TW202124933A

TW202124933A - 真空密封的電饋通道

Info

Publication number: TW202124933A
Application number: TW109132314A
Authority: TW
Inventors: 史蒂芬凱瑟; 伯哈德安德勞斯
Original assignee: 列支敦斯登商英飛康股份公司
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2021-07-01
Also published as: JP7462033B2; CN114364960A; LT4031846T; CN114364960B; US20220341802A1; JP2022552620A; EP4031846B1; EP4031846A1; TWI870466B; WO2021052600A1; KR20220065009A; US11976992B2

Abstract

真空密封的電饋通道10包含： -具有通孔23電性絕緣的絕緣體元件2，其與該通孔相鄰的第一邊界面21以及同樣與該通孔相鄰且與第一邊界面相對的第二邊界面22相鄰；和 -電導性導體元件1，其穿過該通孔23延伸，並沿著該導體元件1的周圍線與該絕緣體元件2真空密封連接；其中該絕緣體元件2對在光學波長範圍內的電磁輻射25是可穿透的，其中該第一邊界面21和/或第二邊界面22是建構成彎曲面，特別是凸形或凹形面。本發明還涉及一種具有真空密封電饋通道的真空壓力感測器和用於測量電磁輻射之輻射強度的方法。

Description

真空密封的電饋通道

本發明關於一種真空密封的電饋通道。本發明還關於一種具有該電饋通道的真空壓力感測器。

已知的是，從電漿所發射的電磁輻射通過光學窗口從真空區域引出並對其進行測量或分析。這種輻射源通常具有點狀源的雲狀分佈，並發射出發散且相對弱的輻射。因此真空範圍外的可用輻射強度通常很弱。

本發明的目的是增加在真空區域中所產生電磁輻射之測量和分析用的輻射強度。本發明的目的特別是在於，增加在光學範圍內從真空壓力感測器所發射輻射之測量和分析用的輻射強度。

本發明的目的將透過如請求項1所述真空密封的電饋通道來實現。

本發明的真空密封的電饋通道包含具有通孔的電性絕緣的絕緣體元件，其與該通孔相鄰的第一邊界面以及同樣與該通孔相鄰且與第一邊界面相對的第二邊界相鄰。本發明的真空密封的電饋通道還包含電導性導體元件，其穿過該通道孔延伸並沿著該導體元件的周圍線與該絕緣體元件真空密封連接。該絕緣體元件對在光學波長範圍內的電磁輻射是可穿透的。其中該第一和/或第二邊界面是建構成彎曲面。該彎曲面可特別是設計成凸形或凹形面。

導電性導體元件也是穿過在絕緣體元件的通孔延伸。其定義了電饋通道的通道軸。第一和第二邊界面分別在絕緣體元件的一側圍繞導體元件，並且在通道軸的方向上彼此有間隔。當在真空系統中使用時，邊界面之一，例如第一邊界面，是配置在真空側，而另一個邊界面，例如第二邊界面，是配置在電饋通道背離真空的一側。除了所提及的第一和第二邊界面外，絕緣體元件可具有其他邊界面，例如在對通道軸為徑向方向上朝通道軸定向的通孔邊界面。電饋通道還可在徑向朝外指向的邊緣上有邊界面，該邊界面在電饋通道的外部邊緣將所提及的第一和第二邊界面分開。

第一和第二邊界面的形式和配置是被設計成，沿通道軸方向入射到絕緣體元件的電磁輻射在穿過絕緣體元件時被聚焦，此亦即在穿過絕緣體元件之前，平行行進且有相互有間距的輻射會在穿過絕緣體元件後彼此接近或相交。所述第一和第二邊界面中最大的一個邊界面可以是平坦的。特別是第一和第二邊界面的組合可能形成為雙凸、雙凹、平凸和平凹的佈置。

發明人注意到，特別有效的是光學波長範圍的電磁輻射在同一處被引導出真空範圍，該地點是指能透過電饋通道供應電性能量至真空區域。所供應的電性能量可以例如是用於產生電漿的電性能量。從基本結構已知具有電性導體的通道會穿透過絕緣體，且其中該導體和絕緣體是真空密封連接，由於根據本發明特徵的組合，其可以同時作用為光學通道。

