[发明专利]用于确定气体浓度的设备

说明书

技术领域

本发明大体上涉及用于感测用于半导体制造过程中的前驱气体的浓度的声学系统。更具体来说，本发明涉及允许传感器在更宽温度和压力范围上使用的材料和接合方法的新改进。

背景技术

在半导体和LED制造领域中，例如化学气相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积和原子层沉积(ALD)的气相沉积过程在将材料沉积于衬底上时发挥重要作用。所有这些过程都要求将前驱气体准确地输送到反应器腔室以便在衬底上产生具有所要均匀性和质量的层。准确地输送此气体/蒸气混合物要求精确地测量前驱气体的浓度。

目前市场中存在广泛多种可用浓度传感器，其使用例如声学技术、光学技术和质谱法的不同感测技术。在这些技术当中；例如由维易科(VEECO)出售的气体浓度传感器(在下文中称“Piezocon传感器”)的声学传感器已展现高准确性和可重复实时浓度测量。其已广泛使用并集成于CVD和MOCVD工具中以用于监视前驱体浓度并控制质量流量。

在常规Piezocon系统中，压电组件堆叠于换能器的每一侧上且以机械方式耦合到变换器。压电组件与变换器之间的界面为提供机械接合且亦还准许发射声学信号的环氧树脂。然而，尽管传感器的机械结构是稳定的，但已发现当传感器以相对高的温度(>100℃)操作时，压电组件可分离于变换器。这是归因于压电组件与变换器之间的热膨胀系数(CTE)失配，此情况在组件之间带来导致机械接合故障的机械变形、应力和应变。

除了传感器在高温下的机械挑战之外，还发现当传感器在低压状态(低于约100托)中操作时测量的准确性降级。这是归因于跨越间隙的信号强度随着其中的气体混合物的压力降低而降低，从而导致较小信噪比且因此影响测量的准确性和可靠性。

因此，需要可在低压和/或高温环境中操作的传感器，常规系统在所述环境中并不提供可用数据或将受损。

发明内容

在CVD或ALD过程中，当在衬底的表面上通过化学反应使晶体出现生长时，必须特别关心过程参数控制以确保化学反应在所要求条件下进行。即使过程条件发生较小变化也可不利地影响装置质量和制造产率。因此，需要可在较高温度下使用、最小化噪声同时甚至在低压(低于100托)下增加总信号的浓度传感器。因此提供关于前驱气体和运载气体的更准确浓度信息。

根据实施例，揭示为气体浓度传感器提供较高信号、较低噪声和/或较高信噪比的系统及方法。此类传感器可用于CVD或ALD系统中且可用于比传统传感器更宽范围的操作条件中。传感器可包含由腔室分离的一对换能器，在腔室中可投送待测量的气体。每一换能器可进一步耦合到变换器，所述变换器将换能器与腔室中的气体分离且将换能器的振动变换成气体的声学数据。

在实施例中，通过在压电换能器与变换器之间使用例如焊料的金属材料或金属耦合剂来达成这些改进，以减少包含变换器、耦合剂和换能器的整个系统的层之间的声学失配。经减少声学失配又减少内部反射。较少内部反射增加由变换器发射到邻近气体的可用信号以及减少无用的声学噪声。

此外，在一些实施例中，金属材料或金属耦合剂可用于将多个层或压电组件的叶片连接在一起以形成每一换能器。此也具有增加所发射可用信号的总量的效果。

金属材料或金属耦合剂可能够承受将毁坏常规耦合剂的较严苛操作条件(例如高温)，同时归因于金属材料或金属耦合剂、典型陶瓷压电材料与组成变换器的块体的金属(例如，不锈钢)之间的较好声学匹配而发射较高电平的声学信号。

在实施例中，补充或替代上文所描述的改进，可将在换能器的金属主体与待测量气体之间具有声学发射性质的聚合物或其它材料层安置于变换器的表面上。因而，变换器内的内部反射减少，从而导致较大声学信号发射到接收换能器。

另外或替代地，可将吸收性或高度声学衰减材料的垫片安置于将换能器/变换器系统固持到声学单元的托架之间。以此方式，在其它情况下将通过声学单元的主体发生而非通过待测量气体发生的声学发射得到减少。此具有消除在换能器之间所发射的无用噪声的效果。

上文所描述的特征可单独或组合使用，从而相比于常规系统中所使用的传感器，在CVD或ALD系统中带来可用于更宽范围的操作条件(例如相对高的温度和低压)中，同时提供较高信号电平、较低无用的噪声电平和/或较高信噪比的气体浓度传感器。

上述发明内容并非旨在描述本发明的每一所说明实施例或每种实施方案。具体实施方式和随附权利要求书更具体地举例说明这些实施例。

附图说明