就產生顆粒的雜質對反應性氣體例如矽烷進行分析的製作方法

2024-03-28 22:12:05

專利名稱：就產生顆粒的雜質對反應性氣體例如矽烷進行分析的製作方法
技術領域：
本發明涉及檢測基質氣體中分子汙染物的系統和方法，更具體地，涉及對能起反應和/或成核以形成懸浮於基質氣體中的顆粒顆粒的雜質進行檢測。這些汙染物的實例包括氧氣、水、某些碳氫化合物和矽氧烷雜質。基質氣體的實例為用於半導體製備方法的矽烷(SiH4)。
背景技術：
在重要的應用例如薄的矽和矽氧化物薄膜沉積中，半導體器件製造商使用過程氣體例如矽烷。這些薄膜必須基本上不含汙染性雜質和雜質生成的顆粒材料。在微電子器件中，任何痕量雜質或者雜質生成的顆粒都往往形成缺陷，可能導致失效、性能降低、或可靠性問題。特別麻煩的雜質包括水、氧、某些碳氫化合物和矽氧烷。已經發現，在具有不斷縮小特徵尺寸的器件中，這些雜質降低了薄膜的質量。水和氧為含量很高的大氣物質，其可易於進入矽烷製備系統、容器和氣體分配系統。在矽烷的製備和貯存期間，碳氫化合物和矽氧烷易於汙染矽烷。
由於水的極性性質，它特別難以從超高純度(UHP)氣體系統中完全除去。極性水分子傾向於保持吸附在已經暴露於潮溼大氣的表面上。從UHP氣體系統中除去水的典型方法包括長期加熱、與壓力循環組合、使用高純度衝洗氣體和真空。然而，將以痕量存在的物理吸附和化學吸附的水(或水分)從汙染的表面除去就具有極大的困難。
從UHP系統中除去非極性氧分子相對不太困難，但在矽烷系統中會出現特別的問題。在大氣中，氧的含量非常高，因此，其可容易地穿透進入加壓的氣體系統中。大氣中高的氧分壓提供了用於擴散入均勻壓縮的氣體系統的強驅動力。這樣的進入可通過系統中均勻的微觀洩漏點來進行。高濃度梯度也允許氧和水經由穿過多孔物質的滲透來進入UHP氣體系統。
水和氧都與矽烷反應形成矽氧烷和固體(顆粒)二氧化矽。二氧化矽中的氧可以來源於水、氧或其它含氧汙染物。未反應的水可存在於矽烷中，濃度高達1ppm。然而，也發現氧和水在低於1ppm的濃度下易於與矽烷反應，形成顆粒物質。比0.25微米大的顆粒已經在這些雜質濃度檢測到。發現顆粒濃度隨著水或氧的濃度單調增加。水或氧和矽烷在較低的濃度下反應也是可能的。水與氣流中的矽烷的反應沒有氧與矽烷的反應容易。然而，在存在表面例如管、其它系統部件或催化劑的情況下，水與矽烷的反應性增加。在集成電路(IC)器件製備過程中，水、氧和它們的反應產物都損害它們。
因此，汙染性雜質可通過由與基質氣體化學反應構成的第一種顆粒形成的模式來產生汙染性顆粒。汙染性雜質也可通過由減壓過程中成核構成的第二種顆粒形成模式來產生汙染性顆粒。
許多半導體過程氣體在加壓容器中提供。通常，這些高純度的氣體包含痕量分子雜質，例如氮氣中的碳氫化合物，矽烷中的碳氫化合物和/或矽氧烷，和其它雜質，具體取決於UHP氣體的組成。這些雜質可由用來產生、傳遞和將氣體貯存在加壓容器的方法產生。氣體貯存器皿的內壓力和溫度常常遠高於氣體的臨界點壓力和臨界點溫度。例如，在遞送給使用者的氣體貯存器皿中，通常超過氮的臨界點(492psia，-232)和矽烷的臨界點(703psia，26)。眾所周知，對於汙染性物質例如較高分子量的碳氫化合物，超臨界流體具有高的溶解能力，所述汙染性物質可在氣體輸送、貯存和遞送系統中以表面汙染物形式存在。這些溶解的雜質可加入到典型存在於氣體中的分子雜質中。
在顆粒測量領域熟知，隨著氣壓降低，含有痕量分子雜質的氣體可遭受顆粒含量增加。參加，例如，Wen et al.，″Nucleation of TraceAmounts of Condensible Vapors in an Expanding Gas Jet.″J.AerosolSci.，Vol.19，No 1，153-156(1988)。這一增加是由於痕量雜質的分子簇導致形成穩定的(即永存的)懸浮顆粒引起的。這些雜質產生的顆粒不易於通過加熱蒸發。而且，在某些情況下，減壓方法常常在氣體中產生亞臨界狀態。在這點上，隨著壓力降低，亞臨界氣體喪失其高溶解能力。因此，在較低壓力的氣流中，任何溶解的雜質傾向於形成穩定的懸浮顆粒。已知在減壓期間，對於大於0.02微米的顆粒而言，顆粒形成可產生高於106/標準立方英尺氣體的顆粒水平。該水平明顯超過了壓縮氣體中顆粒的原始水平。圖1提供了典型的氣體進料流1的實例，其通過與氣體進料流1流體相通的減壓設備2，例如閥、自動壓力調節器、或者限流孔等。儘管氣體進料流最初包含低水平的源於氣體的顆粒3，但是在通過減壓設備2後，包含在氣體進料流1中的顆粒或″成核″顆粒4的量增加。較低壓力氣流5內的這些成核顆粒4被運載至下遊的處理裝置內(沒有顯示)。
