(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を監視するためのマルチパスセルアセンブリであって、
マルチパス光反射チャンバを画定する弧状外接部材であって、前記弧状外接部材の弧状範囲に沿って離間した開口を含む、弧状外接部材と、
円周方向に離間した前記開口内のミラーであって、ミラーに衝突する光のマルチパス光反射を生成するように構成された内側に向いた反射面を含むミラーと、
光の前記マルチパス光反射が前記光反射チャンバ内に生成されるように、光源からの光を前記ミラーの前記反射面に向けるように構成されている光入力構造と、
前記ミラーの前記反射面からのマルチパス光を検出して処理するために前記マルチパス光を前記光反射チャンバの外に向けるように構成されている光出力構造と、
流体が前記マルチパス光反射チャンバ内においてマルチパス光と相互作用するように流体を前記マルチパス光反射チャンバに導入するように構成されている流体入口と、
前記マルチパス光反射チャンバ内においてマルチパス光と相互作用した後に前記マルチパス光反射チャンバから流体を排出するように構成されている流体出口と、
を含むマルチパスセルアセンブリ。
【請求項２】
前記弧状外接部材と協働的に結合して前記マルチパス光反射チャンバを囲むカバー部材およびフロア部材をさらに含む、
請求項１に記載のマルチパスセルアセンブリ。
【請求項３】
前記光入力構造は、光入力ポートを含み、前記光出力構造は、光出力ポートを含み、前記光入力ポートおよび前記光出力ポートは、それらの間に３０°から９０°の範囲の開光角度を画定する、
請求項１に記載のマルチパスセルアセンブリ。
【請求項４】
前記マルチパス光反射チャンバを囲むように前記弧状外接部材に協働的に係合するカバー部材およびフロア部材をさらに含み、前記カバー部材に取り付けられ前記光入力構造に光学的に結合された光源をさらに含み、前記カバー部材に取り付けられ前記光出力構造に光学的に結合された光検出器をさらに含む、
請求項１に記載のマルチパスセルアセンブリ。
【請求項５】
前記マルチパス光反射チャンバは、０．５から１０メートルの範囲の光路長を提供するように構成されている、
請求項１に記載のマルチパスセルアセンブリ。
【請求項６】
前記弧状外接部材は、円筒部材を含み、前記光入力構造および前記光出力構造は、前記光反射チャンバ内で光の前記マルチパス光反射を生成するように構成されており、光の前記マルチパス光反射は、前記光反射チャンバ内の１０から５０の非直径弦の光反射を含む、
請求項１に記載のマルチパスセルアセンブリ。
【請求項７】
マルチパス光反射チャンバを囲んで画定する円筒壁部材であって、前記円筒壁部材は、前記円筒壁部材に円周方向に離間した開口を含む、円筒壁部材と、
前記円周方向に離間した開口内のミラーであって、前記ミラーは、内側に向いており、前記マルチパス光反射チャンバ内で光のマルチパス光反射を生成するように構成されている、ミラーと、
光の前記マルチパス光反射が前記光反射チャンバ内に生成されるように、光源からの光を１つまたは複数の前記ミラーの反射面に向けるように構成されている光入力構造と、
マルチパス光を検出して処理するために前記マルチパス光を前記光反射チャンバの外に向けるように構成されている光出力構造と、
前記円筒壁部材と協働的に係合して前記マルチパス光反射チャンバを囲むフロアおよびカバー部材と、
流体が前記マルチパス光反射チャンバ内においてマルチパス光と相互作用するように流体を前記マルチパス光反射チャンバに導入するように構成されている流体入口であって、前記流体入口は、前記フロア部材内に少なくとも１つの流体入口ポートを含む、流体入口と、
前記マルチパス光反射チャンバ内においてマルチパス光と相互作用した後に前記マルチパス光反射チャンバから流体を排出するように構成されている流体出口であって、前記流体出口は、前記フロア部材内に少なくとも１つの流体出口ポートを含む、流体出口と、
前記カバー部材に取り付けられ前記光入力構造に光学的に結合された光源と、
前記カバー部材に取り付けられ前記光出力構造に光学的に結合された光検出器と、
を含む流体を監視するためのマルチパスセルアセンブリ。
【請求項８】
流体流を利用するかまたは生成するプロセスツールと、
前記マルチパス光反射チャンバ内のマルチパス光と相互作用するために前記流体入口から前記流体出口へ前記マルチパス光反射チャンバを通る流体流の流れのために構成された、請求項１から７のいずれか１項に記載の流体を監視するためのマルチパスセルアセンブリと、
を含む流体処理システム。
【請求項９】
前記プロセスツールは、蒸着ツールを含み、前記蒸着ツールは、タングステン前駆体から半導体基板上にタングステンを堆積し、未反応のタングステン前駆体を含む流体流を生成するように構成されている、
請求項８に記載の流体処理システム。
【請求項１０】
請求項１から７のいずれか１項に記載のマルチパスセルアセンブリを介して前記流体流を流してマルチパス光出力を生成することと、
前記マルチパス光出力を検出および処理して前記流体流の特性を明らかにするまたは分析することと、
を含む流体流を監視する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年１月１９日にＴｈｏｍａｓ  Ｈ．Ｂａｕｍらによって出願された”赤外線および紫外線を監視するための小容積、長経路長のマルチパスガスセル”という名称の米国仮特許出願第６２／１０５，１７８号の３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９の規定に基づく優先権の利益を主張する。この米国仮特許出願第６２／１０５，１７８号の開示は、全ての目的のために、その全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、半導体製品、フラットパネルディスプレイ、およびソーラーパネルの製造のような用途において、流体の小容積で長い経路長の光電子監視を可能にする流体監視装置および方法に関する。限定された容積内の液体およびガスなどの流体材料の測定感度を高めるために提供される光学セルが記載されている。このような光学セルは、光学空洞の壁からの多重反射を使用し、例えば産業、環境、公共安全、国土防衛、消費者および医療用途などの広範な用途において、低濃度のガスまたは蒸気の測定および検出に特に有用に使用される。
【背景技術】
【０００３】
流体の監視のための光電子検出器の使用において、例えば流体流中の関心のある成分を定量化するまたは特性を明らかにするために、赤外線監視装置が開発されている。これらの装置は、広範囲に多種多様な種類のものであってもよい。
【０００４】
そのような装置の１つのカテゴリーでは、赤外線をサンプルセルに通して、セルを通る流体流の流れと相互作用させる。そのような装置で利用される赤外線源は、典型的には、平行ビームを生成するように構成されている広帯域赤外線光源である。ビームは、典型的にはガスであるが、液体またはガス／液体の混合物を含み得る流体流に接触する。このような接触では、入射放射線のビームは流れの成分と相互作用し、送信または反射された信号はサンプルセルから出て赤外線検出器に衝突する。
【０００５】
赤外線検出器は、様々に構成することができる。例えば、赤外線検出器は、複数の独立したフィルタチャンネルを含み、それぞれが特定のスペクトル特性の赤外線放射を通過させる特定のフィルタ要素を備えていてもよい。したがって、独立したフィルタ要素は、ＩＲ光源からの赤外光と相互作用し、そのような赤外光の特徴的な変化、減衰、または変調を生成させる関心のある特定の成分または化学種を特定するために使用されてもよく、サンプルセルから出力された赤外光が、そのような成分または化学種と関連していると識別することができる。
【０００６】
赤外線検出器は、例えば赤外線熱エネルギーを電気エネルギー、例えばＤＣ出力信号に変換する受信熱電対（焦電など）要素とともに配置されたＩＲフィルタを含むことができる。したがって、特定のフィルタに関連する熱電対素子は、熱電対素子が関連するフィルタによって決定される特定の波長または他のスペクトル特性のＩＲ放射に衝突すると、出力電気信号を応答的に生成するように”調整”され得る。
【０００７】
上述の赤外線流体監視装置は、多数の材料および用途に適用することができる。概して、本開示の流体監視装置は、任意の様々な構成および形態で実施されてもよく、例えば、広範囲に多種多様な種類の焦電検出器を包含してもよい。
【０００８】
具体的な例として、熱電対赤外線（ＴＰＩＲ）監視システムは、金属沈着、例えばタングステン金属沈着が対応する金属前駆体を用いた蒸着プロセスによって実行される半導体製造施設で使用されてもよく、ＴＰＩＲ監視システムは、プロセス中に生成された前駆体および前駆体の蒸気分解生成物の流出物濃度を検出するために、蒸着プロセスからの流出物流を監視するように構成されている。そのようなＴＰＩＲ監視システムで利用される検出器は、ベースラインの基準または較正目的のために利用される基準チャンネルを備え得る。
【０００９】
上記の使用されている光電子監視システムは、競合する設計上の考慮事項に対処しなければならない。一般に、サンプルセル内の流体流を通過する赤外線ビームの経路は、検出工程において高レベルの精度（および分解能）を達成するために、入射ＩＲビームと流体流との対応する相互作用を可能にする実質的な長さであることが望ましい。したがって、長い経路長によれば、低い検出限界を実現することが可能になる。同時に、スペースが高価であり最小限に抑えられるのが望ましい半導体産業のような特定の用途では、対応して容積が小さく小型またはフットプリントが小さいコンパクトな特徴を有する監視システムを提供することが望ましい。
