流過(guò)在線檢測(cè)器的主體氣流中的被凈化的氣流所含重要雜質(zhì)類的相應(yīng)的感測(cè)結(jié)果，對(duì)氣流中的重要雜質(zhì)類的感測(cè)進(jìn)行規(guī)范化(校正)，是本發(fā)明的一個(gè)重要方面，這可以消除在線檢測(cè)系統(tǒng)在持續(xù)不斷的運(yùn)作過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題所引起的傳感器“漂移”。因此，對(duì)于本發(fā)明在廣泛實(shí)施中傳感器所希望的高靈敏度，例如低于百萬(wàn)分之1000，較好的是低于百萬(wàn)分之100，更好的是低于百萬(wàn)分之10，最好的是低于百萬(wàn)分之一，傳感器必定有隨時(shí)間漂移(精度變化)的傾向。在連續(xù)運(yùn)行或近于連續(xù)運(yùn)行的半導(dǎo)體制造廠里，氣體以持續(xù)不斷的時(shí)間周期流過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)，這種漂移傾向確實(shí)明顯?；€信號(hào)和響應(yīng)特性兩者都會(huì)隨時(shí)間而漂移。傳感器的靈敏度和精度的這種隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象，如果不連續(xù)地進(jìn)行校正，就會(huì)在不知不覺(jué)中加劇，導(dǎo)致氣體雜質(zhì)濃度超過(guò)常態(tài)規(guī)定限值，而并不會(huì)被判定為“失?！?。由此，在其后的汽相處理工序中，會(huì)引起超量雜質(zhì)出現(xiàn)在鍍敷于基體上的敷層和薄膜上。其結(jié)果是大量雜質(zhì)類摻雜在產(chǎn)品器件中，使它們就期望的目的來(lái)說(shuō)變得是有缺陷的，或者甚至是無(wú)用的。
在本發(fā)明的實(shí)施中，檢測(cè)系統(tǒng)中與高靈敏度傳感器有關(guān)的基線漂移問(wèn)題，是自行校正的，是以在線方式將來(lái)自主體氣流的氣體凈化之后，感測(cè)其雜質(zhì)類的濃度，然后，以這種已凈化的氣體的雜質(zhì)感測(cè)結(jié)果，作為(未凈化的)主體氣流的雜質(zhì)感測(cè)結(jié)果的校正值或處理?xiàng)l件。
在本發(fā)明的實(shí)施中，連系傳感器基線的自校正，檢測(cè)系統(tǒng)中傳感器的響應(yīng)特性的任何漂移也能夠進(jìn)行自校正，方法是給傳感器送一種或幾種已知的雜質(zhì)類的濃度，用這種方法，傳感器的響應(yīng)特性可以重新計(jì)算。基線和響應(yīng)特性兩者的重新標(biāo)定可以周期地進(jìn)行，不需要把傳感器卸出線外。
這里所說(shuō)的“在線檢測(cè)”的意義是對(duì)所關(guān)心的氣流進(jìn)行雜質(zhì)濃度感測(cè)，并且，至少其中的一部分被凈化，以提供一個(gè)基線雜質(zhì)濃度的感測(cè)結(jié)果，兩種感測(cè)在相同的場(chǎng)所進(jìn)行，在感測(cè)環(huán)路中的任何氣體都被改道進(jìn)入主體氣流之中，以便最終輸送至下行流程處理設(shè)備，例如化學(xué)蒸法鍍敷反應(yīng)器。
現(xiàn)在參看圖2，所示為在線檢測(cè)器組件200的透視圖，包括一端配有進(jìn)口管接頭204的進(jìn)口管道202，以及以流動(dòng)關(guān)系相連的、配有出口管接頭206的出口管道205。凈化器208以流入關(guān)系通過(guò)凈化器輸入管道205。凈化器208以流入關(guān)系通過(guò)凈化器輸入管道210，與主管道202相連。
通過(guò)有關(guān)的進(jìn)口管和出口管接頭204和206，在線檢測(cè)組件200，可以在線方式與氣流連通，氣流最終被輸送至化學(xué)蒸法鍍敷(CVD)反應(yīng)器，或其他汽相處理設(shè)備。
如下面所表明的，識(shí)別檢測(cè)器系統(tǒng)的一個(gè)部件“以流入關(guān)系”連接于系統(tǒng)的另一個(gè)部件，意味著這些部件是這樣來(lái)構(gòu)成和安排的，即氣流從第一次提到的部件流向第二次提到的部件。相應(yīng)地，識(shí)別檢測(cè)器系統(tǒng)部件“以流出關(guān)系”連接于另一個(gè)系統(tǒng)部件，意味著氣流從第一次提到的部件被輸出(經(jīng)過(guò)任何適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)傳遞裝置)到第二次提到的系統(tǒng)部件。
在凈化器輸入管道210的下行流程中，緊靠出口管接頭206處，配置雜質(zhì)傳感器部212，帶有上接頭214。借助于上接頭214，傳感器部可與適當(dāng)?shù)膫鞲衅飨噙B，例如檢測(cè)水汽的濕度計(jì)傳感器，或者檢測(cè)水、氮氧化物、氫硫化物或其他所關(guān)心的重要雜質(zhì)。傳感器部212通過(guò)氣流管道216，與出口管接頭206相連。
凈化器單元208，根據(jù)雜質(zhì)情況，可包括填有合適的凈化劑材料床的氣密容器。凈化劑材料可包括例如在美國(guó)專利(U.S.Patents)4,761,395；4,853,148；4,797,227中披露的一種凈化劑類型，在美國(guó)專利4,723,967或美國(guó)專利4,738,693中披露和要求的一種凈化器容器類型。如果希望，凈化器容器208可適當(dāng)配置壓力傳感器部218，用以測(cè)量?jī)艋鲉卧械膲毫Α艋魅萜?08還設(shè)有一個(gè)輸出口220，已凈化的氣體通過(guò)這個(gè)出口從凈化器單元輸出。
圖2中所示檢測(cè)器組件進(jìn)一步包括多支管222，通過(guò)水平管道224和226，使凈化器單元208和傳感器部212互相連接。水平管道226通過(guò)多支管222也連接到進(jìn)口管道202。在多支管222上，位于管道224，226和202的交會(huì)處，裝設(shè)一個(gè)開(kāi)關(guān)閥230。這個(gè)閥最好是自動(dòng)控制類型的，可有選擇地開(kāi)關(guān)，(1)在第一位置，使氣流經(jīng)多支管的管道224和226，從凈化器單元208流至傳感器部212和(2)在第二位置，使氣流從主流管道202流向多支管，并經(jīng)水平管道226流入傳感器部212。
安裝在凈化器208內(nèi)的是兩個(gè)流體限制器(未示)，它的作用是保持凈化器的凈化劑床和調(diào)節(jié)經(jīng)過(guò)凈化器的氣流路徑上的壓降。這些流體限制器可以是任意的適當(dāng)類型，即適合于在檢測(cè)器系統(tǒng)中提供必要的流阻和壓降特性。這些流體限制器的流阻特性可包括不同的壓降，如這里對(duì)檢測(cè)器系統(tǒng)的說(shuō)明那樣。另一種情況是，在某些實(shí)例中，可希望流體限制器的流阻特性是相同的。流體限制器比較好的是包括圓盤形的元件，或“燒結(jié)物”，由燒結(jié)金屬，多孔陶瓷，或其他可滲流的介質(zhì)構(gòu)成，這種介質(zhì)與氣流的組分相容，并在壓降和流阻特性方面對(duì)預(yù)定的目的是有效力的。