在完成製備後，系統汙染通常被作為IC器件的失效進行檢測。這些失效對半導體工業來說代價很大。因此，任何引起汙染水平增加的UHP氣體系統失常或其它偏差必須通過連續監測來快速和精確地檢測出。例如，任意引起氧、水、碳氫化合物或矽氧烷水平增加的氣體系統失常必須在明顯的IC器件損失前被檢測出和進行修繕。僅僅通過這樣的監測就可使IC產品損失降低為最小。因此，UHP矽烷中水、氧、碳氫化合物和矽氧烷的控制需要用於連續或間斷性監測痕量雜質水平的靈敏方法。
不斷縮小的裝置尺寸對雜質和雜質形成的顆粒的不斷降低的水平靈敏。雜質監測儀器，比如大氣壓離子化質譜儀(APIMS)，具有小於每萬億100份(ppt)的較低檢測極限(LDL)。但是，所述儀器要求用正確的標樣進行仔細的校準，而且購買、操作和維護費用很高。為了創建檢測極限，需要能夠製備低ppt參比氣體的最新純化技術。檢測極限對這些因素如儀器烘烤溫度和烘烤時間是高靈敏的。此外，需要採用雙隔室型源的專用APIMS來保證在電暈放電中矽烷的存在不會用含矽化合物電鍍放電針。
另外，這些分子雜質監測器不能檢測出已經與矽烷反應形成顆粒二氧化矽的水或氧。因此，漏出物、剩餘分子雜質或其它這些系統偏差都不能通過分子雜質監測器檢測出。
因此，想要提供用於在各種UHP過程氣體中檢測雜質和雜質生成的顆粒的方法。進一步想要提供能檢測低至100ppt，更優選低至10ppt水平，更優選低至1ppt水平的雜質的所述方法，其中該方法不會具有一種或多種上述的APIMS缺點。
在本文中引用的所有參考文獻以其全部引入本文作為參考。

發明內容
因此，本發明的第一個方面包括用於供給處理裝置氣體的改進方法，所述氣體包含至少一種能起反應和/或成核以形成懸浮於氣體中的汙染性顆粒的雜質。所述改進方法包括用顆粒計數器和/或顆粒俘獲過濾器對處理裝置上遊的氣流進行採樣，以檢測懸浮於該氣流中的汙染性顆粒的量，並且在汙染性顆粒的量超過預定量時產生信號。
本發明的第二方面包含用於製備集成電路的改進方法，其中將氣態的矽烷提供給處理裝置。所述改進方法包括用顆粒計數器和/或顆粒俘獲過濾器對處理裝置上遊的矽烷流進行採樣，以檢測懸浮於該矽烷流中的汙染性顆粒的量，並且在汙染性顆粒的量超過預定量時產生信號。
本發明的第三個方面包括用於保持處理裝置的氣體進料流的純度水平在或高於最低可接受純度水平的裝置，所述裝置包括提供氣體的供應源；至少一種與所述供應源流體連通並適用於使用氣體來進行處理功能的處理工具；放置在處理工具上遊和供應源下遊的顆粒計數器；與至少顆粒計數器電連接的微處理器；和任選地，設置成與處理工具上遊和供應源下遊的顆粒計數器並聯的顆粒俘獲過濾器。


本發明將結合下述附圖來描述，其中相同的附圖標記表示相同的元件，其中圖1為現有技術減壓設備的示意圖；和圖2和3為描述本發明的系統和方法的實施方案的流程圖。
具體實施例方式
本發明包括用於通過測量汙染物的懸浮顆粒反應產物來檢測氣流中微量分子雜質的系統和方法。本發明進一步包括用於檢測氣流中微量分子雜質的系統和方法，其通過首先在減壓過程中誘導所述雜質成核成為懸浮顆粒，然後測量所述懸浮顆粒來實現。
-+UHP氣體系統分子汙染通常首先以微觀顆粒例如二氧化矽的存在而得到證實。某些顆粒可以作為UHP系統的表面汙染物存在。然而，顆粒通常懸浮於流動的氣流中，並和氣體一起被攜帶。本發明優選的實施方案包含使用自動顆粒計數器和/或顆粒俘獲過濾器來檢測UHP氣體的微量反應性或成核性分子汙染物。通過顆粒計數器和/或俘獲過濾器檢測的顆粒的粒徑和數值濃度用於確定最初存在於氣體中的雜質水平。在本發明的一個實施方案中，反應性分子雜質在氣體系統中自發形成顆粒後，被檢測出。在本發明的另一個實施方案中，在通過樣品氣流減壓而誘導形成顆粒後，檢測″成核性″分子雜質。
本文描述了可用於測量和/或分析氣流內顆粒的系統和方法。該系統和方法可用於測定，例如，顆粒的數量或顆粒計數；氣流內顆粒的濃度密度；粒度分布；顆粒形態學；和/或顆粒組成。在某些實施方案中，氣流內可被測量的顆粒的平均尺寸可以為0.003微米(μm)至10μm，或者0.05μm至1μm，或者0.1μm至1μm。在某些實施方案中，可被測量的顆粒的平均量可以為1/標準立方英尺(cu.ft.)至10000000/cu.ft.，或者1/cu.ft.至10000/cu.ft.，或者1/cu.ft.至1000/cu.ft。
所述系統和方法可用於各種氣體和超臨界流體，包括自燃物、可燃物、氧化物、腐蝕物和惰性氣體。可被分析的氣體的實例包括，但不限於惰性氣體(例如Ar、He、N2、Xe、Kr、Ne等)、SiH4、CF4、WF6、SiH2Cl2、NH3、NF3、Cl2、BCl3、C2F6、CO2、CO、F2、N2O、CHF3、O2、H2、HBr、HCl、HF、CH4、SiHCl3、SF6、PH3、AsH3、BF3、B2H6、Si2H6、SiCl4、SiF4和多種其它物質，及其混合物。術語″氣體″包括蒸氣、超飽和氣體和超臨界流體。特定的超臨界流體的非限定性實例為在懸而未決的美國公開申請NO.2004/0144399中提供。該系統可以用於例如測量和/或分析各種顆粒，其可包括例如分子簇、液滴、由金屬的、有機的或其它的物質組成的懸浮固體顆粒、和各種其它的汙染性顆粒。