【００１０】
多成分流体流の成分の検出および分析のための赤外線光源光電子監視システムに加えて、可視光源、紫外線（ＵＶ）光源などを含む他の種類の光源を利用する光電子監視システムが当該技術分野で利用されている。
【００１１】
上述した種類の流体監視システムは、特定の電磁放射、例えば光を監視される材料と相互作用させるための適切なサイズの光路長を必要とし、上述したように、経路長は、特定の監視装置によって達成可能な測定の感度および検出下限を決定する。電磁放射の吸収は、ランバートの法則に従って、またはより普遍的なブーゲランベルトベール法によって、経路長に比例する。経路長の考慮は、低濃度のガスまたは蒸気を測定する必要がある多くの用途において、監視装置の実際的な使用を制限する可能性がある。数ｐｐｍから数ｐｐｂまたはそれ以下の濃度範囲の物質の測定には、１メートル以上の経路長が必要であることは珍しくない。
【００１２】
小さなサイズおよび小さな容積の構成を達成するとともにサンプルセル内で長い経路長を達成するために、マルチパス監視システムが提案され、開発されている。そのような小容積の長い経路長の流体サンプルセルは、入射する放射ビームの複数回の通過または反射を使用して、比較的小さな形態で長い経路長を達成する。小容積は時間遅延を低減し、長い経路長は検出限界を低くすることができる。
【００１３】
したがって、有用な光電子流体監視セルを達成するための主な検討事項は、監視操作のために必要なサンプル量が少ないこと、改良されたサンプル測定感度を実現するための光監視のための延長された光路長、光信号利用を最大化するための効率的な成分の光結合、および、流体監視セルおよび関連する部品およびアセンブリの低コスト製造可能性である。
【００１４】
本技術は、多成分流体流の成分の検出および分析、およびリアルタイム流体流監視のための光電子監視システムの改良を続けている。
【発明の概要】
【００１５】
本開示は、流体監視装置および方法に関する。
【００１６】
１つの態様において、本開示は、流体を監視するためのマルチパスセルアセンブリに関し、マルチパスセルアセンブリは：
マルチパス光反射チャンバを画定する弧状外接部材であって、前記弧状外接部材は、前記弧状外接部材に衝突する光のマルチパス光反射を生成する前記弧状外接部材の弧状範囲に沿って内側に向いた反射面を含む、弧状外接部材と、
光の前記マルチパス光反射が前記光反射チャンバ内に生成されるように、光源からの光を前記弧状外接部材の前記反射面に向けるように構成されている光入力構造と、
前記弧状外接部材の前記反射面からのマルチパス光を検出して処理するために前記マルチパス光を前記光反射チャンバの外に向けるように構成されている光出力構造と、
流体が前記マルチパス光反射チャンバ内においてマルチパス光と相互作用するように流体を前記マルチパス光反射チャンバに導入するように構成されている流体入口と、
前記マルチパス光反射チャンバ内においてマルチパス光と相互作用した後に前記マルチパス光反射チャンバから流体を排出するように構成されている流体出口と、
を含む。
【００１７】
他の態様において、本開示は、流体を監視するためのマルチパスセルアセンブリに関し、マルチパスセルアセンブリは：
マルチパス光反射チャンバを囲んで画定する円筒壁部材であって、前記円筒壁部材は、前記円筒壁部材に円周方向に離間した開口を含む、円筒壁部材と、
前記円周方向に離間した開口内のミラーであって、前記ミラーは、内側に向いており、前記マルチパス光反射チャンバ内で光のマルチパス光反射を生成するように構成されている、ミラーと、
光の前記マルチパス光反射が前記光反射チャンバ内に生成されるように、光源からの光を１つまたは複数の前記ミラーの反射面に向けるように構成されている光入力構造と、
マルチパス光を検出して処理するために前記マルチパス光を前記光反射チャンバの外に向けるように構成されている光出力構造と、
前記円筒壁部材と協働して係合して前記マルチパス光反射チャンバを囲むフロアおよびカバー部材と、
流体が前記マルチパス光反射チャンバ内においてマルチパス光と相互作用するように流体を前記マルチパス光反射チャンバに導入するように構成されている流体入口であって、前記流体入口は、前記フロア部材内に少なくとも１つの流体入口ポートを含む、流体入口と、
前記マルチパス光反射チャンバ内においてマルチパス光と相互作用した後に前記マルチパス光反射チャンバから流体を排出するように構成されている流体出口であって、前記流体出口は、前記フロア部材内に少なくとも１つの流体出口ポートを含む、流体出口と、
前記カバー部材に取り付けられ前記光入力構造に光学的に結合された光源と、
前記カバー部材に取り付けられ前記光出力構造に光学的に結合された光検出器と、
を含む。
【００１８】
さらなる態様において、本開示は、流体処理システムに関し、流体処理システムは：
流体流を利用するかまたは生成するプロセスツールと、
前記マルチパス光反射チャンバ内のマルチパス光と相互作用するために前記流体入口から前記流体出口へ前記マルチパス光反射チャンバを通る流体流の流れのために構成された、本明細書に様々に記載された流体を監視するためのマルチパスセルアセンブリと、
を含む。
【００１９】
本開示のさらなる態様は、流体流を監視する方法に関し、方法は、本明細書に様々に記載された本開示のマルチパスセルアセンブリを介して前記流体流を流してマルチパス光出力を生成することと、前記マルチパス光出力を処理して前記流体流の特性を明らかにするまたは分析することと、を含む。
【００２０】
本開示の他の態様、特徴および実施形態は、以下の説明および添付の特許請求の範囲からより完全に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本開示のマルチパスセルアセンブリの一実施形態における簡略化した概略平面図である。
【図２】図２は、本開示の別の実施形態によるマルチパスセルアセンブリの簡略化した概略平面図である。
【図３】図３は、本開示のさらに別の実施形態によるマルチパスセルアセンブリの簡略化した概略平面図である。
【図４】図４は、本開示のさらに別の実施形態によるマルチパスセル配置の簡略化した概略平面図である。
【図５】図５は、本開示のさらなる実施形態による、ファセット反射面を使用するマルチパスセル配置の簡略化した概略平面図である。
【図６】図６は、本開示のさらに別の実施形態によるマルチパスセルアセンブリの分解斜視図である。
【図７】図７は、本開示の一実施形態によるマルチパスセルサブアセンブリの斜視図である。
【図８】図８は、図７のサブアセンブリを含むマルチパスセルアセンブリの斜視概略図である。
【図９】図９は、図７のマルチパスセルサブアセンブリの底面斜視図である。
【図１０】図１０は、図９のマルチパスセルサブアセンブリの概略正面図である。
【図１１】図１１は、マルチパスセルアセンブリの上面斜視図であり、マルチパスセルアセンブリの中のガス入口構造の詳細を示している。
【図１２】図１２は、本開示の一実施形態によるマルチパスセルアセンブリの上面斜視図であり、セルアセンブリカバーに取り付けられたＩＲ源およびＩＲ検出器を特徴としている。
【図１３】図１３は、図１２のマルチパスセルアセンブリの正面図である。
【図１４】図１４は、図１２および図１３に示された種類のマルチパスセルアセンブリの斜視図であり、マルチパスセルに結合されたガス入口ラインおよびガス出口ラインを含むガス流回路をさらに備える。
【図１５】図１５は、図１４のマルチパスセルアセンブリの斜視図であり、マルチパスセルアセンブリの寸法特性を示すために、マスフローコントローラとともに示されている。
【図１６】図１６は、蒸着操作における半導体基板のタングステン薄膜堆積に使用される蒸気流を代表するものとしてのタングステンカルボニル前駆体蒸気および窒素キャリアガスを供給する蒸発器からの蒸気を含む蒸気流を監視するマルチパスセルアセンブリの時間の関数としての出力データのグラフである。
【図１７】図１７は、マルチパスセルアセンブリの感知に応答してシステム動作を調整するための制御システムに関連して、本開示のマルチパスセルアセンブリを利用する半導体製造処理システムの概略図である。
【図１８】図１８は、本開示の別の実施形態によるマルチパスセルアセンブリの斜視図である。
【図１９】図１９は、金コーティングされたミラーを利用し、組立後に光学的整合が必要ないように構成された、本開示の一実施形態によるマルチパスセルアセンブリの３Ｄ印刷されたアルミニウム複合部品の斜視図である。
【図２０】図２０は、金コーティングされたミラーを利用し、組立後に光学的整合が必要ないように構成された、本開示の一実施形態によるマルチパスセルアセンブリの３Ｄ印刷されたアルミニウム複合部品の斜視図である。
【図２１】図２１は、図１８から図２０のマルチパスセルアセンブリにおいて利用され得る赤外線源の正面図である。
【図２２】図２２は、図１８から図２０のマルチパスセルアセンブリにおいて利用され得る４チャンネル検出器の正面図である。
【図２３】図２３は、監視動作のためにセル内にガスを送り、監視されたガスをセルから排出するために利用される、ユニットへのガス接続が示されている、上述したマルチパスセルアセンブリの底面図である。
【図２４】図２４は、ガスフローラインが取り付けられたこのようなガス接続の斜視図である。