比較好的限制器構(gòu)件包括不銹鋼燒結(jié)物，可以從Mott Corporation(Farmington，Connecticut)買到。這種元件比較好的是平均氣孔尺寸為5-100微米的圓盤。
圖2所示系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，主氣流管道202的進(jìn)口管接頭204，可與主體氣流進(jìn)入檢測(cè)器系統(tǒng)所流經(jīng)的管道相連，這種管道的出口管接頭206，以類似方法與輸送主體氣流到下行流程處理設(shè)備的管道相連。由凈化器的凈化劑樹(shù)脂床和定位保持凈化劑樹(shù)脂床的流體限制器所造成的反壓力，引起某些氣體流經(jīng)凈化器輸入管道210，某些氣體則繼續(xù)流經(jīng)管道202和多支管222，這取決于開(kāi)關(guān)閥230的設(shè)定。開(kāi)關(guān)閥合適地連接于自動(dòng)控制器裝置(未示)，例如微處理器控制的對(duì)閥的定時(shí)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。開(kāi)關(guān)閥可以是任何適當(dāng)?shù)念愋?，比較好的類型包括氣動(dòng)閥和電控的電磁閥。
凈化器內(nèi)的流體限制器提供凈化劑或其他吸附劑材料的容器，這種材料以床的形式被設(shè)置在凈化器單元208內(nèi)。如果沒(méi)有流體限制器，凈化器單元內(nèi)流過(guò)凈化劑或吸附劑材料床的氣體流動(dòng)的結(jié)果，散粒相反地容易受流動(dòng)的影響，而進(jìn)入輸入管道210或多支管的管道224。另外，流體限制器為由輸入管道210，凈化器單元208，輸出口220和多支管222的管道224和226所形成的凈化器環(huán)路提供反壓力。
當(dāng)開(kāi)關(guān)閥230被有選擇地定位在第一位置時(shí)，來(lái)自在管道202中的主體氣流的氣體，經(jīng)過(guò)凈化器單元輸入管道210進(jìn)入凈化器單元208，在那里，氣體中的雜質(zhì)類被清除，產(chǎn)生雜質(zhì)減少了的氣流。這個(gè)已被凈化的氣流，從凈化器單元排放到輸出口220，并經(jīng)過(guò)管道224和226進(jìn)入傳感器部212，由傳感器(未示)感測(cè)，傳感器在運(yùn)行時(shí)通過(guò)連接裝置214與傳感器部相連。
如果開(kāi)關(guān)閥被置于第二位置，管道202中的氣流將回避凈化器環(huán)路，氣體將流經(jīng)多支管的管道202和226，進(jìn)入傳感器部212，以便對(duì)氣流中的雜質(zhì)進(jìn)行感測(cè)。不管進(jìn)入傳感器部212的氣體是經(jīng)過(guò)凈化器環(huán)路，或者是經(jīng)過(guò)多支管道202和226，氣體都從那里被送至出氣口管道，以便經(jīng)過(guò)出口管接頭206輸進(jìn)連接管道(未示)，并被輸送至下行流程處理設(shè)備。
通過(guò)這種配置，檢測(cè)器組件中的全部氣流都可被一個(gè)單一的閥操縱。傳感器部212可和適當(dāng)?shù)膫鞲衅飨噙B，例如通過(guò)傳感器連接器214和氧化鋁濕度計(jì)傳感器相連。
利用圖2中的檢測(cè)器組件對(duì)氣體雜質(zhì)濃度進(jìn)行檢測(cè)，不會(huì)有浪費(fèi)的氣流。從主流動(dòng)管道經(jīng)過(guò)傳感器部流動(dòng)的全部氣流，都會(huì)返回到主體氣流之中而沒(méi)有損失。進(jìn)一步，檢測(cè)器組件包括一個(gè)提供無(wú)漂移測(cè)量零點(diǎn)的凈化器單元。因此，在檢測(cè)器組件工作過(guò)程中，有可能連續(xù)地校正傳感器，從而提供一個(gè)在持久的期間穩(wěn)定運(yùn)行的感測(cè)系統(tǒng)。此外，由于來(lái)自主體氣流的含雜質(zhì)氣體以及由凈化器單元送出的雜質(zhì)減少的氣體，順序地流過(guò)共同的傳感器部，所以使用單一的傳感器更為方便，可避免由于使用多個(gè)傳感器造成精度和靈敏度的漂移不同所帶來(lái)的一些問(wèn)題。
盡管使用單一的傳感器與本發(fā)明的在線檢測(cè)組件相連，可較好地實(shí)施本發(fā)明，并通過(guò)圖2所示的檢測(cè)器組件作為例子說(shuō)明，本發(fā)明也可以實(shí)現(xiàn)與多個(gè)傳感器連用，如將在此后更多的說(shuō)明那樣。要識(shí)別的是，使用多個(gè)傳感器，由于上述漂移現(xiàn)象，會(huì)要求周期性的重新標(biāo)定，以保持對(duì)流過(guò)檢測(cè)器組件的氣流中的氣體雜質(zhì)進(jìn)行精確的和可靠的監(jiān)測(cè)。
現(xiàn)在參看圖3，由圖2所示的那種類型的檢測(cè)器組件300，在單元?dú)んw310內(nèi)構(gòu)成，如所示的是方塊那樣的形狀。進(jìn)口部304和出口部306分別通過(guò)凸緣305和307栓接在主殼體310上。凈化器318從殼體310向外伸展。凸起部330保持傳感器定位于殼體310內(nèi)，并且從凸起部330伸出電導(dǎo)線331，將傳感器來(lái)的信號(hào)送到信號(hào)顯示裝置或響應(yīng)信號(hào)的控制器單元。氣口332是一個(gè)空氣供應(yīng)入口，提供壓縮空氣操作殼體300內(nèi)的一個(gè)氣動(dòng)閥(未示，與圖2中的閥230對(duì)應(yīng))。通過(guò)這種配置，整個(gè)檢測(cè)器組件300表現(xiàn)為單一的，容易安裝的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)易于展布，在線，在主體氣流中檢測(cè)那里的雜質(zhì)濃度。
接頭304和306可以是許多合適類型中的任間類型，包括VCR，VCO或Swagelok，根據(jù)應(yīng)用要求配用于氣體流動(dòng)裝置中。由于凸緣305和307用作連接接頭和殼體310的工具，在現(xiàn)用接頭的選擇中可以有很大的靈活性，并不顯露在線檢測(cè)器組件的關(guān)鍵性特征。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的檢測(cè)系統(tǒng)400的透視圖。這個(gè)實(shí)例提供在已知雜質(zhì)類的濃度的條件下，傳感器基線的標(biāo)定和檢測(cè)器靈敏度的標(biāo)定，所提供的氣流的流速是已知的，并且是不變的。