本文描述的系統通過使用顆粒計數器和/或顆粒俘獲過濾器來測量和分析處理氣流的代表性樣品內的顆粒。優選地，該系統不會明顯地改變氣體中存在的分子雜質的量。這些幹涉可能改變被採樣的氣流中測量的顆粒濃度。在某些實施方案中，電拋光管和/或高清潔的閥可用於減少採樣偏差。而且，在這些及其它實施方案中，所述系統通過對分子布朗運動做出反應而使由重力沉降或擴散至管壁引起的顆粒的運輸損失最小化。
本文描述的系統可以與連續過程進料流或與側流或樣品流提取系統聯合使用，本文將其描述為″脫機採樣″。本文描述的系統也可與一種本領域熟知的插入在進料氣體管線中的氣體樣品提取設備聯合使用，所述氣體樣品提取裝置包括所謂的等動力採樣探針。在這一點上，將待採樣的分離物流(其在本文中指氣流)，從過程氣體管線、壓縮氣體鋼瓶或ISO模塊(即，在適於大容量輸送氣體的單個集成裝置中的圓柱管排列)移出。脫機採樣系統可能需要對流過顆粒定量裝置(即，顆粒計數器和/或顆粒俘獲過濾器)的氣流進行通風或者其它形式的排放控制。在氣流包含反應性氣體的實施方案中，脫機採樣系統可進一步包括用以提供惰性吹掃(即，用一種或多種惰性氣體吹掃氣體管線)、排空(即，使用一個或多個真空泵排空氣體管線)和/或排放控制的子系統。在其它實施方案中，例如當氣流包含易於冷凝的氣體(即，在室溫或高於室溫下變成液體的氣體)時，系統管線和/或包含在其中的系統部件也可以進行通熱處理。在這些實施方案中，在將氣流引入管線之前，通熱處理(heat tracing)可以與惰性吹掃和/或壓力循環(即，使用氣壓變化)組合使用用於初始乾燥系統，這是因為氣體可以與管線內的痕量殘留水分或氧化劑反應。
圖2和圖3提供了根據本發明用於測量和分析氣體內雜質生成的顆粒的脫機採樣系統的實施方案的實例。在某些實施方案中，例如在圖3中描述的，將系統10放置在通風外殼內並處於室溫下。氣流25可以提供自供應源20，例如儲槽、加壓的氣缸、輸送填充管線、氣體分布管線或其它裝置(沒有顯示)。供應源20可以是大體積或小體積。將至少部分氣體從供應源20移出，以提供氣流25，其被進給通過採樣系統10。通常在4psia至10000psig，或0psig至3000psig，或100psig至1600psig的壓力下，將氣流25引入到系統10中，具體取決於例如供應源體積、氣流25的種類、包含在其中的氣體是否處於超臨界狀態等。系統10進一步包括與系統10流體相通的並用於惰性氣體吹掃的惰性氣體源30，和其它裝置。惰性氣體淨化器35與惰性氣體源30流體連接，以提供用於這種吹掃/衝洗操作的淨化的惰性氣體。
在其中氣體進料流25包含矽烷的實施方案中，在將氣流引入之前，應當進行惰性氣體吹掃，然後進行一次或多次排空循環。仍舊參照圖3，通過關閉閥V9和V19和打開閥V7和V8進行惰性氣體吹掃。在分析氣流25後，可以按類似的方式進行惰性氣體吹掃以從系統中除去任意殘留的矽烷。通過關閉閥V8、V9和V19和打開閥V7進行排空循環。
在圖3中描述的實施方案使用顆粒計數器50和/或顆粒俘獲過濾器60例如膜片式過濾器來測量和檢測氣體進料流內的顆粒。顆粒計數器50可以通過多個壓力調節器連接到氣體源。通過流量控制閥和質量流量計調節通過儀器的流量。氣體通過旁路管線704流到顆粒計數器或顆粒俘獲過濾器。在某些實施方案中，顆粒計數器和/或顆粒俘獲過濾器在接近大氣壓下操作。在這些實施方案中，可能需要在供應源20和顆粒計數器50之間對進入的氣流25進行減壓。在圖3顯示的系統中，減壓是分兩步進行，使用兩個串聯排列的壓力調節器，52和54。這樣的多步減壓使易於發生在減壓過程中的顆粒脫落和氣體冷凝降到最低。在本發明的其它實施方案中，可使用單步驟減壓。在其它的實施方案中，進入顆粒計數器50的氣流25可能不需要減壓，因為其壓力足夠低。在壓力降低後，氣體通過旁路管線150流向顆粒計數器或顆粒俘獲過濾器。
某些市售顆粒計數器可用於UHP過程氣體監測。有時，這些儀器被稱為凝聚核計數器(CNC)。CNC可檢測小至0.003μm的獨立顆粒，但不提供粒度分布的信息。有時，不同類型的儀器被稱為光學顆粒計數器(OPC)。對於用於矽烷而言，可以得到安全和化學相容性的儀器。適宜的顆粒計數器的非限定性實例為由Particle MeasuringSystems(PMS)，Inc of Boulder，CO製備的。PMS，Inc.的HPGP-101-C型號使用HeNe雷射，在140nm可檢測等價光散射直徑小至0.1μm或100納米(nm)的顆粒，計數效率＞50％。該儀器要求0.1標準立方英尺/分或2.8標準公升/分的採樣流速。HPGP-101-C具有＜2/ft3或＜0.2/分鐘的零計數水平，可測量的顆粒濃度高達3000/cu.ft。該儀器具有8個尺寸通道，閾值為100、200、300、500、1000、2000、3000和5000nm。採樣間隔可以設定為1秒至100小時。