【図２５】図２５は、蒸着操作における半導体基板のタングステン金属沈着に使用される蒸気流を代表するものとしてのタングステンカルボニル前駆体蒸気および窒素キャリアガスを供給する蒸発器からの蒸気を含む蒸気流を監視する線形セルアセンブリの時間の関数としての出力データのグラフである。
【図２６】図２６は、図２５のグラフのデータを生成するために使用されるものに対応する動作条件の下で、蒸着操作における半導体基板のタングステン金属沈着に使用される蒸気流を代表するものとしてのタングステンカルボニル前駆体および窒素キャリアガスを供給する蒸発器からの蒸気を含む蒸気流を監視する本開示のマルチパスセルアセンブリの時間の関数としての出力データのグラフである。
【図２７】図２７は、ガス流量が５００ｓｃｃｍのアルゴンを含む温度５５℃および圧力４０ｔｏｒｒにおけるガス流を監視する１ｍの線形セルアセンブリの時間の関数としての出力データ（２パルス）のグラフである。
【図２８】図２８は、５００ｓｃｃｍの流量のアルゴンキャリアガスを含む温度５５℃および圧力４０ｔｏｒｒにおけるガス流を監視する本開示のマルチパスセルアセンブリの時間の関数としての出力データ（２パルス）の対応するグラフである。
【図２９】図２９は、５００ｓｃｃｍの流量のアルゴンキャリアガスを含む温度５５℃および圧力４０ｔｏｒｒにおけるガス流を監視する本開示のマルチパスセルアセンブリの時間の関数としての出力データ（２２パルス）のグラフである。
【図３０】図３０は、本開示のマルチパスセルアセンブリの濃度階段測定の形態で、時間の関数としてのタングステンカルボニル前駆体蒸気の出力データのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本開示は、流体の拡張経路光学監視を達成するために高効率でコンパクトな構成のマルチパスセルアセンブリが用いられる流体監視装置および方法に関する。
【００２３】
１つの態様では、本開示は、流体を監視するためのマルチパスセルアセンブリに関し、マルチパスセルアセンブリは：
マルチパス光反射チャンバを画定する弧状外接部材であって、弧状外接部材は、弧状外接部材に衝突する光のマルチパス光反射を生成する弧状外接部材の弧状範囲に沿って内側に向いた反射面を含む、弧状外接部材と、
光のマルチパス光反射が光反射チャンバ内に生成されるように、光源からの光を弧状外接部材の反射面に向けるように構成されている光入力構造と、
弧状外接部材の反射面からのマルチパス光を検出して処理するためにマルチパス光を光反射チャンバの外に向けるように構成されている光出力構造と、
流体がマルチパス光反射チャンバ内においてマルチパス光と相互作用するように流体をマルチパス光反射チャンバに導入するように構成されている流体入口と、
マルチパス光反射チャンバ内においてマルチパス光と相互作用した後にマルチパス光反射チャンバから流体を排出するように構成されている流体出口と、
を含む。
【００２４】
このようなマルチパスセルアセンブリの具体的な構成では、反射面は、弧状外接部材の弧状範囲に沿った複数のミラーを含むことができる。これらの構成では、弧状外接部材は、複数のミラーのそれぞれが取り付けられた受信開口を含む弧状外接支持部材を含み得る。ミラーは、放物面ミラーを含んでもよく、または他の形状または形態であってもよい。
【００２５】
特定の実施形態における弧状外接部材は、円筒状壁部材を備えることができ、例えば、円筒状壁部材は、内向き反射面を含む反射内壁面を含む。あるいは、弧状外接部材は、内向き反射面を含むファセットされたまたはセグメント化された内面を含んでもよい。
【００２６】
様々な実施形態では、マルチパスセルアセンブリは、弧状外接部材と協働して結合してマルチパス光反射チャンバを囲むカバーおよびフロア部材をさらに含むことができる。
【００２７】
これらのカバーおよびフロア部材は、光反射効率を最大にするためにセル自体が光パイプのように機能するように、内部光反射面を含むことができる。
【００２８】
具体的な構成では、マルチパスセルアセンブリの流体入口は、フロア部材内に少なくとも１つの流体入口ポートを含むことができ、特定の実施形態のセルアセンブリは、サブアセンブリを通って流れる流体の流れの均一性を達成するために、２個以上のそのような流体入口ポートを含むことができる。
【００２９】
同様に、流体出口は、フロア部材内に少なくとも１つの流体出口ポートを含むことができ、フロア部材が流体入口ポートを含む場合、流体出口ポートは、流体の短絡またはセルアセンブリ内の他の不均一なまたは異常な挙動を防ぐために流体入口から横方向に離間され得る。
【００３０】
マルチパスセルアセンブリ内の光入力構造は、セルアセンブリのマルチパス光反射チャンバに入射光を導入するために、光源の中に配置されるように構成されているか、あるいは、光源に光学的に結合されるように構成されている光入力ポートを備え得る。
【００３１】
マルチパスセルアセンブリ内の光出力構造は、出力光検出器の中に配置されるように構成されているか、あるいは、出力光検出器に光学的に結合されるように構成されている光出口ポートを同様に含むことができる。
【００３２】
マルチパスセルアセンブリでは、光反射チャンバの光入力および光出力がマルチパスセルアセンブリが使用される特定の用途に必要な経路長を達成するように、相互に関連する光入力ポートと光出力ポートとの相対位置は望ましくは、光反射チャンバに導入される光の特定の度合いのマルチパスを達成するように配置される。相互に関連したそれぞれの光入力ポートと光出力ポートの相対的な位置は、本開示の幅広い実施の範囲内で大幅に変更することができる。
【００３３】
いくつかの実施形態では、相互に関連する光入力ポートと光出力ポートとの間に３０°から９０°の範囲の開光角度を画定するように、光入力ポートおよび光出力ポートを配置することが望ましい場合がある。他の実施形態では、相互に関連する光入力ポートと光出力ポートとの間に３５°から７５°の範囲の開光角度を画定するように、光入力ポートおよび光出力ポートを配置することが望ましい場合がある。マルチパスセルアセンブリの特定の実施のための適切な配置を提供するために、本明細書の開示に基づいて、入力ポートおよび出力ポートの最適な配置が当業者内で容易に決定され得ることが認識されるであろう。
【００３４】
マルチパスセルアセンブリは、マルチパスセルアセンブリの構成材料が流体の流に対して非反応性であることが望ましいので、任意の適切な構造の材料から製造することができ、例えば、マルチパスセルアセンブリの光反射チャンバを通って流れる流体の流れの特定の特性および組成に応じて、金属、セラミック、合金、ポリマーまたは複合材料を含むことができる。いくつかの用途では、セルアセンブリの動作における等温性を促進するために、高い熱容量を有する材料でマルチパスセルアセンブリまたはそのサブアセンブリを製造することが望ましい場合がある。構成の特定の材料の選択は、マルチパスセルアセンブリの所望の性能挙動を達成するために、材料の熱的、物理的、化学的および／または光学的特性に基づくことができる。様々な実施形態において、弧状外接部材は、使用中のセルアセンブリの等温動作を容易にするために、アルミニウム複合材料で製造される。
【００３５】
特定の実施形態では、マルチパスセルアセンブリの弧状外接部材は、セルアセンブリの経済的な製造を容易にするために、成形されたまたは微細加工された部材、または、３Ｄ印刷部材を含むことができる。より一般的には、任意の適切な製造方法を用いることができる。
【００３６】
本開示のマルチパスセルアセンブリの反射表面要素は、特定のガス監視用途におけるそのようなアセンブリの機能および動作に適切な任意の適切な種類のミラーであってもよい。いくつかの実施形態では、マルチパスセルアセンブリの反射面は、弧状外接部材の弧状範囲に沿った複数のミラーを含み、各ミラーは、例えば蒸着技術によって金コーティング反射面が堆積された石英ミラー基板を含む。
【００３７】
マルチパスセルアセンブリの光入力構造は、アセンブリの弧状外接部材に光入力ポートを備え、光源は、この光入力ポートに配置するかまたは光入力ポートに光学的に結合することができる。光源は、任意の適切な特性のものであってもよく、具体的な実施態様では、赤外線光源、ＵＶ光源、可視光源、または特定の所望のスペクトル特性の他の光源を含んでもよい。光源は、好ましくは、コリメートされた光を光反射チャンバに供給する。
【００３８】
光出力構造は、同様に、光出力ポートおよび弧状外接部材を備え、光検出器は、光出力ポートに配置されるか、または光出力ポートに光学的に結合され得る。
【００３９】
様々な特定の実施形態では、マルチパスサブアセンブリは、マルチパス光反射チャンバを囲むように弧状外接部材に協働して係合するカバーおよびフロア部材をさらに備えてもよい。フロア部材は、弧状外接部材と一体的に形成されてもよく、あるいは、例えば、盛り上げ、溶接、接着結合、機械的締結、または他の適切な技術によって、弧状外接部材に固定される別個の部材として最初に形成されてもよい。カバー部材は同様に、任意の適切な方法で弧状外接部材と協働して係合してもよく、弧状外接部材に機械的に固定される取り外し可能なカバーの形態を取ってもよい。
【００４０】
特定の構成では、カバーおよびフロア部材を含むセルアセンブリは、カバー部材に取り付けられ光入力構造に光学的に結合された光源と、カバー部材に取り付けられ光出力構造に光学的に結合された光検出器と、をさらに備える。このような配置によれば、保守、交換等のための光源および光検出器サブアセンブリへの容易なアクセスが可能となる。
【００４１】