如所說(shuō)明，檢測(cè)器組件400包括一個(gè)殼體410，其內(nèi)部裝有閥，氣體流通管道和傳感器，其上部是伸展的雜質(zhì)源450和凈化器408。在標(biāo)準(zhǔn)傳感方式運(yùn)作中，閥421和422處于打開(kāi)位置。氣流從入口404進(jìn)入檢測(cè)器組件，并如下所述流過(guò)檢測(cè)器組件經(jīng)過(guò)氣流管道405，垂直氣流管道407，開(kāi)閥421，氣流管道417，氣流管道409，氣流管道411，開(kāi)閥422，氣流管道413，氣流管道415，流進(jìn)傳感器412周圍空間并接觸傳感器至出口406。傳感器412產(chǎn)生響應(yīng)雜質(zhì)的信號(hào)，并被送到信號(hào)顯示裝置或處理信號(hào)的控制器單元。
在基線標(biāo)定方式中，閥421處于打開(kāi)位置，而閥422被關(guān)閉。氣流從入口404進(jìn)入檢測(cè)器組件，并如下所述流過(guò)檢測(cè)器組件經(jīng)過(guò)氣流管道405，垂直氣流管道407，開(kāi)閥421，氣流管道417，氣流管道409，氣流管道411，進(jìn)入燒結(jié)物463周圍空間，并進(jìn)入凈化器的凈化劑床408，在那里雜質(zhì)被清除至基線水平，經(jīng)燒結(jié)物464并進(jìn)入氣流管道413，氣流管道415，流進(jìn)傳感器412周圍空間并接觸傳感器，至出口406。
在高位標(biāo)定方式中，閥421處于關(guān)閉位置，而閥422被打開(kāi)。氣流從入口404進(jìn)入檢測(cè)器組件，并如下所述流過(guò)檢測(cè)器組件經(jīng)過(guò)氣流管道405，垂直氣流管道407，進(jìn)入燒結(jié)物461下面的空間，經(jīng)過(guò)燒結(jié)物461，經(jīng)過(guò)雜質(zhì)源床450，氣流在那里達(dá)到已知的雜質(zhì)濃度，經(jīng)過(guò)燒結(jié)物462并進(jìn)入燒結(jié)物462上面的空間，下降氣流管道403經(jīng)過(guò)節(jié)制閘，經(jīng)過(guò)氣流管道417，氣流管道409，氣流管道411，經(jīng)過(guò)開(kāi)閥422并進(jìn)入氣流管道413，氣流管道415，流入傳感器412周圍空間并接觸傳感器，至出口406。
在基線標(biāo)定方式中，凈化器408將雜質(zhì)清除至基線或“零點(diǎn)”水平，所述凈化器可以是如前面就圖2所述的那種類型。所以，在這種方式中所得到的信號(hào)，可以用來(lái)校正基線的任何漂移。在高位標(biāo)定方式中所得到的值，可以類似地用來(lái)校正傳感器的響應(yīng)特性曲線的斜率的任何漂移。
雜質(zhì)源床450的用處是為了高位標(biāo)定時(shí)，給氣流加上已知濃度的雜質(zhì)，雜質(zhì)源床必須能快速地與被給予雜質(zhì)濃度的氣體處于平衡狀態(tài)，雜質(zhì)濃度是溫度的已知函數(shù)，這種函數(shù)關(guān)系在在線檢測(cè)器的整個(gè)使用壽命期間，從測(cè)量的角度說(shuō)是不變化的。另外，為了標(biāo)定有效用，雜質(zhì)源床給出的雜質(zhì)濃度，必須在常規(guī)傳感方式下在線檢測(cè)器所測(cè)得的雜質(zhì)濃度的范圍以內(nèi)。雜質(zhì)源床必須從被檢測(cè)的雜質(zhì)的特性角度加以選擇。
在許多制造過(guò)程包括半導(dǎo)體器件制造，水雜質(zhì)是關(guān)鍵性的，在水雜質(zhì)的情況下，沸石分子篩是合適的雜質(zhì)源床材料。沸石分子篩具有高的容水能力，在重量的百分之十的范圍內(nèi)；另外，在有關(guān)的溫度下，與水的適當(dāng)?shù)牡偷乃麎毫ο嗥胶?。通過(guò)查閱大量有效的平衡等溫線表，可以找到與帶有已知量的水負(fù)載的沸石分子篩相平衡的水汽壓力。這些等溫線在可能用到的溫度的廣泛范圍內(nèi)是可以利用的，例如從-20℃到100℃-200℃(見(jiàn)Davison Molecular Sieves Adsoption Equilibria，由W.R.Grace & co.，Davison chemical Division提供的產(chǎn)品文獻(xiàn)(Product Literature))。下面的表格是標(biāo)定半導(dǎo)體處理氣流中的水雜質(zhì)所用的，合適的沸石分子篩床的示例。從每種沸石在25℃下的等溫線得到平衡水汽壓力。
從這個(gè)表面中可以看出，這些沸石分子篩床能在所關(guān)心的范圍內(nèi)提供雜質(zhì)濃度。另外，加進(jìn)沸石中的水量，比沸石收取或貢獻(xiàn)于含有1-50ppm的典型的水雜質(zhì)氣流的水量大。舉一例子，考慮含有10ppm水的氣流，流過(guò)由帶8％重量比的水負(fù)載的10克沸石4A組成的雜質(zhì)源床。水汽壓力在與這個(gè)床處于平衡狀態(tài)時(shí)為0.018mmHg，或者，為大氣壓(760mmHg)的23ppm。如果30升氣體流過(guò)沸石4A并快速與之平衡，沸石所損失的水量將是≤3×10-4克，與原始含水量0.8克相比，是非常小的值。
從另一方面說(shuō)，如果含有40ppm水雜質(zhì)的30升氣流流過(guò)同樣的沸石床并快速與之平衡，加至沸石的水量將是≤0.4×10-4克。因此，如果氣流所含雜質(zhì)在相同的近似濃度范圍內(nèi)，沸石向氣流提供不變的雜質(zhì)濃度水平以供標(biāo)定的能力，不會(huì)因接觸氣流而受到影響。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例檢測(cè)系統(tǒng)500的示意圖，與圖4的檢測(cè)器系統(tǒng)類似，并且其中與前面就圖4所表示和說(shuō)明的系統(tǒng)相應(yīng)的所有零件和部件，標(biāo)以相應(yīng)的數(shù)字，但在與圖4相同或相似的零件或部件上標(biāo)號(hào)數(shù)字增加100。這個(gè)實(shí)施例提供在多個(gè)已知的雜質(zhì)濃度點(diǎn)上標(biāo)定傳感器基線和檢測(cè)器靈敏度，為此配置的質(zhì)量流控制器或其他流動(dòng)控制裝置，提供可控制和可測(cè)量的氣流流動(dòng)速率。在多個(gè)雜質(zhì)濃度上進(jìn)行標(biāo)定的能力是所希望的，因?yàn)樵S多高靈敏的傳感器元件的響應(yīng)特性是非線性的。另外，在線檢測(cè)器也就可以在不止一個(gè)濃度工況下精確地被標(biāo)定，以適應(yīng)條件的變化。