當不使用時，顆粒計數器50可以通過關閉閥V1和V2從系統分隔。這使得顆粒計數器50不會保留否則可能進入系統的汙染物。
在本發明優選的實施方案中，顆粒計數器50與顆粒俘獲過濾器60組合以提供確定什麼時候從系統中除去假性啟動誘導的計數的方式。這些假性計數是由閥開動或系統10中反應性基質氣體和痕量殘留雜質之間的反應引起。在本發明的這些實施方案中，氣流可以同時或順次被導向顆粒計數器50和俘獲過濾器60，用於測量。例如氣流25可首先被導向顆粒計數器50，然後，部分氣流25可以被導向俘獲過濾器60來證實通過顆粒計數器50觀察到的結果，並進一步表徵顆粒，如在下述更詳細描述的那樣。在這些實施方案中，分離的俘獲過濾器僅僅在那個時候才暴露於進入的氣流25中。
優選地，顆粒俘獲過濾器60相對於顆粒計數器50位於採樣系統的平行分支中。顆粒俘獲過濾器60可以在減壓或非減壓下操作；氣流25可以在完全系統壓力下通過閥V3流至顆粒俘獲過濾器60，或在減壓下通過閥V20流至顆粒俘獲過濾器60。該直接採樣法最小化了由於減壓器的「脫落」引起的假性顆粒計數的可能性。俘獲過濾器60也允許在各種分析工具下檢查俘獲的汙染物顆粒，所述分析工具例如，但不限於掃描電子顯微鏡(SEM)、能量分散X射線光譜(EDS)、光學顯微鏡及其它裝置。該技術提供了有關雜質產生的顆粒的形態學和組成的附加信息。這些信息有助於識別和消除系統內的分子雜質源。
在本發明優選的實施方案中，俘獲過濾器60具有兩個配件71、72，其使得俘獲過濾器60可以從系統中拆除。當閥V3、V4、V17、V18和V20關閉時，俘獲過濾器60可以容易地在配件71、72處拆除。
一旦從系統10拆除後，可使用下述方法分析俘獲過濾器60上收集的顆粒。首先，優選地，將俘獲過濾器60表面上的本底汙染物(即，在暴露於氣流25之前，可能存在於俘獲過濾器60表面上的汙染物)與樣品汙染物區分開。典型地，本底汙染物產生自過濾器製備和處理過程期間。在這點上，必須測量過濾器60上的本底汙染物的表面密度，並在顆粒俘獲方法中進行考慮。顯微鏡用於測定未暴露的過濾器上本底顆粒的數量。這可通過僅檢查過濾器表面的部分來進行。檢查部分過濾器的表面面積，AB，以獲得該面積內本底顆粒的數目NB。在暴露到樣品氣體或超臨界流體之前，檢測部分表面面積Ap以測定該面積內本底和俘獲的顆粒的總量Np。然後，暴露的過濾器全部表面俘獲的顆粒總量N，按如下計算N＝A(Np/Ap-NB/AB)其中A為過濾器的總面積。如果V為流過暴露的過濾器的樣品氣體或超臨界流體的體積，那麼樣品單位體積的顆粒濃度，C，計算如下C＝N/V採樣系統10也具有旁路管線40，以允許循環/吹掃顆粒過濾器60兩側，並允許過濾器60周圍的流動初始化。旁路管線40包括閥V5，當其打開時，允許通過下遊真空泵70，比如例如渦輪分子真空泵，利用來自惰性氣體源30的惰性氣體循環-吹掃採樣系統10。真空泵70通過流動管線130在閥V6打開時與系統10流體相通。
在本發明的一些實施方案中，真空泵70用於從低壓源抽取試樣流體。試樣流體穿過顆粒計數器50或俘獲過濾器60，然後穿過真空泵70，之後進入排放控制系統80。排放控制系統80和90可包含，例如，氣體回收系統、燃燒系統、通風系統、洗滌系統、吸附系統、吸收系統、或淨化系統和貯存系統。這些系統都是通風物流排放控制領域熟知的。
在本發明的某些實施方案中，俘獲過濾器60可以是軌道刻蝕過濾器(track-etched filter)或多孔氧化鋁過濾器。和自動顆粒計數器不同，俘獲過濾器對可測量的顆粒濃度沒有上限。聚碳酸酯軌道刻蝕過濾器膜是市售的，孔徑小至15nm。氧化鋁過濾器膜是市售的，孔徑小至20nm。較高孔密度的氧化鋁過濾器對高流速提供了最小的流阻。高流速有利於在最短時間內採樣大體積的氣體。顆粒俘獲過濾器60可以置於耐壓過濾器外殼內，所述耐壓過濾器外殼比如例如，型號Noxx4502500 25mm不鏽鋼過濾器外殼，由Millipore Corporation ofBedford，MA製備。所述過濾器外殼包含過濾膜，其可以在其中由各種彈性體材料比如例如PTFE O型環密封。該過濾膜可以用於例如俘獲各種高壓或減壓氣體(包括矽烷)中的顆粒。在被俘獲在過濾器上後，可以使用各種技術分析氣體進料流內的顆粒，所述技術例如，但不限於，光學顯微鏡檢查、SEM和EDS。
在本發明優選的實施方案中，顆粒俘獲過濾器60可以是耐化學性過濾介質，例如，PTFE微孔膜。由於這樣的膜粗糙的表面結構，其不適於EDS或顯微鏡顆粒檢查。然而，可通過浸漬在各種液體酸或溶劑中蒸煮或溶解，對這些過濾器上俘獲的顆粒組成和總俘獲質量進行分析。然後，通過包括液相色譜的各種熟知的方法分析所述酸或溶劑。