特定の実施形態における光源は、赤外線光源を含むことができ、対応する光検出器は、赤外光検出器、例えばマルチチャンネル赤外光検出器を含むことができる。（光源はブロードバンドまたは特定のエネルギー帯であってもよい）。このような赤外光検出器は、セルアセンブリを通る流体の流れの通過に関連して、流体の流れまたはその成分の特性を明らかにするまたは分析するための適切な信号を出力するために、適切なフィルタ、感知および信号処理要素を備えることができる。
【００４２】
様々な実施形態において、マルチパスセルアセンブリは、特定の所望の寸法範囲の光路長、例えば、０．５から１０メートルの範囲の光路長、または０．５から５メートルの範囲の光路長、または他の寸法の特徴の光路長を提供するように構成されているマルチパス光反射チャンバを備えることができる。
【００４３】
マルチパス光反射チャンバでは、チャンバ内の光の反射パスが特定の数字の特徴となるように、入力された光は指向的に導入され、マルチパス光は光反射チャンバから指向的に通過し得る。光の通過は、光路セグメントが弦特性を有する光反射チャンバのマルチパス横断を達成するために、光が適切な数の連続した反射のために連続パスで弧状外接部材の反射面に衝突するように、非直径、すなわち、円形の光反射チャンバ内の光反射チャンバの光入力ポートから光出力ポートまで直線的に直径方向に線形ではないことが有利である。
【００４４】
したがって、様々な実施形態では、弧状外接部材は、円筒部材を備え、光入力構造および光出力構造は、光反射チャンバ内で光のマルチパス光反射を生成するように構成されててもよく、光のマルチパス光反射は、光学反射チャンバ内の１０から５０の非直径弦の光反射を含む。
【００４５】
他の実施形態では、マルチパスセルアセンブリは、光のマルチパス光反射が光反射チャンバ内の１５から４０の非直径弦の光反射を含むように構成されてもよい。さらに他の実施形態では、マルチパスセルアセンブリは、光のマルチパス光反射が、光反射チャンバ内の１８から３０の非直径弦の光反射を含むように構成されてもよい。マルチパスセルアセンブリの適切な構成によって、他の任意の数の反射を使用することができる。
【００４６】
別の態様において、本開示は、流体を監視するためのマルチパスセルアセンブリに関し、マルチパスセルアセンブリは、
マルチパス光反射チャンバを囲んで画定する円筒壁部材であって、円筒壁部材は、その中に円周方向に離間した開口を含む、円筒壁部材と、
円周方向に離間した開口内のミラーであって、ミラーは、内側に向いており、マルチパス光反射チャンバ内で光のマルチパス光反射を生成するように構成されている、ミラーと、
光のマルチパス光反射が光反射チャンバ内に生成されるように、光源からの光を１つまたは複数のミラーの反射面に向けるように構成されている光入力構造と、
マルチパス光を検出して処理するためにマルチパス光を光反射チャンバの外に向けるように構成されている光出力構造と、
円筒壁部材と協働して係合してマルチパス光反射チャンバを囲むフロアおよびカバー部材と、
流体がマルチパス光反射チャンバ内においてマルチパス光と相互作用するように流体をマルチパス光反射チャンバに導入するように構成されている流体入口であって、流体入口は、フロア部材内に少なくとも１つの流体入口ポートを含む、流体入口と、
マルチパス光反射チャンバ内においてマルチパス光と相互作用した後にマルチパス光反射チャンバから流体を排出するように構成されている流体出口であって、流体出口は、フロア部材内に少なくとも１つの流体出口ポートを含む、流体出口と、
カバー部材に取り付けられ光入力構造に光学的に結合された光源と、
カバー部材に取り付けられ光出力構造に光学的に結合された光検出器と、
を含む。
【００４７】
上述の説明から理解されるように、本開示のマルチパスセルアセンブリは、光反射チャンバ内の関心のある流体と入力された放射線との長い経路長の相互作用のための効率的なマルチパス光反射を達成するために、構造および動作が大幅に変更し得る。
【００４８】
さらなる態様において、本開示は、流体処理システムに関し、流体処理システムは、
流体流を利用するかまたは生成するプロセスツールと、
マルチパス光反射チャンバ内のマルチパス光と相互作用するために流体入口から流体出口へマルチパス光反射チャンバを通る流体流の流れのために構成された、本明細書に様々に記載されている流体を監視するためのマルチパスセルアセンブリと、
を含む。
【００４９】
そのような流体処理システムのプロセスツールは、マルチパスセルアセンブリによって監視される流体流を利用または生成するために採用されるような、任意の適切な種類のものであってもよい。
【００５０】
１つの特定の実施態様では、プロセスツールは、例えば蒸着ツールなどの半導体製造ツールを備え、蒸着ツールは、例えばタングステン前駆体などの対応する金属前駆体から半導体基板上に金属、例えばタングステンを堆積し、未反応の前駆体、例えば未反応のタングステン前駆体、または未反応のタングステン前駆体および蒸着操作の結果生じるタングステン前駆体の蒸着副生成物を含む流体流を発生させるように構成されている。このような目的のための金属前駆体は、任意の適切な種類のものであり得、様々な特定の実施形態において、金属カルボニル前駆体化合物、例えば、タングステンカルボニル前駆体化合物を含み得る。
【００５１】
本開示のさらなる態様は、流体流を監視する方法に関し、方法は、本明細書に様々に記載されている本開示のマルチパスセルアセンブリを介して流体流を流してマルチパス光出力を生成することと、マルチパス光出力を処理して流体流の特性を明らかにするまたは分析することと、を含む。
【００５２】
このような方法で使用される光は、任意の適切な種類のものであってもよく、特定の実施形態では、紫外光、可視光、赤外光、または前述の光スペクトルの組み合わせを含む所望のスペクトル特性の他の光を含み得る。流体流の特性を明らかにするまたは分析するためのマルチパス光出力の処理は、そのような目的に有効な任意の適切な操作を含むことができる。
【００５３】
例えば、処理は、光をフィルタリングし、得られたフィルタリングされた光を熱電対検出要素に衝突させて流体流の化学組成を分析することを含み得る。流体流は、半導体製造工程に導入される反応物、または、例えば半導体基板上に薄膜を堆積して、その上にタングステンカルボニル前駆体の前駆蒸気からタングステン金属およびタングステン窒化物の少なくとも１つを堆積することを含む蒸着などの半導体製造工程からの流出物を含み得る。この方法は、例えば、半導体製造工程の１つまたは複数のプロセス条件を制御するために、蒸着チャンバに供給される前駆体の化学濃度および／または組成を分析する、または蒸着チャンバから排出されるプロセス流出物を分析することによって、および／または半導体製造動作の終了の終点を決定するために行うことができる。
【００５４】
前述から、本開示のマルチパスセルアセンブリは、多種多様な方法で構成され実施されて、相応する多種多様な流体流の監視を達成し得ることが認識されるであろう。流体はガスを含むことができ、ガスという用語は蒸気を含むように広く解釈される。あるいは、流体は、液体、またはガス／液体または蒸気／液体の多相流体を含み得る。さらに、流体は、上流の流体処理工程における流体の化学反応または分解の結果として、例えば流体流中の粒子状汚染物質または成分などの浮遊固体または同伴固体を含み得る。
【００５５】
本開示の利点および構成は、図１から図１７を参照してさらに説明される。
【００５６】
ここで図面を参照すると、図１は、本開示の一実施形態におけるマルチパスセルアセンブリ１００を簡略化した概略平面図である。
【００５７】
図示されているように、マルチパスセルアセンブリ１００は、本体３１７と、本体と一体的に形成されていてもよいし、あるいは別体に形成されて本体に固定されてもよい弧状外接部材２００と、を備える。この実施形態の弧状外接部材は、弧状外接部材２００によって囲まれるマルチパス光反射チャンバ３１８を画定する、円筒形状の支持壁部材２１０を含む円筒形状である。この実施形態の弧状外接部材は円筒形であるが、他の実施形態では、光反射チャンバの周りに完全に円周方向に延在するものではない弧状外接部材を使用することもできる。
【００５８】
図示された弧状外接部材は、外接部材２００の弧状の範囲に沿って内向きの反射面３１９を提供するために、支持壁部材２１０上にミラー層３００を有する。光反射チャンバは、マルチパスセルアセンブリによって行われる特定の光電子監視動作に適した任意の適切な寸法の特徴であり得る直径３１４を有する。
【００５９】
図１のマルチパスセルアセンブリは、図１の実施形態は、入力光角度３１５で導入される入力光ビームの光反射チャンバへの入力用になっている光入力ポート２２０を含む光入力構造２１４を備える。図示されているように、入力光ビーム３３２は、光入力ポート２２０から内側に向いた反射表面３１９を通過し、その後、連続的に反射されて、マルチパス（反射）光ビーム３３６を提供する。このようにして、マルチパスされた光は、光出力ポート２２２を含む光出力構造２１６を介して出力光ビーム３３０として出力される。出力光構造は、光出力構造の構成によって決定される出力光角度３１６で光出力が光反射チャンバから出るようになっていてもよい。
【００６０】
したがって、弧状外接部材２００は、マルチパス光反射チャンバ３１８を画定し、弧状外接部材は、その上に衝突する光のマルチパス光反射を生成する弧状範囲に沿って内側に向いた反射面３１９を含む。
【００６１】