發明人注意到，利用本發明電饋通道可以實現裝置的緊湊結構，其中可以達成在供應電性能量至真空區域的同時，也對從真空區域所發射出的輻射進行測量或分析。透過一個彎曲的邊界面或透過複數個彎曲的邊界面可以聚焦輻射，並因此提高輻射強度。發明人還注意到，特別有效的是，當電性或光學通道實現在同一個組件中並且此組件同時有透鏡功能時。本發明亦可被視作為電性-光學真空通道。

來自光學波長範圍的電磁輻射可例如是可見光、紅外輻射或紫外輻射。與例如經由在真空區域外簡單、雙側平面的窗口所獲得的輻射強度相比，利用本發明電饋通道可提高輻射強度100倍或更高的提升。

導體元件可由金屬構成，特別是導體元件可由鉬所組成。絕緣體元件可例如由藍寶石所組成。

從附屬請求項2至8的特徵得出電饋通道的實施例。

電饋通道的實施例還包括金屬框，其沿絕緣體元件的周圍線與該絕緣體元件真空密封連接，該周圍線將第一和第二邊界面互相分開。

金屬框使得電饋通道能夠例如透過焊接來與真空裝置的其他元件真空密封連接。絕緣體元件和金屬框之間的真空密封連接可例如透過熔融玻璃環形成。特別是熔融玻璃環可由焊料玻璃(德：Lotglas；英：solder glass)所組成。金屬框可被建構成環形。金屬框可例如具有法蘭，該法蘭是被設計成有助於將金屬框與其他元件焊接。金屬框可例如由不鏽的奧氏體鋼(德：austenitischer Stahl；英：Austenitic steel)(例如由鋼1.4435)所組成，其特徵在於高耐腐蝕性。

在電饋通道的實施例中，導體元件沿軸延伸，且第一邊界面具有第一區域和第二邊界面具有第二區域，其中第一和第二區域具有包含作為共同旋轉軸之軸的第一和第二旋轉面的形式。

第一和/或第二旋轉面可為球形或非球形的旋轉面。旋轉面的特殊情況是與軸垂直的平面。例如第一邊界面可沿垂直於軸的平面延伸。在這種情況下，第二邊界面必須是彎曲的。

在電饋通道的實施例中，導體元件形成桿狀，而且導體元件具有第一桿端，該第一桿端比突出超過第二邊界面的第二桿端更突出超過第一邊界面。

這個實施例可例如應用在下述情況中，當電磁輻射應被聚焦在第一桿端外的區域中時。在第一桿端區域中的導體元件至電源供應的連接可例如透過搭扣來執行，其橫跨桿並被引導至靠近第一桿端的區域。以這種方式配置的搭扣僅覆蓋可用橫截面的一小部分，透過該橫截面的一小部分輻射可達到焦點。

在電饋通道的實施例中，絕緣體元件建構一成像透鏡，其在第一邊界面和第一桿端之間的區域中在第一像素點上成像至少第一成像點，該第一像素點是比第二桿端更遠離第一邊界面。

成像透鏡的特徵是其焦距F。與透鏡有距離G的成像點被成像在與透鏡有距離B的像素點，其中有1/G +1/B=1/F的關係。

透過不同材料所製的多部分結構可以達成對球形像差和/或色差校正的透鏡系統。在這樣的系統中，透鏡系統的透鏡具有絕緣體元件的功能，其真空密封地與導體元件連接。

在電饋通道的實施例中，絕緣體元件是具有中央通孔的平凸透鏡。

在電饋通道的實施例中，絕緣體元件是由藍寶石所組成。

藍寶石在200nm至5000nm的波長範圍中有高透射率，因此特別適合將來自光學區域的電磁輻射以很小的損耗引出真空區域。特別是在紫外線區域內的透射率是高於200nm。此外藍寶石在機械上非常堅固。