採樣系統10經設計以用於主控鑰匙操作，並與任意選擇的氣體進料源連接。該系統可用於周期性汽缸合格試驗、氣體分配系統的逐點雜質調查研究、或氣體輸送填充系統或氣體分布系統的連續報警監測。
典型地，系統10中進入的氣體進料流25的壓力是通過應用壓力計，比如例如膜式壓力計(沒有顯示)，測定的。在圖3描述的系統中，可以將矽烷氣體輸送至原位燃燒器系統90。然而，根據氣流25的種類，可將樣品氣體通風、回收、或輸送至排放控制系統80或吸收器、洗滌器、淨化器和貯存系統(沒有顯示)，或循環回到主氣體供應系統(沒有顯示)。
典型地，使用流量控制設備120來控制和監測在測試期間樣品氣體流過顆粒計數器或顆粒俘獲過濾器的率。流量控制設備120可包括人工操作的流量控制閥和流量計，比如例如質量流量計，或者流量控制設備120可包括自動開動的流量控制設備，比如例如質量流量控制器。來自流量控制設備120下遊的樣品氣體可以通過流動管線140排出，流動管線140也與真空泵70流體相通。
在本發明優選的實施方案中，氣動閥可以在系統不使用時隔離該系統的清潔內部構件。在每次進行採樣前，可以使用過程邏輯控制器(PLC)(沒有顯示)自動地執行循環吹掃和採樣順序操作。PLC接受來自壓力傳感器和通熱溫度控制器的輸入，以確保操作期間，真空壓力循環在規定限值內。在某些實施方案中，在循環吹掃期間，通熱管線保持在100℃。在循環吹掃期間，將系統排空至＜50 Torr，然後回復到大氣壓力至少150次。
在循環吹掃前，用淨化的惰性氣體衝洗所述系統以消除大氣，以及在採樣後除去任何殘留氣體。取決於正被採樣的氣體的種類，衝洗循環可將這些氣體輸送至回收系統、燃燒器或洗滌器器皿，比如例如當試樣氣體包含矽烷時。在其它實施方案中，衝洗循環可將氣體排入大氣中。當系統與氣體源連接時、在採樣步驟前或後，進行吹掃操作。在惰性氣體衝洗操作期間，關閉樣品源閥。在其中正被採樣的氣體包含矽烷的實施方案中，將吹掃氣體輸送至矽烷燃燒器、回收系統或洗滌器中。惰性衝洗方法也可用於在系統和氣體源斷開的同時吹掃氣體源連接配件。該吹掃是用於防止汙染物進入打開的採樣系統。惰性氣體從氣體進入管線排出到大氣中。
在本發明優選的實施方案中，例如在圖3中描述的，應當包括通熱以最少化系統10中殘留的分子雜質。這些殘留的雜質將降低想要的雜質測量的準確度。在這些實施方案中，優選地，顆粒計數器和俘獲過濾器上遊的所有系統部件都經過通熱處理。通熱裝置包括可固定在，例如系統管道外表面、閥、過濾器外殼、調壓器及其它部件上的電阻式加熱元件。通熱裝置包括溫度敏感設備，比如例如對溫度指示器和溫度控制設備比如例如過程控制器或恆溫器提供溫度反饋的熱電偶。溫度控制設備包含經設計以調節向加熱元件輸入的功率的電路，以便在系統內保持設定的溫度。這樣的加熱使得很容易從系統內表面去除痕量吸收的水分，並可在測試過程後除去來自系統的痕量殘留樣品流體。
在某些實施方案中，系統10可採用溼度分析器100，該溼度分析器100可以檢測管線中殘餘水分並且，例如如果氣流內水分的水平超過想要的水平時，可以啟動各個閥。在該實施方案或其它實施方案中，系統10可採用以類似於溼度分析器的方式檢測氣流內氧存在性的氧傳感器。
在本發明的另一個優選實施方案中，本文描述的方法和系統可用於通過使用一個或多個純化設備702和在線過濾器703，在較高壓力下從氣流中除去分子雜質和顆粒，以提供純化的和過濾的氣流，並使純化的、過濾的氣流的壓力降至較低壓力氣流，沒有由此誘導的顆粒形成。在該實施方案中，關閉氣體旁路管線閥V73，打開淨化器/過濾器管線閥V72。在本發明的該實施方案中，可獲得通過顆粒計數器50和/或顆粒俘獲過濾器60測量的顆粒的″本底″水平，不受雜質產生的顆粒形成的妨礙。然後，從通過氣體流過旁路管線704獲得的隨後測定結果中減去該本底水平。
如本文使用的術語″較低壓力的氣體進料流″描述了已經經過減壓設備的淨化的氣體進料流，所述減壓設備例如，但不限於自動壓力調節器、閥、或者流量限制口等。在淨化後，將初始氣體進料流的壓力降低至和用於顆粒測量的可用儀器相容的水平。例如，在本發明的一個實施方案中，氣體進料流的初始壓力可以為150至10000psig。然後，減壓設備將淨化的氣體進料流的壓力降至0至150psig的壓力。本文描述的壓力範圍是可以改變的，取決於氣體進料流的初始壓力、使用的減壓設備的種類、顆粒測定設備和/或其它變量。
如本文使用的術語″淨化的氣體進料流″描述了已經經過一個或多個純化設備除去了包含在其中的各種雜質的氣體進料流。描述的系統和方法沒有對氣體進料流的顆粒含量產生不利影響(例如增加)，其可能歸因於減壓設備。
如本文使用的純化設備為能降低包含在氣體進料流內雜質水平並對氣體化學組成沒有負面影響的設備。