光入力構造２１４は、光源（図１には示されていない）からの光を弧状外接部材の反射面に向けるよう構成されており、光のマルチパス光反射が光反射チャンバ３１８において生成される。光出力構造は、例えば、光検出器または他の光学処理コンポーネント（図１には示されてない）への移動によって検出および処理を行うために、マルチパス光を弧状外接部材２００の反射面から光学反射チャンバ３１８の外部へ向けるように構成されている。
【００６２】
図１のマルチパスセルアセンブリ１００は、マルチパス光反射チャンバに流体を導入してその中のマルチパス光と相互作用させ、その中でのマルチパス光との相互作用の後に流体をマルチパス光反射チャンバから排出するのにそれぞれ役立つ適切な流体入口構造および出口構造（明確にするために図１には示されていない）をさらに備える。そのような流体入口構造および出口構造は、光反射チャンバ内の光と流体との相互作用のために、任意の適切な種類のものであってもよく、弧状外接部材内のポートを介して、光反射チャンバのカバー内に、光反射チャンバのフロア内に、または流体の進入および排出を可能にするために設けられる。
【００６３】
マルチパスセルアセンブリの光反射チャンバにおける多重反射の合計効果は、サンプル経路長を延長して測定感度を向上させることである。経路長は、セルアセンブリからの入射角３１５および出力角３１６によって決定されるように、光反射チャンバの直径３１４を対応して増加または減少させることによって、および／または内部反射の数を増加または減少させることによって、増減し得る。
【００６４】
したがって、セルアセンブリは、ガス監視セルのためのコンパクトで費用効果の高い設計を提供する。このような設計によって特定の実施形態で提供される内部経路長は、０．５ｍから１０ｍの範囲であり得る。そのような範囲外の経路長が使用されてもよいが、サイズおよびスペース要求によって特定の用途に制約され、より短い経路長は、対象となる特定のスペクトル領域に応じて、特定の種類の光源および検出器を収容するには小さすぎることがある。より長い経路長は、特定の用途において所望よりも物理的に大きいセル寸法および容積を必要とすることがある。特定の用途に適した範囲の経路長は、本明細書の開示に基づいて、モデル化または経験的試験によって容易に決定することができる。様々な実施形態では、コンパクトサイズおよび内部試料容積で適切な感度を達成するために、０．５ｍから５ｍの経路長が使用され得る。様々な実施形態におけるサンプル容積（すなわち、光反射チャンバの容積）は、１０ｍＬから２００ｍＬの範囲内であり得るが、他の実施形態では、このような範囲よりも小さいまたは大きいサンプル容積が有効に使用され得る。
【００６５】
図１に示されたセルアセンブリは、本体３１７を構成する適切な材料のブロックから構成することができ、光反射チャンバ３１８を形成するために空洞が円形の断面で切断される。ブロックは、金属、セラミック、ポリマー、材料の化合物などの任意の適切な構造材料で形成することができる。このような円形断面部分の光反射チャンバを囲む壁の表面は、特定の実施形態では、内向きの反射面３１９を提供するために鏡面仕上げに研磨されてもよい。頂部および底部プレートは、頂部プレートおよび底部プレートと、示されているように一体的に形成された壁部材２１０の層であってもよいミラー層３００を備えた弧状外接部材２００とによって画定される円形断面部分の空洞を提供するために追加されてもよい。頂部および底部プレートは、光導管として機能し、拡張された光路長を生成するために必要な多重反射を生成する空洞を提供するために、同様に鏡面仕上げされてもよい。
【００６６】
光入力構造および光出力構造の配置および位置決めに関して、マルチパスセルアセンブリの様々な構成が可能である。
【００６７】
図２は、本開示の別の実施形態による、本開示のマルチパスセルアセンブリの簡略化された概略平面図である。図２のマルチパスセルアセンブリの対応する部品および要素の参照番号は、図１の同じ部品および要素に対応して番号が付けられている。図１のマルチパスセルアセンブリは、例えば６０から７５°の角度で互いに円周方向に離間した入力光構造２１４および出力光構造２１６をそれぞれ備える。これに対して、図２のマルチパス光アセンブリにおける入力光構造２１４および出力光構造２１６は、互いに近接して配置され、円周方向に３０から４５°程度の角度だけ離間して配置される。
【００６８】
図３は、本開示のさらに別の実施形態による、本開示のマルチパスセルアセンブリの簡略化された概略平面図であり、図中の部品および要素には図１のマルチパスセルアセンブリの部品および要素に対応して番号が付けられている。図３のマルチパスセルアセンブリにおいて、光入力構造および光出力構造は同様に近接しており、光入力構造２１４は、光出力構造２１６の光出力経路と交差する関連する光入力経路を有する。
【００６９】
図４は、本開示のさらに別の実施形態によるマルチパスセル配置の簡略化された概略平面図であり、図中の部品および要素には図１の部品および要素に対応して番号が付けられている。図４のマルチパスセルアセンブリにおいて、光源要素３４０は光入力構造２１４の光入力ポート２２０に配置され、光検出器要素３４２は光出力構造２１６の光出力ポート２２２に配置される。この実施形態の特定の実施態様では、１ｍの経路長を提供するために２０回の多重反射が生成され得る。
【００７０】
図５は、本開示のさらなる実施形態による、ファセット反射面を使用するマルチパスセル配置の簡略化された概略平面図であり、図中の対応する部品および要素には図１の部品および要素に対応して番号が付けられている。この実施形態では、光反射チャンバ３１８を囲み内側に向いた反射面３１９は、ファセット壁面によって構成され、光源３４０および光検出器３４２が採用される。具体的な例として、特定の実施形態におけるこのようなシステムは、光反射チャンバ内に２１回の反射を提供し、１．０３ｍの対応する経路長を生成するように構成されてもよい。
【００７１】
図１から図５の前述の実施形態では、光反射チャンバの壁面からの反射の数は、光源放射を入力するために使用される角度によって制御される。セルの全経路長は、反射回数に内部空洞の直径を掛けた数で決まり、内部空洞の高さは、光源放射の広がりおよびセルからの出口点における放射ビームの幾何学的形状に適合するように設定される。特定の実施形態では、ビームの幾何学的形状は、集束レンズを含む補助光学系の提供によって、特定の種類の器具にインターフェース接続するために適合されてもよい。
【００７２】
マルチパスセルアセンブリの全体的なサイズは、大幅に変更することができる。いくつかの実施形態では、セルを微細加工して、小型化されたまたは小規模のガスサンプリングシステムを提供することができる。そのような場合、高度にコリメートされた、ミクロンまたはサブミクロンの大きさのマイクロ横断面ビームを生成する光源要素が使用される。様々な実施形態におけるマルチパスセルアセンブリは、集積回路チップ上の、あるいは小規模またはナノスケールの実装上のスペクトルガス測定システムのために利用され得る。
【００７３】
図６は、本開示のさらに別の実施形態によるマルチパスセルアセンブリの分解斜視図である。図６のマルチパスセルアセンブリにおいて、図１から図５に例示的に記載された部品および要素と対応する部分および要素には対応した番号が付けられている。
【００７４】
図６のアセンブリは、光反射チャンバを囲むメッキされたミラー面３１９を備える空洞本体３１７を備える。チャンバはまた、Ｏリングシール要素７２１によって囲まれて、頂部カバー４０２と共に光反射空洞の漏れ止めシールを達成する。同様のＯリングシール要素（図６には図示せず）が、底部カバー４０４と共に光反射空洞の漏れ止めシールのために、チャンバの底部に設けられている。
【００７５】
空洞本体３１７には、頂部カバー４０２を所定の位置に固定するショルダーボルト４１０，４１２，４１４と、底部カバー４０４を所定の位置に固定するショルダーボルト４１６，４１８とを収容するために、長手方向に延びるメカニカルファスナー開口が設けられている。ブロックには、入力光源（図６には図示せず）からの光の入力を受け入れる入口ポート２２０が設けられており、ブロックは、光検出器（図６には図示せず）への光出力を受け入れるための光出力ポート２２２も含む。
【００７６】
光反射空洞の頂部カバー、底部カバーおよびメッキされたミラー面３１９によって境界を定められた光反射空洞の光反射特性を向上させるために、図６のマルチパスセルアセンブリの頂部カバー４０２には、研磨されたメッキ面７２０が設けられ、底部カバー４０４には同様に研磨されたメッキ面７２８が設けられる。
【００７７】
図６のアセンブリでは、流体入口４０６および流体出口４０８が頂部カバーに設けられており、入口４０６は光反射チャンバでの光との相互作用のために光反射チャンバへの流体の導入を提供し、出口４０８は光反射チャンバ内で流体がマルチパス光と相互作用した後に流体を排出する。
【００７８】
本開示のマルチパスセルアセンブリは、ガス、蒸気、ならびに、液体、液体／ガス、液体／蒸気物質、および固体／蒸気物質を含む他の流体の測定および／または特性評価に利用され得る。流体と光の相互作用のスペクトル領域は、電磁放射線スペクトルにおいて、任意の適切な波長範囲または特定の波長であり得る。特定の用途では、流体の測定および／または特性評価に利用される光は、紫外光、可視光、近赤外光、赤外線、中赤外線、または、特定の物質例えば流体または流体成分の検出または特性評価のための異なる種類の放射線の混合物を含む他の特定のスペクトル領域または波長範囲であってもよい。
