精確跟蹤芯片蝕刻過程，用高分辨率光譜儀監(jiān)測(cè)等離子體

在半導(dǎo)體行業(yè)，晶圓是用光刻技術(shù)制造和操作的。蝕刻是這一過程的主要部分，在這一過程中，材料可以被分層到一個(gè)非常具體的厚度。當(dāng)這些層在晶圓表面被蝕刻時(shí)，等離子體監(jiān)測(cè)被用來(lái)跟蹤晶圓層的蝕刻，并確定等離子體何時(shí)完全蝕刻了一個(gè)特定的層并到達(dá)下一個(gè)層。通過監(jiān)測(cè)等離子體在蝕刻過程中產(chǎn)生的發(fā)射線，可以精確跟蹤蝕刻過程。這種終點(diǎn)檢測(cè)對(duì)于使用基于等離子體的蝕刻工藝的半導(dǎo)體材料生產(chǎn)至關(guān)重要。

等離子體是一種被激發(fā)的、類似氣體的狀態(tài)，其中一部分原子已經(jīng)被激發(fā)或電離，形成自由電子和離子。當(dāng)被激發(fā)的中性原子的電子返回到基態(tài)時(shí)，等離子體中存在的原子就會(huì)發(fā)射特有波長(zhǎng)的輻射光，其光譜圖可用來(lái)確定等離子體的組成。等離子體是用一系列高能方法使原子電離而形成的，包括熱、高能激光、微波、電和無(wú)線電頻率。

實(shí)時(shí)等離子體監(jiān)測(cè)以改進(jìn)工藝

等離子體有一系列的應(yīng)用，包括元素分析、薄膜沉積、等離子體蝕刻和表面清潔。通過對(duì)等離子體樣品的發(fā)射光譜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以為樣品提供詳細(xì)的元素分析，并能夠確定控制基于等離子體的過程所需的關(guān)鍵等離子體參數(shù)。發(fā)射線的波長(zhǎng)被用來(lái)識(shí)別等離子體中存在的元素，發(fā)射線的強(qiáng)度被用來(lái)實(shí)時(shí)量化粒子和電子密度，以便進(jìn)行工藝控制。

像氣體混合物、等離子體溫度和粒子密度等參數(shù)都是控制等離子體過程的關(guān)鍵。通過在等離子體室中引入各種氣體或粒子來(lái)改變這些參數(shù)，會(huì)改變等離子體的特性，從而影響等離子體與襯底的相互作用。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制等離子體的能力可以改進(jìn)工藝和產(chǎn)品。

一個(gè)基于Ocean Insight HR系列高分辨率光譜儀的模塊化光譜裝置用于監(jiān)測(cè)等離子體室引入不同氣體后，氬氣等離子體發(fā)射的變化。測(cè)量是在一個(gè)封閉的反應(yīng)室中進(jìn)行的，光譜儀連接光纖和余弦校正器，通過室中的一個(gè)小窗口觀察。這些測(cè)量證明了模塊化光譜儀從等離子體室中實(shí)時(shí)獲取等離子體發(fā)射光譜的可行性。從這些發(fā)射光譜中確定的等離子體特征可用于監(jiān)測(cè)和控制基于等離子體的過程。

等離子體監(jiān)測(cè)可以通過靈活的模塊化設(shè)置完成，使用高分辨率光譜儀，如Ocean Insight的HR或Maya2000 Pro系列（后者是檢測(cè)UV氣體的一個(gè)很好的選擇）。對(duì)于模塊化設(shè)置，HR光譜儀可以與抗曝光纖相結(jié)合，以獲得在等離子體中形成的定性發(fā)射數(shù)據(jù)。從等離子體室中形成的等離子體中獲取定性發(fā)射數(shù)據(jù)。如果需要定量測(cè)量，用戶可以增加一個(gè)光譜庫(kù)來(lái)比較數(shù)據(jù)，并快速識(shí)別未知的發(fā)射線、峰和波段。

監(jiān)測(cè)真空室中形成的等離子體時(shí)，一個(gè)重要的考慮因素是與采樣室的接口。儀器部件可以被引入到真空室中，或者被設(shè)置成通過視窗來(lái)觀察等離子體。真空通管為承受真空室中的惡劣條件而設(shè)計(jì)的定制光纖將部件耦合到等離子體室中。對(duì)于通過視口監(jiān)測(cè)等離子體，可能需要一個(gè)采樣附件，如余弦校正器或準(zhǔn)直透鏡，這取決于要測(cè)量的等離子體場(chǎng)的大小。在沒有取樣附件的情況下，從光纖到等離子體的距離將決定成像的區(qū)域。使用準(zhǔn)直透鏡可以獲得更局部的收集區(qū)域，或者使用余弦校正器可以在180度的視野內(nèi)收集光線。