圖5中的檢測(cè)器系統(tǒng)的運(yùn)作，與圖4中的檢測(cè)器系統(tǒng)類似，關(guān)鍵的不同之處在于，不是提供雜質(zhì)源床給氣流以一個(gè)已知的雜質(zhì)濃度，圖5中的檢測(cè)器系統(tǒng)包括例如一個(gè)或多個(gè)滲透管550那樣的雜質(zhì)源，這種雜質(zhì)源在常溫下以不變的速率提供雜質(zhì)。因此，氣流中的雜質(zhì)濃度可通過(guò)改變氣流流動(dòng)速度加以控制。
表面超聲波(SAW)裝置可被利用于圖4和5中的檢測(cè)器系統(tǒng)。在本發(fā)明的大量實(shí)施例中，SAN裝置有效地被用作化學(xué)傳感器，這是由于它們對(duì)于處于聲波發(fā)射路徑中的原子和分子被結(jié)合于SAW裝置的表面所引起的變化，有響應(yīng)的能力。SAW裝置的響應(yīng)可以是表面波幅度衰減的形式，或者更普遍的是波速的變化。這些變化起因于被結(jié)合材料的厚表面層的結(jié)構(gòu)(在本發(fā)明所用的SAW裝置中，是被結(jié)合在親合襯底的雜質(zhì)層)，它不同于SAW襯底，所述襯底就彈性，質(zhì)量密度，粘性和/或?qū)щ娦远?，缺少這類被結(jié)合的雜質(zhì)類。
SAW裝置可用作傳感器，也可用于感測(cè)淀積于SAW親合表面上的液體。在感測(cè)氣體時(shí)，常用雷利表面波型聲波；對(duì)液體感測(cè)時(shí)，各種聲波形態(tài)都可使用，包括雷利型，水平剪切板型，或平板型聲波。在本發(fā)明的大量實(shí)施中，對(duì)于氣體雜質(zhì)的感測(cè)，雷利型氣體傳感器較好地被使用。雷利型波產(chǎn)生最高的質(zhì)量響應(yīng)靈敏度，并且工作模式是用于氣體感測(cè)，那里波的衰減不是一個(gè)問(wèn)題。
在氣體雜質(zhì)感測(cè)應(yīng)用中，SAW裝置的高靈敏度是十分有名的并且是既定的技術(shù)，已發(fā)表的各種報(bào)告說(shuō)明SAW裝置在含有特定雜質(zhì)的氣流中的應(yīng)用。例如，Vetelino，J.F.，et al，IEEETrans Ultrason.，F(xiàn)erroelec.Freq.control，UFFC-34(2)，156-161(1987)描述有WO3表面敷層的SAW裝置用于感測(cè)硫化氫，靈敏度可達(dá)小于10ppm的硫化氫濃度。Venema，A.，et al，IEEE Trans.Ultrason.，F(xiàn)erroelec.Freq.Control，UFFC-34(2)，148-155(1987)報(bào)告，在SAW裝置上使用銅酞菁敷層，一種有機(jī)物半導(dǎo)體，用以感測(cè)二氧化氮(NO2)，其閾值檢測(cè)靈敏度為500Vui。這兩個(gè)被報(bào)告的應(yīng)用，包含使用雙SAW裝置的結(jié)構(gòu)，以平衡非特征效應(yīng)。
參考在圖4或5的檢測(cè)器系統(tǒng)SAW裝置傳感器元件中可使用的特定雜質(zhì)結(jié)合敷層，可接受的敷層必須符合下列規(guī)范。
(1)敷層在所關(guān)心的適當(dāng)濃度范圍(例如，水在10-100ppb的范圍)內(nèi)必須能可逆地結(jié)合雜質(zhì)類；(2)存在有關(guān)活性氣體的情況下，敷層必須能結(jié)合雜質(zhì)，工藝過(guò)程用的氣流的干擾應(yīng)為最??；(3)敷層對(duì)有關(guān)的氣流必須是無(wú)污染的；(4)敷層必須在持久的時(shí)間周期內(nèi)是穩(wěn)定的；以及(5)敷層必須是能容易地和可再生地使用于SAW裝置的傳感表面。
即使是考慮單一的雜質(zhì)類，例如水，顯然可見(jiàn)，不存在一種對(duì)所有有關(guān)的包含這種(水)雜質(zhì)的氣流都通用的測(cè)濕敷層。在水作為雜質(zhì)的情況下，可以期望惰性氣體和周期表上的IV-IV組元素的氫化物氣體能使用相同的濕氣親合敷層。但是，用于感測(cè)囟化氫氣體中的水雜質(zhì)的雜質(zhì)親合敷層是不相同的。
在惰性和氫化物活性氣體(包括那些在IV-IV組內(nèi)的元素)的情況下，聚(乙烯胺)敷層有可能有效地用于本發(fā)明的廣泛實(shí)施中，這種敷層符合上面所列的規(guī)范(1)-(5)。胺被周知能可逆地結(jié)合水，事實(shí)上，胺敷層被用于上述DuPont 5700 Moisture Analyze(濕度分析計(jì))，據(jù)記載其靈敏度在100ppb的范圍，并且已被成功地應(yīng)用于惰性氣體和砷化氫濕氣傳感裝置。
聚(乙烯胺)的分子量是有希望地足夠高，所以聚合物沒(méi)有明顯的水汽壓力，而水氣壓力會(huì)對(duì)被感測(cè)其雜質(zhì)濃度的氣流產(chǎn)生污染。聚(乙烯胺)聚合物在氫化物氣體中是不可裂變的，所以這種聚合物在被監(jiān)測(cè)的氣流中是無(wú)污染的。
另外，聚(乙烯胺)類可溶于極性溶劑中，所以它們易于涂敷到SAW裝置的表面上，例如用這類聚合物的極性溶劑的溶液作旋轉(zhuǎn)式涂敷。合適的聚合(乙烯胺)可以從Polysciences，Inc.(Warrington，PA)買到，并且可以有效地以買到的形態(tài)使用，使之溶解于極性溶劑中，并用適當(dāng)?shù)耐糠蠹夹g(shù)例如旋轉(zhuǎn)式涂敷法，涂敷到傳感器表面。
當(dāng)濕氣是在鹵化氫氣流中所要感測(cè)的重要雜質(zhì)時(shí)，適合于SAW裝置親合表面的涂敷材料包括聚(乙烯磺酸)。這種材料和上面討論的聚(乙烯胺)是酸等效的，并可有效地用作氫化物氣體設(shè)備中的SAW裝置的親合表面敷層。聚(乙烯磺酸)可以從Polysciences，Inc.買到，并且能以買到的形態(tài)使用，使之溶解于極性溶劑中，并用例如旋轉(zhuǎn)式涂敷的方法，涂敷到SAW裝置的感測(cè)表面。
前面說(shuō)明的用于涂敷WSA裝置的傳感器表面的聚合物材料，可以用它的水溶液作旋轉(zhuǎn)式涂敷。
SAW裝置以雜質(zhì)親合層或薄膜涂敷以后，它的檢測(cè)性能可用已標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)，例如參照前面的圖6所表示和說(shuō)明的標(biāo)定裝置600進(jìn)行測(cè)試。在這種標(biāo)定測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試敷導(dǎo)的響應(yīng)特性，并且，如果需要獲得本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)所要求的，理想的，高靈敏的，穩(wěn)定的和能再生的傳感器敷層，所述被測(cè)試的敷層要進(jìn)行更換。