【００７９】
本開示のマルチパスサブアセンブリに期待される用途は、広範囲に多種多様な種類のものである。例えば、このような種類のアセンブリは、水サンプル中の有機物質の低濃度の検出および監視を含む、ＵＶおよび可視スペクトル領域における低レベルの発色団の測定に使用され得る。液体組成物は、例えば５ｃｍから２０ｃｍまたはそれ以上のオーダーであり得る経路長を利用して、短波近赤外線測定によって監視し得る。
【００８０】
光反射チャンバのアセンブリは、セルの軸に沿った縦励起を用いて、低レベルの蛍光、燐光、または化学発光の測定に利用することができる。液体用途では、光反射チャンバは、例えば、対象流体が金属材料を汚したり、汚染したり、腐食したりしない用途に使用される、研磨された金属壁空洞とすることができる。構造の金属材料と相互作用する可能性のある流体を利用する用途では、光反射チャンバは、下地金属を腐食から保護すると同時に適切な反射率を提供するために、ポリマー、ガラス、または石英材料で形成されてもよく、または、セルの外壁を反射面材料でコーティングされていてもよい。
【００８１】
光反射チャンバは、円筒形チャンバとして、または管状チャンバとして構成されていてもよく、または特定の流体を監視するために延長された経路長を達成するためにチャンバのマルチパス動作に適応する特定の用途に適切な他の方法で構成されてもよい。
【００８２】
このように、本開示のマルチパスセルアセンブリは、流体の光との吸収を含む相互作用および他の形態の光学分光に使用することができる。セルアセンブリは、研磨された、一般的に垂直方向に延びる面を有する空洞を利用することができ、頂部および底部は完全に反射する空洞を形成するために平坦な研磨面によってシールされる。光は、垂直に延びる面の円形の断面開口を介して空洞に導入され得、光が入射光ビームの角度とは異なる角度で壁から反射するような入射角で、空洞を横切って対向する面に向けられ、光が垂直方向に延びる面の第２の開口の空洞から最終的に出射するように、空洞の包囲された垂直反射面からの多重反射による連続的な経路が開始される。光／放射線は、空洞内の多重反射の間に流体サンプルと相互作用し、有効経路長は、空洞内の全壁面反射の数、および連続反射間を移動する距離によって決定され、同様に空洞内の対向する面間の距離、およびそれぞれの光／放射線の入力および出力開口の入射角および出射角によって管理される。
【００８３】
空洞は、光／放射が反射される円筒外接面によって画定される内部反射領域を構成する円形断面チャンバの形態で提供されてもよい。上述したように、空洞は、セル空洞のそれぞれの頂部および底部におけるプレートなどの連続的な平坦な反射面によって囲まれていてもよい。
【００８４】
光源および光検出器要素のためのそれぞれの開口は、それぞれの光源および検出器装置を収容するための円形断面部分開口を提供するために、セルの壁に機械加工または穿孔することができ、あるいはミラー、光ファイバアレイ、または光入口開口および光出口開口をそれぞれの光源および検出器装置と光学的に結合する他の成分を採用し得る。開口は、光反射空洞に入力される光ビームの初期直径、または光反射空洞から出力される光ビームを規定するのに適切な寸法特性を有し得る。光入力ビームおよび光出力ビームの直径は、セル内のビーム発散または収束の程度に応じて、互いに同じであってもよく、または異なっていてもよい。
【００８５】
セルの公称または平均の経路長は、セルの壁内のセルの底面に対する水平面における入力開口部と出力開口部との間の相対角度、およびセルの円形断面部分を横切る直径、によって決定される。セル内の最適な反射幾何形態を確保するために空洞内の対向する壁面の平行度が利用される。セルの頂部および底部の囲み部材の反射内面は、光ビームの垂直偏差を補正し、セル内に光パイプのような構造を形成するのを助ける。
【００８６】
セルには、セル内で監視されている材料（例えば、ガス、蒸気、液体など）の入力および出力のための２つ以上のポートが設けられてもよい。ポートは、セルのこのような構造要素に機械加工され得る開口部として、頂部プレートおよび／または底部プレート（または側壁）に配置され得る。適切なエラストマー組成物のＯリングまたは他の形態の機械的シールによって提供されるような連続シールを用いて、光反射空洞の流体密封特性を達成することができる。例えば、このような頂部プレートおよび底部プレートによって囲まれた空洞をシールするために、セルの本体部分に溝または窪みを形成して、そのような種類のＯリングを収容することができる。セル内の流体の真空、大気圧または超大気圧に耐えるために、適切な特性のシールを使用し得る。
【００８７】
光反射空洞の外接壁は、空洞の円形断面を画定する機械加工されたまたは成形された連続面を含むことができる。代替的に、反射壁面は、空洞内のマルチパス光伝送のための適切な反射（／集束）面を提供するために、ファセット、セグメント、または他の形状にすることができる。表面は、反射ビームの適切な程度の発散または収束を提供するように機械加工されるか、または他の方法で構成されてもよい。光入力構造は、入射光が外接壁の対向するファセット領域の中心に当たるように構成されてもよく、その結果、ビームは、ビームが反射として出力構造の出口開口を通ってファセット面から出るまで、マルチファセット壁のファセットからファセットへ内部多重反射される。
【００８８】
光入力構造は、内部反射壁面の幾何学的形状に依存して、出射ビームが平行にされるかまたは平行に近い特性にされるように、光反射空洞に平行放射ビームを提供するように構成されてもよい。セルは、例えば光度計、分光光度計、分光計および他の光学分析装置などの任意の適切な検出／分析装置と共に使用することができる。光学反射空洞から出るマルチパスビームは、必要であればまたは望まれるなら、装置の検出器システムまたは装置の測光または分光等への伝送のために適切な結像光学系で処理することができる。
【００８９】
適切な光源および検出器装置は、完全に一体化された流体監視システムを構成するために、任意の外部集束光学系を必要とせずにマルチパスセルに密接に結合されてもよい。光源装置は、光／放射入力開口に隣接して、または光／放射入力開口内に設けられてもよい。同様に、光／放射検出器は、光／放射出力開口に隣接して、または光／放射出力開口内に設けられてもよい。それぞれの光／放射の入力開口および出力開口には、光反射空洞に適切なシールを提供する窓が設けられてもよい。このような目的のための窓は、監視されるサンプルおよび周囲の動作環境に対して堅固で不活性であり、関心のあるスペクトル領域において透明である適切な材料で構成されてもよい。コーティングは、化学的不活性を高め、および／またはいずれかの光学面で反射損失を低減するために、窓の一方または両方の面に使用することができる。窓は、シーラント、接着結合媒体、はんだ付け、または他の接着または固定技術および材料によって、例えばＯリングまたは等価物などの機械的シール要素によって定位置に保持され得る。
【００９０】
セルは、監視用途の物理的および化学的要件、流体媒体の化学反応性、規制要件、動作環境、コストの考慮事項などに応じて、任意の適切な構造の材料で製造することができる。セルは、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼のような金属、または化学的不活性の適用可能な基準を満たすために必要な特別な合金から作られてもよい。内部空洞の光学面は、ダイヤモンド切削などの適切な研磨および／または切断手順によって提供されてもよい。切断／研磨された面の反射率は、金、ニッケル、誘電体材料などの反射性材料の堆積によって向上させることができる。
【００９１】
セルは、キャスティングまたはモールディング技術によって、金属または他の適切な構造の材料で形成され、続いて光学面を研磨することもできる。セラミック、エンジニアリングポリマー、または他のポリマーまたは樹脂（熱可塑性、熱硬化性、または触媒硬化性）などの構造の材料は、反射性金属または誘電体材料の堆積による光学面の反射率の向上をオプションで意図している。セル空洞壁は、セルの使用において適切な反射特性のためにファセットまたは形成または輪郭付けされ得る複合壁構造のその後の組み立てのために、成形、鋳造または他の技術によってセグメントに形成されてもよい。このような複合壁構造の壁セグメントは、適切な接着剤またはシーラント材料によって結合されて組み立てられ得る。
【００９２】
セルは、熱伝導性材料から製造され、セル内の流体との光／放射の相互作用が特定の温度で行われるように、熱伝達要素または能力を組み込むことができる。この目的のために、セルは、等温動作が保証されるように製造され、光反射チャンバ内の全ての点における空洞の温度は、厳密に均一である。このような目的のために、ヒータ要素または伝熱通路を空洞壁および／またはカバー部材に設けることができる。
【００９３】
図７は、本開示の別の実施形態によるマルチパスセルサブアセンブリの概略斜視図である。このセルサブアセンブリは、フロア取付フランジ４２０を備え、そこから、図示のように、内部に光入力ポート２２０を有する円筒壁の形態の弧状外接部材２００が上方に延びている。
【００９４】
円筒壁は、光入力ポート開口および光出力ポート開口を備える壁の上端および下端の中間に円周範囲に沿って一連の受信開口４２２を内部に備える。受信開口には、光入力ポートおよび光出力ポート用の開口部以外に、そこに衝突する放射の反射パスを生成するためのミラー４２４が配置される。円筒壁の上端部には、光反射チャンバをシールするためのＯリングの嵌め込みを受け入れるＯリング受け溝４２６が設けられている。