在本發明優選的實施方案中，純化設備內的純化介質可由各種熟知的吸附劑、吸收劑或催化性物質，例如活性碳、乾燥劑(例如DrieriteTM)、酚醛樹脂(例如AmbersorbTM)、鎳催化劑、銅催化劑等組成，其選擇取決於要除去的雜質類型和/或氣體進料流組成。在本文描述的系統的一個優選實施方案中，將由AmbersorbTM丸粒組成的純化介質包含在器皿中，用於從矽烷氣體中除去某些碳氫化合物和矽氧烷。在本發明的另一個優選實施方案中，將由粒狀活性炭組成的純化介質包含在器皿中，用於從氮氣中除去某些碳氫化合物和水。
在某些實施方案中，本文描述的系統和方法可允許置換或再生純化介質。再生可使用氣體淨化領域熟知的方法完成，所述方法例如，但不限於，在升高的溫度下，將其暴露於高純度的惰性再生氣體中。置換是通過除去純化物質，或從氣體管線中除去全部淨化器設備來完成。
在另一個實施方案中，淨化設備可包含低溫冷卻俘獲較高冷凝點/凝固點的雜質，以在加壓之前除去雜質。在本發明的一個優選的實施方案中，低溫冷卻俘獲(cryogenic cold trapping)被用於從氮氣中除去某些較高分子量的碳氫化合物和水。
然後，純化的氣流流過減壓設備，以提供更低壓力的氣流。之後，將更低壓力的氣流輸送到顆粒計數器和/或顆粒俘獲過濾器。
在本發明的另一個優選的實施方案中，本文描述的方法和系統包括一個或多個在線過濾器701，以在較高壓力下從氣流中除去顆粒從而提供過濾的氣流，並降低過濾的氣流的壓力至更低壓力的氣流。在該實施方案中，關閉氣體旁路管線閥V73，打開過濾器管線閥V71。在本發明的該實施方案中，減壓期間形成的雜質生成顆粒的水平可通過顆粒計數器50和/或顆粒俘獲過濾器60來測定，而不會受到來自氣體源20的懸浮顆粒的妨礙。然後，從通過氣體流過旁路管線704獲得的隨後測定結果中減去該″本底″水平。
在本發明的另一個優選的實施方案中，本文描述的方法和系統可用於通過使用一個或多個在線氣體過濾器55在較低壓力下從氣流中除去顆粒，以提供過濾的氣流。在該實施方案中，關閉氣體旁路管線閥V22，打開過濾器管線閥V21。在本發明的該實施方案中，可獲得通過顆粒計數器50和/或顆粒俘獲過濾器60測量的顆粒的″本底″水平，其不受雜質生成顆粒的形成、″脫落″生成顆粒的形成和來自氣體源20的懸浮顆粒的妨礙。然後，從通過氣體流經旁路管線150獲得的隨後測定結果中減去這些本底水平。
顆粒計數器和/或顆粒俘獲過濾器測定的顆粒的總質量用於確定存在於UHP氣體中的分子雜質的原始濃度。本發明採用預定的校正曲線，使顆粒質量和從UHP氣體源20進入的分子雜質水平相關。本發明可作為測定存在於系統中的非常低水平的汙染物雜質的早期警報過程監視器。典型地，顆粒檢測器可以與過程警報連接，以警告操作員顆粒水平超過設定水平。
參照圖2的優選實施方案，當UHP氣體進入UHP氣體系統20時，其流經過濾器16。現代微孔過程氣體過濾器具有非常高的保留效率，其可有效地消除進入UHP氣體系統的所有顆粒。過濾器下遊的所有其它來源的顆粒被清除，或使它們對源自氣體的顆粒水平的影響最小化。這些來源的實例包括閥、單流管區域及顆粒物質的其它發生器。在UHP氣體系統中定期進行這些顆粒源的清除。因此，過濾器下遊存在的任意顆粒都是與通過過濾器、或者通過位於過濾器下遊的反應性雜質源進入的雜質反應的結果。
設定測試系統10來從位於過濾器16下遊的適當監測點提取氣體試樣，優選地，靠近靈敏的IC製備工具200。使用本發明的方法用於監測雜質的製備工具的實例包括，但不限於各種化學氣相沉積(CVD)外延沉積工具中的任一種，由Applied Materials，Inc.of Santa Clara，CA.USA製造。
提取樣品氣體用於測定懸浮顆粒水平的優選方法公開於2005年2月3日申請的申請序列號No.60/649,490、名稱為″System and MethodComprising Same for Measurement and/or Analysis of Particles in GasStream″的美國臨時專利，和2006年1月27日申請的申請序列號為NO 11/340,641的相應的非臨時申請中。
用於檢測氣體中產生顆粒的雜質的本發明方法可以是非常靈敏的。例如，一種矽烷相容性自動顆粒計數器的LDL為0.1微米。這表示等同于于儀器的氣溶膠校準標準的光學直徑。所述儀器使用懸浮於氮氣中的已知尺寸的聚苯乙烯膠乳微球來校準。本發明的靈敏度受到OPC的儀器生成噪聲水平的限制。噪音水平是由電場效應或宇宙射線造成，所述電場效應或者宇宙射線在儀器的鑑頻電路中產生假性電脈衝。一種市售的儀器具有的噪音水平小於2個計數/標準立方英尺的樣品氣體。
假定為了實施本發明的某些優選實施方案，信噪比不小於1，那麼這些實施方案的最低理論靈敏度計算如下·在標準條件下，一立方英尺的體積包含1.18gm摩爾的矽烷。