在電饋通道的實施例中，熔融玻璃環形成導體元件和絕緣體元件之間的真空密封連接。

為了製造真空密封連接，熔融玻璃環被熔化並且上釉在導體元件。熔融玻璃環可特別是由焊料玻璃所組成。

電饋通道實施例的特徵可在本發明的範圍內任意組合，只要其等不互相排斥。

本發明還涉及根據請求項9的真空壓力感測器。本發明的真空壓力感測器具有本發明電饋通道。電饋通道所有上述所提及的實施例均可應用在本發明的真空壓力感測器中。

從請求項10至14的特徵得出真空壓力感測器的實施例。

在真空壓力感測器的實施例中，真空壓力感測器被建構成冷陰極真空計，而且導體元件形成冷陰極真空計的陽極。

在真空壓力感測器的實施例中，第一邊界面是面向真空壓力感測器的電漿區域，在第二邊界面側的光學感測器是被配置成，來自電漿區域之在所述光學波長範圍的電磁輻射可穿過絕緣體元件擴展至該光學感測器。

在具有電饋通道的真空壓力感測器的實施例中，其中電饋通道是根據一個絕緣體元件形成成像透鏡的實施例，該成像透鏡在第一邊界面和第一桿端之間的區域中在第一像素點上成像至少第一成像點，該第一像素點是比第二桿端更遠離第一邊界面，第一成像點是位在真空壓力感測器的電漿區域中且光學感測器被配置在第一像素點。

在真空壓力感測器的實施例中，電漿區域透過磁性佈置被限制在陽極之遠離絕緣體元件的一端。

這可例如透過下述來達成，將鐵磁材料所製的極靴配置成環狀圍繞陽極，其中相較於在與絕緣體元件有進一步間距的第二區域中，極靴在靠近電饋通道絕緣體元件的區域中更靠近陽極。這樣的佈置具有在第二區域中形成主輻射源的效果。

在真空壓力感測器的實施例中，導體元件在靠近絕緣體元件的區域中具有電性絕緣層。

這樣的電性絕緣層抑制了靠近絕緣體元件的電漿形成，而且電漿在目標區域(即在此陽極沒有絕緣塗層)被點燃。電性絕緣層可例如由薄的氧化鋁層(Al2O3-層)所組成。絕緣層可例如是在原子層沉積法(ALD-方法)中被施加至陽極。原子層沉積法的應用導致非常均勻的層厚度而且沒有遺漏，所以可以利用非常薄的絕緣層來實現所期望電漿被點燃的壓制。

本發明還關於請求項15的方法。

這是一種用於測量在光學波長範圍中電磁輻射之輻射強度的方法，其中該方法包含以下步驟： a)提供具有本發明電饋通道的真空設備； b)將用於點燃和維持真空區域中電漿的電性能量透過導體元件供應至真空設備的真空區域中； c)藉由光學感測器測量從電漿所發射電磁輻射的輻射強度；其中從電漿開始的電磁輻射穿過絕緣體元件輻射到光學感測器上。

特別是可以將測量應用在個別波長，例如在真空中殘留氣體的特別定發射線上。例如可在約777nm觀察到特有的氧氣發射線。線強度的改變可用作為洩漏的指標。在60秒內檢測到洩漏是可能的，這不同於將腔室加熱到例如600°C並且必須等待後續冷卻的過程。

或者也可以觀察其他線的強度，例如作為沖洗用氣體的氮。氫氣洩漏或氮氣洩漏可透過測量對應氫氣或氮氣-發射線的強度來被快速檢測。

結合真空壓力感測器方法的應用使得能夠校正電流-壓力特性曲線的氣體依賴性。依據所檢測到的氣體可使得壓力信號線性化。可根據在定義波長中所測得的輻射強度來確定氣體成分的組成。

本發明電饋通道的應用可特別用於電漿源。電漿源例如是電子迴旋共振(electron cyclotron resonance, ECR, 離子源)、潘寧(Penning)放電、感應耦合電漿(inductively coupled plasma, ICP)或輝光放電源(glow discharge source)等。具有潘寧、磁控管和倒置磁控管佈置的真空壓力感測器會產生發出輻射的電漿。這些配置可以建構成非常緊湊，即使在低於10^‑8 mbar的低壓下亦可確保足夠的離子產生。最後三個所提及的電漿源將統稱歸類為ExB-源。這些配置特別受益於本發明的電饋通道。