【００９５】
図８は、図７のサブアセンブリを含むマルチパスセルアセンブリの概略斜視図である。マルチパスセルアセンブリ１００は、光入力構造２１４、関連する光源１０６、および光検出器１０８を備える。セルアセンブリは、ハウジング１０２およびカバー部材１０４を含む。
【００９６】
図９は、図７のマルチパスセルサブアセンブリの底面斜視図であり、フロア取付フランジ４２０、受信開口４２２、およびミラー４２４を示している。
【００９７】
図１０は、図９のマルチパスセルサブアセンブリの概略正面図である。図示されているように、光源１０６は光入力構造に対して配置され、入力光ビームを光反射チャンバに導入する。セルサブアセンブリの受信開口４２２は、光反射チャンバからの出力光ビームを受信し、受信したビームをアセンブリの検出器に向ける光出力構造２１６とともに示されている。
【００９８】
図１１は、マルチパスセルアセンブリの上面斜視図であり、マルチパスセルアセンブリ内の流体入口構造の詳細を示している。図示されているように、弧状外接部材２００は、セルアセンブリハウジング１０２内の光反射チャンバ３１８に外接し、流体入口（／出口）ポート１１０は、光反射チャンバ内に流体を導入して光反射チャンバに通流させるために配置される。
【００９９】
図１２は、本開示の一実施形態によるマルチパスセルアセンブリの上面斜視図であり、カバーに取り付けられたＩＲ源とカバーに取り付けられたＩＲ検出器とを含むセルアセンブリを特徴とする。
【０１００】
図１２に示すセルアセンブリカバー部材１０４には、監視動作を実行し、監視出力信号を生成するために、光源１０６、光検出器１０８、およびその間の電子モジュール１１２が取り付けられている。
【０１０１】
図１３は、図１２のマルチパスセルアセンブリの正面図である。図示されているように、セルアセンブリハウジング１０２は、セルアセンブリカバー部材１０４に係合し、カバー部材１０４には、光源１０６、光検出器１０８、および関連する電子モジュール１１２が取り付けられる。
【０１０２】
図１４は、図１２および図１３に示された種類のマルチパスセルアセンブリの斜視図であり、マルチパスセルに結合されたガス入口ラインおよびガス出口ラインを含むガス流回路をさらに備える。ガス流回路は、チャンバの床の空間的に離れた流体入口ポートを介し、セルアセンブリハウジング１０２内の光反射チャンバの床を通って流体を導入するためにマニホールドされたガス入口ライン１１４を備える。ガス出口ライン１１６は、マルチパス光と相互作用した後に光反射チャンバから流体を排出するために設けられている。
【０１０３】
図１５は、図１４のマルチパスセルアセンブリ１００の斜視図であり、マルチパスセルアセンブリの相対的な寸法特性を示すために、マスフローコントローラ１２０とともに示されている。
【０１０４】
図１６は、蒸着操作における半導体基板のタングステン金属沈着に使用される蒸気流を代表するものとしてのタングステンカルボニル前駆体蒸気および窒素キャリアガスを供給する蒸発器からの蒸気を含む蒸気流を監視するマルチパスセルアセンブリの時間の関数としての出力データのグラフである。
【０１０５】
図１６のデータを生成するために利用される蒸発器は、アルゴンキャリアガスの流量が５００ｓｃｃｍおよび窒素キャリアガスの流量が５０ｓｃｃｍのアルゴン／窒素混合キャリアガス流中でタングステンカルボニル前駆体蒸気を送達するために、温度５５℃、圧力４０ｔｏｒｒのパルス流フォーマットで運転した。キャリアガスおよびタングステンカルボニル前駆体蒸気を含む統合された蒸気を、本開示のマルチパスセルアセンブリに流し、マルチパスセルアセンブリは、４チャンネル赤外線検出器を含んでいた。セルアセンブリの光反射チャンバに入力された放射線は赤外線であった。
【０１０６】
青色の線＃で示された４チャンネル検出器の第１のチャンネルは一酸化炭素（ＣＯ）を監視し、マゼンタの線＃で示された第２のチャンネルは二酸化炭素（ＣＯ２）を監視し、緑色の線＃で示された第３のチャンネルはタングステンカルボニル前駆体を監視し、赤色の線＃で示された第４のチャンネルは基準チャンネルであった。
【０１０７】
図１６のグラフのデータは、マルチパスセルアセンブリが、ＣＯ、ＣＯ２およびタングステンカルボニル化合物に関するガス流の組成の特性を明らかにすること、およびタングステンカルボニル前駆体蒸気を提供する蒸発器の性能品質を示すことに非常に有効であることを示している。
【０１０８】
図１７は、マルチパスセルアセンブリの感知に応答してシステム動作を調整するための制御システムに関連して、本開示のマルチパスセルアセンブリを利用する半導体製造処理システムの概略図である。
【０１０９】
マルチパスセルアセンブリ１００は、例えば、半導体製造施設に設けられた化学気相堆積プロセスチャンバを含み得る蒸着ツール１２４の下流に配置される（または代替的に上流に配置される）。
【０１１０】
このプロセスシステムにおける蒸着ツール１２４は、前駆物質源容器１２６からの前駆物質蒸気と、キャリアガス源容器１２８からのキャリアガスとを受け取るように構成されている。それぞれの前駆体ガス流とキャリアガス流が混合されて前駆体ガス混合物が形成され、前駆体ガス混合物は前駆体ガス混合物供給ライン１３０を通って蒸着ツールに流入する。蒸着ツール１２４で行われる蒸着プロセスは、流出物排出ライン１３４内のツールから排出され、マルチパスセルアセンブリ１００を通過する流出物を生成する。流出ガスは、マルチパスセルアセンブリにおいて監視され、ベントライン１３６内の最終流出物としてそのようなアセンブリから排出される。
【０１１１】
マルチパスセルアセンブリ１００は、流出ガスを監視し、出力信号伝送ライン１３８を介して中央処理装置（ＣＰＵ）１３２に送信される対応出力を生成する。ＣＰＵ１３２は、出力信号伝送ライン１３８からの出力信号を処理し、制御信号伝送ライン１４０および制御信号伝送ライン１４２に出力される相関制御信号を応答して生成するようにプログラムされてもよい。このような構成では、ライン１４０の制御信号は、蒸着ツール１２４の動作を調整するために用いられ、ライン１４２の制御信号は、それぞれの前駆物質容器１２６およびキャリアガス容器１２８からの前駆体ガスおよびキャリアガスの供給を調整するために用いられる。
【０１１２】
この配置によって、蒸着ツール１２４におけるまたは蒸着ツール１２４に関するプロセス条件は、ツール内で金属沈着される基板上のタングステンの堆積を最大にするように制御可能に調整される一方、望ましくないレベルの固体微粒子または他の汚染物質を生成し得る前駆体蒸気の望ましくない副反応を同時に回避する。信号伝送ライン１４２の制御信号は、例えば、容器１２６，１２８に関連する流れ制御弁を調節することによって、ライン１３０を介してツールに流れた前駆体ガス混合物中の前駆物質の濃度を調節するために相応して使用することができ、これにより前駆体ガス混合物中の前駆物質の所望の濃度を達成する。
【０１１３】
マルチパスセルアセンブリは、プロセス制御目的のための利用に加えて、プロセス動作の終点、または前駆体ガスおよびキャリアガスを含む供給容器が枯渇しかけている状態を検出し、プロセスの動作を相応に終了させるために使用されてもよい。このような目的のためのＣＰＵ１３２は、任意の適切なプロセッサ要素および構成を含むことができ、例えば、マルチパスセルアセンブリを利用してプロセスシステムを監視および制御するためにプログラムされた専用コンピュータを含み得る。あるいは、ＣＰＵは、マイクロプロセッサ、プログラマブルロジックコントローラ、または他のコントローラ要素を含み得る。
【０１１４】
前述から、本開示のマルチパスセルアセンブリは、流体および流体含有材料の延長された経路長の放射線ベースの監視を達成するために、多種多様な流体監視動作および用途において有用に使用され得ること、および、フットプリントおよびプロセス要素の容積が望ましくは最小限に抑えられている半導体製造のような用途に望ましいように、本明細書に記載された構造配置の結果としてのマルチパスセルアセンブリは、極めてコンパクトな形態で配置することができることが理解されるであろう。前述の説明から明らかなように、本開示のマルチパスセルアセンブリは、比較的簡単な形態であり、費用効果の高い製造、組立、設置、および運用に適している。
【０１１５】
本開示のマルチパスセルアセンブリは、処理システム内のガス利用機器に供給されるプロセス流の選択されたガス成分を監視するために、様々な実施形態において有利に使用され得る。一例は、基板上にタングステンを堆積させるための製造プロセスシステムにおいて、プロセスガス流に供給されて蒸着ツールに供給されるタングステンヘキサカルボニル、Ｗ（ＣＯ）６を監視するためのこのようなマルチパスセルアセンブリの使用である。このような用途における蒸着ツールは、例えば、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスツールまたは原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスツールを含むことができる。本開示のマルチパスセルアセンブリを含む製造プロセスシステムは、半導体製品、フラットパネルディスプレイ、太陽電池パネル、または他の製品の製造に利用されてもよい。
【０１１６】