圖6是一個(gè)雜質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定裝置600的簡(jiǎn)略示意圖，裝置600可應(yīng)用在本發(fā)明的實(shí)施例中，例如用作圖5中的雜質(zhì)源550。如圖6所示，裝置600包括一個(gè)容器602，其中裝有雜質(zhì)組成物液體606。在雜質(zhì)液體的上方是汽化的空間608，以汽化流動(dòng)與滲透管604相聯(lián)系，滲透管由可滲透的膜材料制成，可允許雜質(zhì)彌散而出，進(jìn)入圍繞滲透管的氣體之中。滲透管可以用具有已知并可控制的滲透特性的適當(dāng)?shù)木酆衔锊牧现圃?，例如四氟乙烯，或其它適當(dāng)?shù)木酆衔锘蛄硗獾姆蔷酆衔锊牧稀?br> 與半導(dǎo)體制造工序中臨界狀態(tài)的水是一種雜質(zhì)類相協(xié)調(diào)，圖6所示的標(biāo)定裝置600可適當(dāng)?shù)厥⒀b一定量的水作為液體606。由于滲透管604的均質(zhì)結(jié)構(gòu)，在恒定溫度下的彌散物(水)也是一定的。水汽逸出滲透管，經(jīng)過(guò)其沿長(zhǎng)度方向上的表面，然后流入載體氣體，例如事先已凈化(相對(duì)于其中的雜質(zhì)而言)的氣流，提供恒定的濃度已知的雜質(zhì)，用來(lái)標(biāo)定本發(fā)明實(shí)施中用的SAW裝置或其它傳感器元件。圖6所示的標(biāo)定裝置600提供一種簡(jiǎn)單的可縮小的裝置，可供應(yīng)已知的雜質(zhì)水平為sub-ppm的濃度。
標(biāo)定裝置的滲透管604本身的標(biāo)定可以用重量法，也可以用測(cè)量容器602中的液體606的水平面的方法，利用可買到的掃描濕度分析計(jì)，例如可從E.I.Dupont de Nemours and Company(Wilmington，DE)買到的DuPont 5700濕度分析計(jì)，它能檢測(cè)低至10ppb的濕度水平。
圖7表示濕度計(jì)傳感器被置于含有高濃度和低濃度濕氣的惰性氣流中所測(cè)得的輸出信號(hào)與時(shí)間的關(guān)系曲線。前端的數(shù)據(jù)是用12-比特的a/d轉(zhuǎn)換器采集得來(lái)的。被采集到的數(shù)據(jù)按比特?cái)?shù)繪圖，不作線性化處理。濕度計(jì)被置于每分鐘2升的惰性氣流中，其濕度為1.6ppm和0.3ppm。旁通閥循環(huán)地提供30秒樣本氣體和10分鐘無(wú)氣體。在1.6ppm濕度下，暴露30秒，可觀測(cè)到信號(hào)變化約20比特，在300ppb溫度下暴露30秒，可觀測(cè)到信號(hào)變化約4比特。就這種傳感器和污染情況來(lái)說(shuō)，這一技術(shù)的限制大約是300ppb。低于這一水平，信號(hào)只有很小的變化。
在1.6和0.3ppm之間的切換，大約在90分鐘的時(shí)候。數(shù)據(jù)中的跳變是非常清楚的。兩種濃度之間的數(shù)據(jù)并不模糊。
濕度水平1.6ppm下的兩個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)如圖8所示。這種數(shù)據(jù)的密集表示信號(hào)中的變化可重復(fù)構(gòu)成。在這時(shí)，原始構(gòu)成和二次構(gòu)成是分不清的。
在測(cè)試條件下，在5至6分鐘范圍內(nèi)傳感器已恢復(fù)到基線噪聲。這樣的恢復(fù)時(shí)間相當(dāng)于從與含ppm水平濕氣的氣流靜平衡時(shí)恢復(fù)，要幾小時(shí)恢復(fù)時(shí)間。
如上所述，信號(hào)中的變化可以外推到平衡濃度。在300至3000ppb范圍內(nèi)得到一條標(biāo)定曲線。標(biāo)定曲線如圖9所示，它表示樣本氣流暴露30秒時(shí)，信號(hào)變化(比特)與ppb濕度之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)顯出粗略的線性。但是，用一個(gè)二階多項(xiàng)式方程可得到稍好一些的擬合。二次方項(xiàng)是十分小的。
對(duì)于這個(gè)傳感器/污染系統(tǒng)，在差動(dòng)方式中，標(biāo)定可往上進(jìn)行到20ppm的范圍。這些試驗(yàn)說(shuō)明，在高濃度濕氣條件下的在線檢測(cè)器，用差動(dòng)方式可以提供一種快速響應(yīng)，而不損失檢測(cè)器的靈敏性。在用常規(guī)方式時(shí)，恢復(fù)時(shí)間要幾個(gè)小時(shí)，而工作于差動(dòng)方式，恢復(fù)時(shí)間是在5-10分鐘范圍內(nèi)。這個(gè)時(shí)間還能進(jìn)一步減少而不會(huì)有重大的困難。
常規(guī)方式和差動(dòng)方式之間的運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)換可人工地或自動(dòng)地進(jìn)行。在多數(shù)情況下，在線檢測(cè)器的多數(shù)運(yùn)行是用常規(guī)方式。如前所述可由任何適當(dāng)?shù)挠?jì)算裝置組成的中央處理單元(CPU)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集并計(jì)算平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，估量信號(hào)中的噪聲。如果CPU檢測(cè)出信號(hào)的變化大于一個(gè)預(yù)定量，例如5σ，CPU就將在線監(jiān)測(cè)器改設(shè)為差動(dòng)方式，在線監(jiān)測(cè)器瞬間抽取濕氣水平。使用為差動(dòng)方式設(shè)的標(biāo)定曲線。當(dāng)高濕度水平脫出標(biāo)定曲線時(shí)，CPU將在線監(jiān)測(cè)回設(shè)為常規(guī)方式運(yùn)行，在這種場(chǎng)合，對(duì)低水平濕度有較高的靈敏度。
上面的說(shuō)明基本上是針對(duì)在線監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)和方法，利用有可逆吸附特性的傳感器介質(zhì)，即物理吸附劑或其它可逆的能結(jié)合雜質(zhì)類的介質(zhì)，應(yīng)該明確，本發(fā)明所使用的并不因此而受局限。本發(fā)明也打算使用化學(xué)吸附劑傳感器介質(zhì)，例如化學(xué)吸氣劑，它對(duì)雜質(zhì)類的結(jié)合是不可逆的，是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)的效能或很高的束縛親合力常數(shù)。在這類例如子中，發(fā)明可利用傳感器以差動(dòng)方式感測(cè)含雜質(zhì)類的氣體，以使傳感器介質(zhì)的使用壽命，比在其他方式中利用這類親合材料可能達(dá)到的壽命更長(zhǎng)。
例如，傳感器可由化學(xué)吸氣劑材料如金屬和金屬合金，例如元素鋇，反應(yīng)性地和不可逆地結(jié)合氧，氮，氫之類的氣體雜質(zhì)類。