·兩個0.1微米直徑的球狀顆粒包含總共3.24×10-16gm摩爾的二氧化矽(天然方英石，密度＝2.32gm/cm3)·因此，在1標準立方英尺的矽烷中，兩個0.1微米直徑二氧化矽顆粒相當於·在矽烷中，(3.24×10-16)/1.18摩爾/摩爾＝2.75×10-16摩爾/摩爾的氧，或·在矽烷中，2×2.75×10-16摩爾/摩爾＝5.48×10-16摩爾/摩爾的水這是使用本發明優選實施方案對氧或水的最低理論解析度。這是比常規雜質監測器例如APIMS要好很多的解析度。對於給定的初始壓力下給定的氣體而言，本發明的實際檢測極限取決於需要引發反應和/或成核形成懸浮顆粒物質必需的最低雜質濃度，並通過校準法來確定。
在包含校準步驟的本發明的實施方案中，優選的校正曲線將檢測到的反應誘導型或成核誘導型顆粒的測量總質量和顆粒形成前氣體中雜質的總質量相關。優選地，所述校正曲線將顯示出顆粒質量隨著給定的初始壓力下和給定的減壓下給定基質氣體中雜質質量單調增加。
OPC要求相對少的再校準工作，並且購買、操作和保養便宜。它們也佔據很少的空間，並可自動操作延長的時間。校準檢驗僅需要過濾的(不含顆粒)氣體，和適宜的氣溶膠標準。典型地，對於脫機檢測極限而言，使用懸浮於惰性氣流中的標準聚苯乙烯膠乳微球來檢驗儀器。使用過濾的惰性氣體檢驗靈敏度。這些氣體容易安全地製備。與某些分子雜質檢測器例如APIMS相比，這些再檢驗程序是簡單的。
再次參考圖3，系統10可使用計算機110，計算機110與例如顆粒計數器50、PLC或其它系統部件電連接。計算機110可以操作UHP氣體系統20內的某些閥(沒有顯示)，以基於氣流內某些參數(即，顆粒濃度、壓力、溫度、含水量、氧濃度等)使系統自動化。在優選的實施方案中，系統10也可採用測定氣流內顆粒含量的傳感器(沒有顯示)和與該傳感器電連接的控制器(沒有顯示)，如此，如果傳感器測得顆粒量高於設定的點，那麼傳感器指示UHP氣體系統20的閥關閉。
根據本發明，優選的測定氣流內顆粒含量的方法包括使至少一部分氣流流過過濾設備以提供過濾的氣流的步驟，其中過濾設備基本上不除去包含在過濾的氣流內的分子雜質，其中氣流處於第一壓力。接著，例如，一部分過濾的氣流可以被導向減壓設備，以降低該部分過濾的氣流的壓力至比第一壓力更低的壓力。接著，包含在過濾的氣流內的顆粒含量是通過使該部分的過濾的氣體進料流(處於比所述第一壓力低的壓力)通過顆粒計數器以及使另一部分過濾的氣流通過顆粒俘獲過濾器來測定的，其中顆粒俘獲過濾器與顆粒計數器並聯排布。
本發明擴展了對於矽烷中的雜質而言的可得LDL。該方法可用於起反應或成核以形成懸浮顆粒的任意雜質。
如上所述，本發明可用於其它其中反應性或成核性氣體起反應或成核以形成在氣體中懸浮的顆粒的系統。非限定性實例包括氮中的某些碳氫化合物雜質或SiH2Cl2中的氧雜質。
實施例對本領域技術人員而言，在實施其下述實施例時，本發明另外的目的、優點和新特徵將是顯而易見的，這些實施例並不是限制性的。
實施例1。用惰性氣體吹掃測試系統10，將其加熱至50℃，並循環吹掃延長的時間。然後，使用測試系統10，從UHP氣體系統20採樣1,700psig壓力下的淨化的和過濾的氦。氦在高壓下流過旁路管線704，並且流過單調節器52將壓力降低至80psig。然後，減壓的氦流過旁路管線150，進入顆粒計數器50，其由PMS，Inc.HPGP-101型號光學顆粒計數器構成。該顆粒計數器顯示出對於尺寸為0.1微米的顆粒而言，在減壓氦中的顆粒濃度為300/cu.ft.。在標準條件下，每立方英尺體積包含1.17gm摩爾的氦。在該實施例中，不揮發性雜質具有的液體密度為0.77gm/cm3，分子量為226.45gm/gm摩爾。三百個0.1微米直徑的球狀顆粒包含5.34×10-16gm摩爾的雜質。因此，1標準立方英尺氦中，三百個0.1微米直徑的雜質顆粒相當於氦中含有4.85×10-16gm摩爾/gm摩爾的雜質。因此，氦中雜質存在的水平為至少4.85x10-14摩爾百分比。
實施例2。用惰性氣體吹掃測試系統10，將其加熱至50℃，並循環吹掃延長的時間。然後，使用測試系統10，從氣瓶20中採樣處於1000psig壓力下的未淨化的、未過濾的矽烷。矽烷在高壓下流過旁路管線704，並且通過單調節器52將壓力降低至80psig。然後，減壓的矽烷流過在線過濾器55，進入顆粒計數器50，其由PMS，Inc.HPGP-101型號光學顆粒計數器構成。顆粒計數器顯示出在減壓的矽烷中顆粒濃度為約0/cu.ft.。這一結果證實，當採樣反應性矽烷氣體時，測試系統10的本底計數率低。