一或多個本發明電饋通道可連接至一個相同的真空設備或真空裝置，例如真空壓力感測器。一個可能性是，以不同方式將電磁輻射從電漿區域引出，並透過不同電饋通道的兩或多個不同絕緣體元件，將電磁輻射引導出真空區域，或者，替代性或組合式的，還有另一個可能是，經由在光學區域中有透鏡功能的電饋通道觀察兩或多個電漿區域。絕緣體元件的邊界面可例如以電磁輻射在一個以上的聚焦區域中聚焦成束的方式被成形。在所有這種情況下，兩個(或多個)光學探測器可被安裝到各自絕緣體元件或多個各別絕緣體元件的背離真空側，使得在相關光學波長範圍的電磁輻射落在其中一個光學探測器上，並在此增強輻射強度。例如可以將一個探測器設計成測量第一波長或第一波長範圍的強度，以及第二探測器設計成測量第二波長或第二波長範圍的強度。在此每個探測器都受益於本發明的效果，即電磁輻射的強度被增強。

在圖1中顯示了本發明真空密封電饋通道10的橫截面。電導性的導體元件1引導穿過絕緣體元件2的通孔23。所顯示的導體體元件是具有第一桿端11和第二桿端12的桿狀形式。在導體元件1和絕緣體元件2之間有真空密封的連接，其在截面圖中以實心圓顯示。真空密封連接沿著導體元件的周圍線延伸，並且在此截面圖平面中的兩個位置被切斷。在絕緣體元件的兩個相對側上，絕緣體元件的第一邊界面21和絕緣體元件的第二邊界面22鄰接通孔。電磁輻射25'、25''的示例性輻射路徑是以具有虛線的箭頭表示。示例性輻射路徑25'、25''行進穿過在光學波長範圍內是可穿透的絕緣體元件，並在第一邊界面21和第二邊界面22改變其方向。這兩個所顯示的輻射路徑互相平行且以平行於電饋通道軸、即平行於導體元件的縱向延伸，入射至絕緣體元件。在穿過絕緣體元件後，兩個輻射路徑會匯聚，這展現了本發明電饋通道的聚焦效果。在所顯示的圖示中，第一邊界面是彎曲面，其中外部區域形成凹下且中央區域形成凸出。在所示的情況中，第二邊界面是平坦的。

在圖2.a)至2.d)中以橫截面顯示第一和第二邊界面曲率可能性組合的變型。圖2.a)顯示平凸配置，圖2.b)顯示雙凸配置、圖2.c)顯示凹-凸配置且圖2.d)顯示具有完全平坦的第一邊界面和在穿過導體元件1, 1'周圍的區域中是平坦的第二邊界面的配置，其中在導體元件之間的中央區域是形成凸出的。變型2.d)示出了具有一個以上導體元件的實施例。橫截面穿過導體元件1且亦穿過另一個導體元件1'，其中該另一個導體元件1'具有和已討論過的導體元件1的相同性質。圖2.a)至2.c)顯示了通道，在其中導體元件中央穿過絕緣體元件。這些橫截面可例如是建構成旋轉對稱之電饋通道的橫截面。雖然未用圖形元件明確顯示，但在圖2和以下圖式中所顯示的通道是被設計成真空密封。

在圖3中顯示穿過本發明真空壓力感測器的橫截面。其是被建構成冷陰極真空計的真空壓力感測器。導體元件1形成冷陰極真空計的陽極。導體元件1和絕緣體元件2形成本發明的電饋通道，利用該電饋通道可以將電性能源從電壓源5供應到在壓力感測器內部的電漿區域26中，該電漿區域26的位置是以虛線表示。磁體佈置6確保在電漿區域中的帶電粒子(電子，離子)在彎曲路徑上移動。電磁輻射(hν)在電漿狀態的特徵是穿透過絕緣體元件2到達光學感測器7，該絕緣體元件2至少在光學波長範圍內是可穿透。由於絕緣體元件的彎曲邊界面，輻射被聚焦成束並以增強的強度進入光學感測器7。光學感測器7可以是簡單的輻射感測器，例如光感測器，但也可以是更複雜的光學感測器，例如光譜儀。在所顯示的配置中，真空壓力感測器的外圍形成冷陰極真空計的陰極。其同樣與電壓源5電性連接。真空壓力感測器通向真空系統的一側標示有「真空系統」，但未出示真空系統的細節。當然，真空系統的這一側是以真空密封連接至真空系統。在所顯示的實施例中，電饋通道包含金屬架4。導體元件1利用熔融玻璃環3與絕緣體元件2真空密封連接，並且該絕緣體元件2與金屬架4真空密封連接。在所顯示的實施例中，金屬架4被焊接到同樣是金屬製且圓柱形的陰極上。