本發(fā)明的其他幾個(gè)特征、方面和實(shí)施例，在我的以前未決的U.S.申請(qǐng)，NO.07/930,184，1992年8月17日提出，已有說(shuō)明，它與我的以前未決的U.S.申請(qǐng)系列NO.07/628,490，1990年12月14日提出，是連續(xù)篇，并于1992年8月18日被輯為U.S.專利NO.5,138,869，它所披露的在這里被結(jié)合起來(lái)全面參考，不超出現(xiàn)在的范圍。
一種比較好的方式是，在線檢測(cè)器裝置具有本文參照?qǐng)D4概略表示和說(shuō)明的結(jié)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。在這個(gè)系統(tǒng)中，感測(cè)裝置比較好的是包括表面超聲波(SAW)器件，該器件包含雜質(zhì)類結(jié)合敷層，它可以例如包含對(duì)所關(guān)心的雜質(zhì)有強(qiáng)的結(jié)合親合力的金屬基片敷層。
本發(fā)明有效地被用于工業(yè)過(guò)程系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，對(duì)氣流當(dāng)中的成分濃度進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)，例如在運(yùn)行中，對(duì)氣流含有的雜質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便與泄流排放控制保持一致或?yàn)榱似渌沽髻|(zhì)量的目的，例如過(guò)程氣流分流，去處理子系統(tǒng)。本發(fā)明的在線檢測(cè)器系統(tǒng)能提供可靠的連續(xù)監(jiān)測(cè)能力，即使在被監(jiān)測(cè)的成分濃度隨時(shí)間顯著變化的時(shí)候。本發(fā)明的在線檢測(cè)器系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體制造作業(yè)中產(chǎn)生的泄流中的雜質(zhì)水平方面，具有特別的功效。
權(quán)利要求
1.一種在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于確定流動(dòng)氣流中雜質(zhì)類的標(biāo)定的濃度，在低于預(yù)定濃度值的低濃度范圍內(nèi)，以及在高于所述預(yù)定濃度值的高濃度范圍內(nèi)，所述系統(tǒng)包括(a)確定氣流流路的裝置；(b)氣體凈化器，來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體可以從該凈化器流過(guò)，在其中除去雜質(zhì)類；(c)用于感測(cè)來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體中的雜質(zhì)類濃度的裝置；(d)有選擇地使氣體從氣流流路流過(guò)氣體凈化器的裝置，產(chǎn)生所述雜質(zhì)類貧化了的凈化氣體；(e)使被凈化的氣體從所述氣體凈化器流向所述感測(cè)裝置的裝置；(f)有選擇地使氣體從氣流流路流向感測(cè)裝置而不流過(guò)氣體凈化器的裝置；(g)確定流動(dòng)氣流中的雜質(zhì)類濃度的標(biāo)定平衡值的裝置，運(yùn)行時(shí)與感測(cè)裝置相連，該平衡值得自被所述感測(cè)裝置測(cè)得的未凈化的氣體的雜質(zhì)類濃度，和與之有標(biāo)定關(guān)系的、被所述感測(cè)裝置測(cè)得的已凈化的氣體的雜質(zhì)類濃度；(h)流體控制裝置，運(yùn)行時(shí)與氣體流動(dòng)裝置(f)和(g)相連，并被設(shè)置為能使來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體在一個(gè)重復(fù)循環(huán)中，有選擇地、交替地和重復(fù)地以第一可選時(shí)間周期t1經(jīng)氣體流動(dòng)裝置(f)流至氣體凈化器，繼而以第二可選時(shí)間周期t2，流經(jīng)氣體流動(dòng)裝置(g)，其中，在低于所述預(yù)定濃度值的低濃度范圍內(nèi)，t2＞t1，又其中，在高于所述預(yù)定濃度值的高濃度范圍內(nèi)，t1＞t2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中，在低于所述預(yù)定濃度值的低濃度范圍內(nèi)，t2/(t1＋t2)的值為0.50左右至0.99左右，又其中，在高于所述預(yù)定濃度值的高濃度范圍內(nèi)，t1/(t1＋t2)的值為0.50左右至0.99左右。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中，傳感器裝置(c)包括物理吸附傳感器裝置，又其中，在高于所述預(yù)定濃度值的高濃度范圍內(nèi)，第二可選時(shí)間周期t2的選擇，能允許動(dòng)態(tài)接觸平衡發(fā)生，但不是靜態(tài)平衡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中，感測(cè)裝置(c)包括對(duì)雜質(zhì)類有吸附親合力的物理吸附介質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中，氣體凈化器包括化學(xué)吸附劑材料，它可與雜質(zhì)類發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以清除來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體中的雜質(zhì)類。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中，感測(cè)裝置(c)包括濕度計(jì)傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中，確定流動(dòng)氣流的雜質(zhì)類濃度的標(biāo)定平衡值的裝置(g)，包括數(shù)字計(jì)算機(jī)，該平衡值得自被所述感測(cè)裝置測(cè)得的未凈化的氣體的雜質(zhì)類濃度，和與之有標(biāo)定關(guān)系的、被所述感測(cè)裝置測(cè)得的已凈化的氣體的雜質(zhì)類濃度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中，確定流動(dòng)氣流雜質(zhì)類濃度的標(biāo)定平衡值的裝置(g)，包括微處理器，該平衡值得自被所述感測(cè)裝置測(cè)得的未凈化氣體的雜質(zhì)類濃度，和與之有標(biāo)定關(guān)系的、被所述感測(cè)裝置測(cè)得的已凈化氣體的雜質(zhì)類濃度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中，流體控制裝置(h)，包括運(yùn)行時(shí)與氣體流動(dòng)裝置(f)和(g)相連的自動(dòng)化閥。