實施例3。用惰性氣體吹掃測試系統10，將其加熱至50℃，並循環吹掃延長的時間。然後，使用測試系統10，從氣瓶20中採樣同樣的處於1000psig壓力下的未淨化的、未過濾的矽烷。矽烷在高壓下流過旁路管線704，並且通過單調節器52將壓力降低至80psig。然後，減壓的矽烷流過旁路管線150，進入顆粒計數器50，其由PMS，Inc.HPGP-101型號光學顆粒計數器構成。該顆粒計數器顯示出對於尺寸為0.1微米的顆粒而言，在減壓矽烷中的顆粒濃度為500000/cu.ft.。當在高壓下矽烷流過在線過濾器701時，該顆粒濃度測量值不會改變。因此，在單調節器52中減壓期間形成了測量的顆粒。在標準條件下，每立方英尺體積包含1.18gm摩爾的矽烷。因為測量的顆粒是通過成核而非反應形成的，所以在該實施例中的雜質認為是非揮發性的雜質，具有的液體密度為0.77gm/cm3，分子量為226.45gm/gm摩爾。五十萬0.1微米直徑的球形顆粒包含8.91x10-13gm摩爾的雜質。因此，在1標準立方英尺的矽烷中的五十萬個0.1微米直徑的顆粒相當於矽烷中含7.55×10-13gm摩爾/gm摩爾的雜質。因此，矽烷中雜質存在的水平為至少7.55x10-11摩爾百分比。
雖然本發明已經詳細地並參照其特定實施例進行了描述，但是顯而易見地是，在不背離其精神和範圍內，本領域技術人員可進行各種改變和變更。
權利要求
1.一種製備方法，包括向處理裝置提供含有至少一種雜質的氣體，所述雜質起反應和/或形核以形成懸浮在所述氣體中的汙染性顆粒，改進之處在於，其中顆粒計數器和/或顆粒俘獲過濾器對位於所述處理裝置上遊的氣流進行採樣，以檢測在所述氣流中懸浮的所述汙染性顆粒的量，並且當所述汙染性顆粒的量超過預定量時產生信號。
2.權利要求1的方法，其中所述處理裝置為化學氣相沉積外延沉積工具。
3.權利要求1的方法，其中氣體為矽烷。
4權利要求1的方法，其中所述汙染性顆粒為與水和氧氣中至少一種反應的產物。
5.權利要求1的方法，其中所述汙染性顆粒為通過減壓形成的成核型分子雜質。
6.權利要求1的方法，其中所述氣體為矽烷，所述汙染性顆粒包含選自矽氧烷顆粒和二氧化矽顆粒的至少一種。
7.權利要求6的方法，其中二氧化矽的最大容許濃度是使用校正曲線從預定量確定的。
8.權利要求7的方法，其中顆粒的所述預定量與氣流中2.75×10-16摩爾二氧化矽/摩爾矽烷相關。
9.權利要求7的方法，其中顆粒的所述預定量與萬億分之10份的二氧化矽濃度相關。
10.權利要求1的方法，其中所述顆粒計數器為光學顆粒計數器。
11.權利要求1的方法，其中當產生信號時，中斷氣體流入所述處理裝置。
12.權利要求1的方法，其中信號包含可聽見的警報。
13.權利要求1的方法，包含測定至少一種選自下述的成員(a)顆粒的數量；(b)顆粒的濃度密度；(c)顆粒尺寸分布；(d)顆粒形態學；和(e)顆粒組成。
14.權利要求1的方法，其中顆粒計數器和顆粒俘獲過濾器採樣位於所述處理裝置上遊的氣流，以測定汙染性顆粒的量。
15.權利要求1的方法，其中汙染性顆粒的平均尺寸為0.003μm至10μm。
16.權利要求1的方法，其中測得的汙染性顆粒的平均量為1/標準立方英尺(cu.ft.)至10000000/cu.ft.。
17.一種集成電路製備方法，包含給處理裝置提供氣態矽烷，改進之處在於，其中顆粒計數器和顆粒俘獲過濾器的至少之一對位於處理裝置上遊的矽烷流進行採樣，以檢測懸浮於所述矽烷流中的汙染性顆粒的量，並且當汙染性顆粒的量超過預定量時產生信號。
18.用於保持處理裝置氣體進料流的純度水平在或高於最低可接受純度水平的裝置，所述裝置包含提供氣體的供應源至少一種與所述供應源流體連通的處理工具，其用於使用所述氣體執行處理功能；放置在所述處理工具上遊和所述供應源下遊的顆粒計數器；與至少所述顆粒計數器電連接的微處理器；和任選地與所述處理工具上遊和所述供應源下遊的所述顆粒計數器並聯設置的顆粒俘獲過濾器。
19.權利要求18的裝置，其中所述至少一種處理工具為化學氣相沉積設備，氣體為矽烷。
20.權利要求18的裝置，進一步包含至少一個通過微處理器控制的閥，以使當微處理器確定氣體進料流中汙染性顆粒的量超過預定值時，可終止向所述至少一個處理工具供給氣體進料流。
21.權利要求18的裝置，其中所述顆粒計數器為光學顆粒計數器。
22.權利要求18的裝置，包含顆粒計數器和顆粒俘獲過濾器兩者。
全文摘要
公開了改進的供給處理裝置氣體的方法，所述氣體包含至少一種能起反應和/或成核形成懸浮於氣體中的汙染性顆粒的雜質。該改進包括用粒子計數器和/或顆粒俘獲過濾器採樣處理裝置上遊的氣流，以檢測該氣流中汙染性顆粒的量，和當顆粒的量超過預定量時產生信號。實施該方法的裝置包括供應源；至少一種處理工具；放置在處理工具上遊和供應源下遊的顆粒計數器；與至少所述顆粒計數器電連接的微處理器；和任選地，與顆粒計數器並聯的粒子俘獲過濾器。所述方法和裝置可用於製備集成電路。
文檔編號H01L21/00GK101071097SQ20071010116
公開日2007年11月14日 申請日期2007年5月9日 優先權日2006年5月9日
發明者P·J·馬羅利斯, S·N·克特卡, W·T·麥克德莫特 申請人:氣體產品與化學公司