例如電饋通道的絕緣體元件可如在此所示是設計成平凸透鏡，其中第一邊界面包含分段式有曲率半徑R的球形曲面。為了在光學感測器7得到高輻射強度，具有光譜儀的配置將例如與具有曲率半徑R=8.5mm的第一邊界面結合，其中該光譜儀例如配置在遠離真空側上，並與平坦的第二邊界面有距離d=10mm，當絕緣體元件的折射率對應於藍寶石的折射率時，特別是當絕緣體元件是由藍寶石所組成時。在一側是平坦的絕緣體元件的優點在於，可以在電饋通道的製造過程中非常準確地控制絕緣體元件的方向。這樣做的優點是，能以簡單手段準確控制焦點的位置，其導致焦點位置的高度可再現性。

電磁輻射25'、25''的兩個輻射路徑顯示了電磁輻射從電漿區域26發出，並通過對輻射是可穿透的絕緣體元件2而被聚焦在光學感測器7上。電磁輻射hν的波長位在光學波長範圍內。極靴27以將電漿範圍26限制在陽極之遠離絕緣體元件2區域的方式引導磁體佈置6的磁場。陽極由導體元件1所形成。真空壓力感測器的陰極28在所示出的部位是以圓柱形繞中央陽極配置。以虛線所顯示的陰極區域能以任何幾何形狀、但真空密封的方式形成到真空系統的過度區域。真空系統的方向是以箭頭標示。真空系統可以是真空設備，例如用於將薄層施加到基板和/或用於處理半導體晶片的真空設備。

圖4顯示具有電磁輻射之輻射束的本發明真空壓力感測器的橫截面，該電磁輻射在像面29的入射可從輻射路徑的模擬被辨識出。起源於陽極周圍區域內的大量不同輻射入射到絕緣體元件，並聚焦在像面上。在此，輻射入射到像面之近圓形面是小於相同大量輻射入射到絕緣體元件的面。這意味著在像面上圓形面中的輻射強度是高於在絕緣體元件之邊界面的輻射強度，該邊界面是面向壓力感測器的真空側。如在壓力感測器之實施例中所存在的光學感測器是可在此被配置成具有敏感面，在該敏感面可辨識出像面上的圓形面。從像面中x-和y-軸(x[mm], y[mm])上的毫米刻度可以讀出，輻射可聚焦在直徑約0.5mm的圓形區域。對於所顯示的模擬，使用如在圖3中所描述的幾何參數，即R=8.5mm和d=10mm，以及絕緣體元件2所用藍寶石的折射率。

1:導體元件 1':另一個導體元件 2:絕緣體元件 3:熔融玻璃環 4:金屬架(焊接環) 5:電壓源 6:磁體佈置 7:光學感測器 10:電饋通道 11:第一桿端 12:第二桿端 21:第一邊界面 22:第二邊界面 23:通孔 24:真空密封連接 25',25'',hν:電磁輻射 26:電漿區域 27:極靴 28:陰極 29:像面 30:真空壓力感測器 N,S:磁體佈置的北極、南極 U:電壓 Vakumm System Seite(真空系統側):在運行時，被施加真空的一側

本發明的實施例將參考以下附圖進行進一步說明，其包括：圖1圖示化並簡化顯示穿過本發明真空密封電饋通道的橫截面；圖2在子圖2.a)至2.d)中顯示本發明電饋通道的橫截面；圖3顯示本發明真空壓力感測器之實施例的橫截面；圖4在子圖4.a)中顯示真空壓力感測器之實施例的橫截面以及一束電磁輻射束與其在圖像平面的入射；在圖4.b)中顯示，在圖像平面的平面圖中，入射到圖像平面的輻射分布。