10.一種用于確定氣流中雜質(zhì)類的標(biāo)定的濃度的方法，在低于預(yù)定濃度值的低濃度范圍內(nèi)，以及在高于所述預(yù)定濃度值的高濃度范圍內(nèi)，所述方法包括提供一個(gè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括(a)確定氣流流路的裝置；(b)氣體凈化器，來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體可以從該凈化器流過(guò)，在其中除去雜質(zhì)類；(c)用于感測(cè)來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體中的雜質(zhì)類濃度的裝置；(d)有選擇地使氣體從氣流流路流過(guò)氣體凈化器的裝置，產(chǎn)生所述雜質(zhì)類貧化了的凈化氣；(e)使被凈化的氣體從所述氣體凈化器流向所述感測(cè)裝置的裝置；(f)有選擇地使氣體從氣流流路流向感測(cè)裝置而不流過(guò)氣體凈化器的裝置；(g)確定流動(dòng)氣流中的雜質(zhì)類濃度的標(biāo)定平衡值的裝置，運(yùn)行時(shí)與感測(cè)裝置相連，該平衡值得自被所述感測(cè)裝置測(cè)得的未凈化的氣體的雜質(zhì)類濃度，和與之有標(biāo)定關(guān)系的、被所述感測(cè)裝置測(cè)得的已凈化的氣體的雜質(zhì)類濃度；(h)流體控制裝置，運(yùn)行時(shí)與氣體流動(dòng)裝置(f)和(g)相連，并被設(shè)置為能使來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體有選擇地、交替地和重復(fù)地在一個(gè)重復(fù)循環(huán)中，以第一可選時(shí)間周期t1，終氣體流動(dòng)裝置(f)流至氣體凈化器，繼而以第二選時(shí)間周期t2，流經(jīng)氣體流動(dòng)裝置(g)，其中，在低于所述預(yù)定濃度值的低濃度范圍內(nèi)，t2＞t1，又其中，在高于所述預(yù)定濃度值的高濃度范圍內(nèi)，t1＞t2，使來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體，有選擇地從氣流流路經(jīng)過(guò)氣體凈化器流動(dòng)，產(chǎn)生所述雜質(zhì)類貧化了的凈化氣體，另一種是使氣體從氣流流路經(jīng)過(guò)氣體流動(dòng)裝置(f)流動(dòng)，并使氣體流過(guò)所述感測(cè)裝置；以及有選擇地操作所述流體控制裝置(h)，使氣體在一個(gè)重復(fù)循環(huán)中，以第一可選時(shí)間周期t1，經(jīng)過(guò)裝置(f)流至氣體凈化器，繼而以第二可選時(shí)間周期t2，經(jīng)過(guò)氣體流動(dòng)裝置(g)，其中，在低于所述預(yù)定濃度值的低濃度范圍內(nèi)，t2＞t1，又其中，在高于所述預(yù)定濃度值的高濃度范圍內(nèi)，t1＞t2。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，在低于所述預(yù)定濃度值的低濃度范圍內(nèi)，t2/(t1＋t2)的值為0.50左右至0.99左右，又其中，在高于所述預(yù)定濃度值的高濃度范圍內(nèi)，t1/(1＋t2)的值為0.50左右至0.99左右。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，感測(cè)裝置包括物理吸附傳感器，又其中，在高于所述預(yù)定濃度值的高濃度下，第二可選時(shí)間周期t2的選擇，能允許動(dòng)態(tài)接觸平衡發(fā)生，但不是靜態(tài)平衡。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，感測(cè)裝置(c)包括對(duì)雜質(zhì)類有吸附親合力的物理吸附介質(zhì)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，氣體凈化器包括化學(xué)吸附劑材料，它可與雜質(zhì)類發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以清除來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體中的雜質(zhì)類。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，感測(cè)裝置(c)包括濕度計(jì)傳感器。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，確定流動(dòng)氣流中的雜質(zhì)類濃度的標(biāo)定平衡值的裝置(g)，包括數(shù)字計(jì)算機(jī)，該平衡值得自被所述感測(cè)裝置測(cè)得的未凈化的氣體的雜質(zhì)類濃度，和與之有標(biāo)定關(guān)系的、被所述感測(cè)裝置測(cè)得的已凈化的氣體的雜質(zhì)類濃度。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，確定流動(dòng)氣流中的雜質(zhì)類濃度的標(biāo)定平衡值的裝置(g)，包括微處理器，該平衡值得自被所述感測(cè)裝置測(cè)得的未凈化的氣體的雜質(zhì)類濃度，和與之有標(biāo)定關(guān)系的、被所述感測(cè)裝置測(cè)得的已凈化的氣體的雜質(zhì)類濃度。
18.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，流體控制裝置(h)，包括運(yùn)行時(shí)與氣體流動(dòng)裝置(f)和(g)相連的自動(dòng)化閥。
19.一種用于確定流動(dòng)氣流中的雜質(zhì)類的標(biāo)定的濃度的方法，在低于預(yù)定濃度值的低濃度范圍內(nèi)，以及在高于所述預(yù)定濃度值的高濃度范圍內(nèi)，所述方法包括對(duì)來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體，以相繼的和重復(fù)的感測(cè)操作，感測(cè)其雜質(zhì)類的濃度，其中，在第一感測(cè)方式中，氣體在被感測(cè)之前，對(duì)氣體中的雜質(zhì)類進(jìn)行凈化，又其中，在第二感測(cè)方式中，對(duì)氣體不進(jìn)行凈化，并且其中，在第一感測(cè)方式和第二感測(cè)方式中，根據(jù)雜質(zhì)類的濃度，改變感測(cè)方式循環(huán)時(shí)間，因此，在低于所述預(yù)定濃度值的所述低濃度范圍內(nèi)，第二感測(cè)方式的頻率高于第一感測(cè)方式的頻率，又其中，在高于所述預(yù)定濃度值的所述高濃度范圍內(nèi)，所述第一感測(cè)方式的頻率高于第二感測(cè)方式的頻率；以及根據(jù)在第一和第二感測(cè)方式中對(duì)濃度的感測(cè)，確定氣流中的雜質(zhì)類濃度的標(biāo)定的平衡值。