このような用途では、マルチパス光反射チャンバを画定する弧状外接部材を含むマルチパスセルアセンブリは、円形幾何学が線形セルアセンブリと比較して増加した光学面を提供したとしても全体的な信号強度の顕著な減少をすることなく、対応する線形監視セルアセンブリに関連して、監視信号の信号対雑音特性を改善するために使用し得る。
【０１１７】
他の実施形態では、本開示のマルチパスセルアセンブリは、図１８に示すようにハウジング内に配置することができ、適切な電気エネルギー源に電力ケーブルによって結合され、セルに取り付けられたＵＳＢケーブルを用いて監視信号データを関連するプロセッサに送信し、関連プロセッサは、監視信号データを処理して、例えば監視されるガスを供給するために使用されるガス供給装置の監視および制御のために利用されるような対応する出力を供給するように構成されているマイクロプロセッサ、プログラマブルロジック装置、専用プログラマブルコンピュータ、マイクロプロセッサなどを含み得る。ガス供給装置は、例えば、固体前駆体を含む対応する蒸発器容器を加熱することによって生成された前駆体蒸気を含み、固体前駆体が揮発して、下流のプロセスツールに供給するための対応する前駆体蒸気を形成する。そのような状況におけるマルチパスセルアセンブリは、モニタリング動作が効果的に実行されるように、前駆蒸気またはその成分の凝縮または凝固を防止するために、ヒータジャケットを備えていてもよい。
【０１１８】
図１８に示すような種類のマルチパスセルアセンブリは、適切な周波数で動作し、あるいは動作中に適切な信号対雑音比を提供するように構成された赤外線源などの適切なビーム源で構成することができる。特定の実施形態では、パルス周波数は１０Ｈｚである。マルチパスセルアセンブリは、熱ドリフトを低減し、外来ノイズを最小限に抑え、低熱ドリフト、小型フットプリント、およびモジュール設計で、適切な高速応答時間を提供するように構成および配置される。
【０１１９】
図１９および図２０は、金コーティングされたミラーを利用し、組立後に光学的整合が必要ないように構成された、本開示の一実施形態によるマルチパスセルアセンブリの３Ｄ印刷されたアルミニウム複合部品の斜視図である。
【０１２０】
図２１は、図１８から図２０に関連して説明したマルチパスセルアセンブリにおいて利用され得る赤外線源の正面図である。示されているように、赤外線源は、適切な周波数、例えば１０Ｈｚで動作され、コンパクトな設計を有し、低消費電力を示す。
【０１２１】
図２２は、図１８から図２０に関連して説明されたマルチパスセルアセンブリにおいて利用され得る４チャンネル検出器の正面図である。検出器は、適切に低い温度感度およびノイズ感度特性を示すように構成された、図示のコンパクトな”クワド”ボード構成で提供されてもよい。
【０１２２】
図２３は、監視動作のためにセル内にガスを送り、監視されたガスをセルから排出するために利用される、ユニットへのガス接続が示されている、上述したマルチパスセルアセンブリの底面図である。図２４は、ガスフローラインが取り付けられたこのようなガス接続の斜視図である。
【０１２３】
図２５は、蒸着操作における半導体基板のタングステン金属沈着に使用される蒸気流を代表するものとしてのタングステンカルボニル前駆体蒸気および窒素キャリアガスを供給する蒸発器からの蒸気を含む蒸気流を監視する線形セルアセンブリの時間の関数としての出力データのグラフである。
【０１２４】
図２５の監視データは、アルゴンキャリアガスの流量が５００ｓｃｃｍおよび窒素キャリアガスの流量が５０ｓｃｃｍの混合アルゴン／窒素キャリアガス流中のタングステンカルボニル前駆体蒸気を含む温度５５℃および圧力４０ｔｏｒｒにおけるガス流について生成された。キャリアガスおよびタングステンカルボニル前駆体蒸気を含む凝縮蒸気を線形セルアセンブリに流し、アセンブリは４チャンネル赤外線検出器を含んでいた。線形セルアセンブリに入力された放射線は赤外線であった。
【０１２５】
青色の線＃で示された４チャンネル検出器の第１のチャンネルは一酸化炭素（ＣＯ）を監視し、マゼンタの線＃で示された第２のチャンネルは二酸化炭素（ＣＯ２）を監視し、緑色の線＃で示された第３のチャンネルはタングステンカルボニル前駆体を監視し、赤色の線＃で示された第４のチャンネルは基準チャンネルであった。
【０１２６】
図２６は、図２５のグラフのデータを生成するために使用されるものに対応する動作条件の下で、蒸着操作における半導体基板のタングステン金属沈着に使用される蒸気流を代表するものとしてのタングステンカルボニル前駆体および窒素キャリアガスを供給する蒸発器からの蒸気を含む蒸気流を監視する本開示のマルチパスセルアセンブリの時間の関数としての出力データのグラフである。
【０１２７】
したがって、図２６の監視データも、アルゴンキャリアガスの流量が５００ｓｃｃｍおよび窒素キャリアガスの流量が５０ｓｃｃｍの混合アルゴン／窒素キャリアガス流中のタングステンカルボニル前駆体蒸気を含む温度５５℃および圧力４０ｔｏｒｒにおけるガス流について生成された。キャリアガスおよびタングステンカルボニル前駆体蒸気を含む凝縮蒸気を本開示のマルチパスアセンブリに流し、アセンブリは４チャンネル赤外線検出器を含んでいた。マルチパスセルアセンブリに入力された放射線は赤外線であった。
【０１２８】
青色の線＃で示されたマルチパスセルアセンブリに関連する４チャンネル検出器の第１のチャンネルは一酸化炭素（ＣＯ）を監視し、マゼンタの線＃で示された第２のチャンネルは二酸化炭素（ＣＯ２）を監視し、緑色の線＃で示された第３のチャンネルはタングステンカルボニル前駆体を監視し、赤色の線＃で示された第４のチャンネルは基準チャンネルであった。
【０１２９】
本開示の図２５のグラフにおける線形セルアセンブリのデータと図２６のグラフにおけるマルチパスセルアセンブリのデータとを比較すると、マルチパスセルアセンブリが、ＣＯ、ＣＯ２およびタングステンカルボニル化合物に関するガス流の組成を監視するのに非常に有効であることを示している。マルチパスセルアセンブリでは、ボリュームホールドアップや結露は認められなかった。
【０１３０】
図２７は、ガス流量が５００ｓｃｃｍのアルゴンを含む温度５５℃および圧力４０ｔｏｒｒにおけるガス流を監視する１ｍの線形セルアセンブリの時間の関数としての出力データ（２パルス）のグラフである。監視システムは、４チャンネルの赤外線検出器を含む線形セルアセンブリを含んでいた。線形セルアセンブリに入力された放射線は赤外線であった。パルス操作は、５秒の持続時間のパルス”オン”と、４Ｈｚのレートでのデータ収集を伴う１ｍの線形セルのための１０秒の”オフ”持続時間とを含んでいた。
【０１３１】
図２８は、５００ｓｃｃｍの流量のアルゴンキャリアガスを含む温度５５℃および圧力４０ｔｏｒｒにおけるガス流を監視する本開示のマルチパスセルアセンブリの時間の関数としての出力データ（２パルス）の対応するグラフである。監視システムは、４チャンネルの赤外線検出器を含むマルチパスセルアセンブリを含んでいた。マルチパスセルアセンブリに入力された放射線は赤外線であった。パルス操作は、５秒の持続時間のパルス”オン”と、１０Ｈｚのレートでのデータ収集を伴うマルチパスセルのための１０秒の”オフ”持続時間とを含んでいた。図２７と図２８を比較すると、本開示のマルチパスセルアセンブリが、線形監視セルアセンブリと比較して、より多くの情報および視認できるパルス形状を伴う、より速い全体応答を提供することを示している。
【０１３２】
図２９は、５００ｓｃｃｍの流量のアルゴンキャリアガスを含む温度５５℃および圧力４０ｔｏｒｒにおけるガス流を監視する本開示のマルチパスセルアセンブリの時間の関数としての出力データ（２２パルス）のグラフである。マルチパスセルに対するパルス操作は、５秒の持続時間のパルス”オン”と、１０Ｈｚのレートでのデータ収集を伴う１０秒の”オフ”持続時間とを含んでいた。
【０１３３】
図３０は、本開示のマルチパスセルアセンブリの濃度階段測定の形態で、時間の関数としてのタングステンカルボニル前駆体蒸気の出力データのグラフである。タングステンカルボニル前駆体流は、温度５５℃、圧力４０ｔｏｒｒ、窒素キャリアガス流量５００ｓｃｃｍであった。マルチパスセルアセンブリの性能は、６回繰り返しにおいて経時的に同一であった。
【０１３４】
全体として、本開示のマルチパスセルアセンブリは、線形セルアセンブリと一致した一般的な性能傾向を示し、ホールドアップを観察することなく、温度変動に対する改善された挙動、電子雑音に対する改善された挙動、およびより速い信号応答時間の点で線形セルアセンブリより優れていることが実証された。
【０１３５】
本開示は、特定の態様、特徴および例示的な実施形態を参照して本明細書に記載されているが、本開示の有用性は、これらに限定されるものではなく、本明細書の記載に基づいて、本開示の分野の当業者には自明であるように、むしろ多くの他の変形、修正および代替の実施形態に及ぶことが理解されよう。これに対応して、特許請求の範囲における開示は、その精神および範囲内でそのような変形、修正および代替の実施形態の全てを含むものとして広く解釈され理解されることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0006450850.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
0006450850.tif 000027
【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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