1:導體元件

2:絕緣體元件

10:電饋通道

11:第一桿端

12:第二桿端

21:第一邊界面

22:第二邊界面

23:通孔

24:真空密封連接

25':電磁輻射

25":電磁輻射

Claims

真空密封的電饋通道(10)包含： -具有通孔(23)電性絕緣的絕緣體元件(2)，其具有與該通孔相鄰的第一邊界面(21)以及同樣與該通孔相鄰且與該第一邊界面相對的第二邊界面(22)，和 -電導性的導體元件(1)，其穿過該通孔(23)延伸，並沿該導體元件(1)的周圍線與該絕緣體元件(2)真空密封連接，其中該絕緣體元件(2)對在光學波長範圍內的電磁輻射(25'、25''、hν)是可穿透的，和其中該第一(21)和/或第二(22)邊界面是形成彎曲面，特別是凸形或凹形面。
如請求項1所述的電饋通道(10)，其更包含金屬架(4)，該金屬架(4)沿著該絕緣體元件(2)的周圍線與該絕緣體元件真空密封連接，該周圍線將該第一和該第二邊界面互相分開。
如請求項1或2所述的電饋通道(10)，該導體元件(1)沿軸延伸，其中該第一邊界面(21)具有第一區域且該第二邊界面(22)具有第二區域，其中該第一和第二區域具有包含作為共同旋轉軸之軸的第一和第二旋轉面的形式。
如請求項1至3中任一項所述的電饋通道(10)，其中該導體元件(1)是形成具有第一桿端(11)的桿狀，該第一桿端(11)是比突出超過該第二邊界面(22)之第二桿端(12)還要更突出超過該第一邊界面(21)。
如請求項4所述的電饋通道(19)，其中該絕緣體元件(2)形成成像透鏡，其在該第一邊界面(21)與該第一桿端(11)之間的區域中在第一像素點上成像至少第一成像點，該第一像素點是比該第二桿端(12)更遠離該第一邊界面。
如請求項5所述的電饋通道(10)，其中該絕緣體元件(2)是具有中央通孔(23)的平凸透鏡。
如請求項1至6中任一項所述的電饋通道(10)，該絕緣體元件(2)是由藍寶石所組成。
如請求項1至7中任一項所述的電饋通道(10)，其中熔融玻璃環(3)在該導體元件(1)和該絕緣體元件(2)之間形成真空密封連接。
一種具有如請求項1至8中任一項所述的電饋通道(10)的真空壓力感測器(30)。
如請求項9所述的真空壓力感測器(30)，其中該真空壓力感測器是建構成冷陰極真空計，其中該導體元件(1)形成該冷陰極真空計的陽極。
如請求項10所述的真空壓力感測器(30)，其中該第一邊界面(21)是面向該真空壓力感測器的電漿區域，其中在該第二邊界面(22)側面的光學感測器(7)是被配置成，來自電漿區域之在所述光學波長範圍的電磁輻射(25)可穿過該絕緣體元件(2)擴展至該光學感測器(7)。
如請求項11所述的真空壓力感測器(30)，其具有如請求項5所述的電饋通道(10)，其中該第一成像點是在該真空感測器的電漿區域(26)中，其中該光學感測器(7)是配置在該第一像素點。
如請求項11或12所述的真空壓力感測器(30)，其中該電漿區域透過磁體佈置(6)被限制在陽極之遠離該絕緣體元件(2)的一端。
如請求項9至13中任一項所述的真空壓力感測器(30)，其中該導體元件(1)在靠近該絕緣體元件(2)的區域中有電性絕緣層。
一種測量在光學波長範圍中電磁輻射之輻射強度的方法，其中該方法包含以下步驟： a)提供具有如請求項1至8中任一項所述的電饋通道(10)的真空設備； b)將用於點燃並維持真空區域中電漿的電性能量透過該導體元件(1)供應至該真空設備的真空區域中； c)藉由光學感測器(7)測量從該電漿所發射電磁輻射的輻射強度；其中，從電漿開始的電磁輻射穿過絕緣體元件(2)輻射到光學感測器(7)上。