20.一種在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于確定流動(dòng)氣流中的雜質(zhì)類的標(biāo)定的濃度，在低于預(yù)定濃度值的低濃度范圍內(nèi)，以及在高于預(yù)定濃度值的高濃度范圍內(nèi)，所述系統(tǒng)包括用于清除來(lái)自流動(dòng)氣流的氣體中的雜質(zhì)類的凈化器；用于對(duì)來(lái)自氣流的氣體以相繼的和重復(fù)的感測(cè)操作，感測(cè)其雜質(zhì)類的濃度的裝置，其中，在第一感測(cè)方式中，氣體在被感測(cè)之前先流過(guò)所述凈化器，對(duì)氣體中的雜質(zhì)類進(jìn)行凈化，又其中，在第二感測(cè)方式中，對(duì)氣體不進(jìn)行凈化，并且其中，在第一感測(cè)方式第二感測(cè)方式中，根據(jù)雜質(zhì)類的濃度，改變感測(cè)方式循環(huán)時(shí)間，因此，在低于所述預(yù)定濃度值的所述低濃度范圍內(nèi)，第二感測(cè)方式的頻率高于第一感測(cè)方式的頻率，又其中，在高于所述預(yù)定濃度值的所述高濃度范圍內(nèi)，所述第一感測(cè)方式的頻率高于第二感測(cè)方式的頻率；以及根據(jù)在第一和第二感測(cè)方式中對(duì)濃度的感測(cè)，確定氣流中的雜質(zhì)類濃度的標(biāo)定平衡值的裝置。
21.一種確定流動(dòng)氣流中雜質(zhì)類的標(biāo)定的濃度的方法，其中，來(lái)自氣流的氣體，在已凈化和未凈化的情況下的雜質(zhì)類濃度，被交替地感測(cè)，并且，所述感測(cè)包括用傳感器接觸氣體，所述傳感器含有對(duì)雜質(zhì)類具有不可逆的結(jié)合親合力的結(jié)合介質(zhì)，所述方法包括以差動(dòng)方式，用所述傳感器對(duì)未凈化的氣體的雜質(zhì)類濃度進(jìn)行感測(cè)，在這種方式中，傳感器暴露于所述未凈化的氣體中的感測(cè)時(shí)間少于傳感器工作時(shí)間的50％，這樣，傳感器的使用壽命，與對(duì)未凈化的氣體的連續(xù)感測(cè)相比得以延長(zhǎng)。
22.一種在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于確定流動(dòng)氣流中雜質(zhì)類的標(biāo)定的濃度，包括傳感器，含有對(duì)雜質(zhì)類具有不可逆的結(jié)合親合力的結(jié)合介質(zhì)，用于感測(cè)氣體中的雜質(zhì)類的濃度；對(duì)來(lái)自所述流動(dòng)氣流的氣體進(jìn)行凈化，產(chǎn)生凈化氣體的裝置；使來(lái)自所述流動(dòng)氣流的未凈化的氣體流向所述傳感器，并使來(lái)自氣體凈化裝置的已凈化的氣體流向所述傳感器的裝置，這樣，所述未凈化的氣體，被所述傳感器以差動(dòng)方式感測(cè)，在這種方式中，傳感器暴露于所述未凈化的氣體中的感測(cè)時(shí)間，少于傳感器工作時(shí)間的50％，這樣，傳感器的使用壽命，與對(duì)未凈化的氣體的連續(xù)感測(cè)相比得以延長(zhǎng)；以及根據(jù)所述傳感器感測(cè)到的所述已凈化和未凈化的氣體中的雜質(zhì)類濃度，確定所述流動(dòng)氣流中雜質(zhì)類的標(biāo)定的濃度的裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求1的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中，感測(cè)裝置(c)包括表面超聲波器件，該器件含有對(duì)雜質(zhì)類有結(jié)合親合力的雜質(zhì)結(jié)合敷層。
24.根據(jù)權(quán)利要求2 3的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中，雜質(zhì)結(jié)合敷層包括金屬基片敷層。
25.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，感測(cè)裝置(c)包括表面超聲波器件，該器件含有對(duì)雜質(zhì)類有結(jié)合親合力的雜質(zhì)結(jié)合敷層。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中，雜質(zhì)結(jié)合敷層包括金屬基片敷層。
27.根據(jù)權(quán)利要求22的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中，結(jié)合介質(zhì)包括金屬基片敷層。
全文摘要
一種在線檢測(cè)系統(tǒng)(200)和方法，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)流動(dòng)氣流中的雜質(zhì)濃度。一個(gè)特別的方面，系統(tǒng)可包括一個(gè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用來(lái)確定流動(dòng)氣流中的雜質(zhì)類標(biāo)定的濃度，在低于預(yù)定的濃度值的低濃度范圍內(nèi)，以及在高于預(yù)定的濃度值的高濃度范圍內(nèi)。一個(gè)傳感器連接裝置(214)使凈化器(208)與感測(cè)裝置(212)互連，用以監(jiān)測(cè)氣流中的雜質(zhì)水平。一個(gè)開(kāi)關(guān)閥(230)插入配置在凈化器(208)和傳感器(212)之間的流動(dòng)環(huán)路中，用來(lái)有選擇地控制來(lái)自氣流的已凈化的和未凈化的氣體流向雜質(zhì)檢測(cè)裝置。系統(tǒng)可在水為重要雜質(zhì)情況下采用濕度計(jì)傳感器，或者采用敷有合適的雜質(zhì)親合敷層的超聲波(SAW)器件。系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體器件制造中的汽相處理，例如化學(xué)蒸法鍍敷中所用的氣流中的低雜質(zhì)水平(例如大約0.1ppm至大約100ppm)方面特別有效。
文檔編號(hào)G01N33/00GK1130423SQ95190604
公開(kāi)日1996年9月4日 申請(qǐng)日期1995年6月30日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月1日
發(fā)明者格倫·M·湯姆 申請(qǐng)人:米利波爾投資公司