測(cè)量條件

HR系列高分辨率光譜儀被用來(lái)測(cè)量當(dāng)其他氣體被引入等離子體室時(shí)氬等離子體的發(fā)射變化。光譜儀、光纖和余弦校正器通過室外的一個(gè)小窗口收集發(fā)射光譜，對(duì)封閉反應(yīng)室中的等離子體進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集（圖1）。

圖1：一個(gè)模塊化的光譜儀設(shè)置可以被配置為真空室中的等離子體測(cè)量。

一個(gè)HR2000+高分辨率光譜儀（~1.1nm FWHM光學(xué)分辨率）被配置為測(cè)量200-1100nm的發(fā)射（光柵HC-1，SLIT-25），使用抗曝光纖（QP400-1-SR-BX光纖）與一個(gè)余弦校正器（CC-3-UV）耦合。選擇CC-3-UV余弦校正器采樣附件來(lái)獲取等離子體室的數(shù)據(jù)，以解決等離子體強(qiáng)度的差異和測(cè)量窗口的不均勻問題。其他采樣選項(xiàng)包括準(zhǔn)直透鏡和真空透鏡。

結(jié)果

圖2顯示了通過等離子體室窗口測(cè)量的氬等離子體的光譜。690-900納米的強(qiáng)光譜線是中性氬（Ar I）的發(fā)射線，400-650納米的低強(qiáng)度線是由單電離的氬原子（Ar II）產(chǎn)生的。圖2所示的發(fā)射光譜是測(cè)量等離子體發(fā)射的豐富光譜數(shù)據(jù)的一個(gè)例子。這種光譜信息可用于確定一系列關(guān)鍵參數(shù)，以監(jiān)測(cè)和控制半導(dǎo)體制造過程中基于等離子體的工藝。

圖2：通過真空室窗口測(cè)量氬氣等離子體的發(fā)射。

氫氣是一種輔助氣體，可以添加到氬氣等離子體中以改變等離子體的特性。在圖3中，隨著氫氣濃度的增加添加到氬氣等離子體中的效果。氫氣改變氬氣等離子體特性的能力清楚地顯示在700-900納米之間的氬氣線的強(qiáng)度下降，而氫氣濃度的增加反映在350-450納米之間的氫氣線出現(xiàn)。這些光譜顯示了實(shí)時(shí)測(cè)量等離子體發(fā)射的強(qiáng)度，以監(jiān)測(cè)二次氣體對(duì)等離子體特性的影響。觀察到的光譜變化可用于確保向試驗(yàn)室添加最佳數(shù)量的二次氣體，以達(dá)到預(yù)期的等離子體特性。

圖3：將氫氣添加到氬等離子體中會(huì)改變其光譜特性。

在圖 4 和 5 中，顯示了在將保護(hù)氣添加到腔室之前和之后測(cè)量的等離子體的發(fā)射光譜。 保護(hù)氣用于減少進(jìn)樣器和樣品之間的接觸，以減少由于樣品沉積和殘留引起的問題。 在圖 4中，氬等離子體發(fā)射光譜顯示在加入保護(hù)氣之前，加入保護(hù)氣后測(cè)得的發(fā)射光譜如圖5所示。保護(hù)氣的加入導(dǎo)致了氬氣發(fā)射光譜的變化，從400納米以下和~520納米處的寬光譜線的消失可以看出。

圖4：加入保護(hù)氣之前，在真空室中測(cè)量氬等離子體的發(fā)射。

圖5：加入保護(hù)氣后，氬氣發(fā)射特性在400納米以下和~520納米處有明顯不同。

結(jié)論

紫外-可見-近紅外光譜是測(cè)量等離子體發(fā)射的有力方法，以實(shí)現(xiàn)元素分析和基于等離子體過程的精確控制。這些數(shù)據(jù)說明了模塊化光譜法對(duì)等離子體監(jiān)測(cè)的能力。HR2000+高分辨率光譜儀和模塊化光譜學(xué)方法在測(cè)量等離子體室條件改變時(shí)，通過等離子體室的窗口測(cè)量等離子體發(fā)射光譜，效果良好。

還有其他的等離子體監(jiān)測(cè)選項(xiàng)，包括Maya2000 Pro，它在紫外光下有很好的響應(yīng)。另外，光譜儀和子系統(tǒng)可以被集成到其他設(shè)備中，并與機(jī)器學(xué)習(xí)工具相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體室條件更復(fù)雜的控制。

以上文章作者是海洋光學(xué)Yvette Mattley博士，愛蛙科技翻譯整理。

世界上第一臺(tái)微型光譜儀的發(fā)明者海洋光學(xué)OceanInsight，30年來(lái)專注于光譜技術(shù)和設(shè)備的持續(xù)創(chuàng)新，在光譜儀這個(gè)細(xì)分市場(chǎng)精耕細(xì)作，打造了豐富而差異化的產(chǎn)品線，展現(xiàn)了光的多樣性應(yīng)用，堅(jiān)持將緊湊、便攜、高集成度以及高靈敏度、高分辨率、高速的不同設(shè)備帶給客戶。

2019年，從Ocean Optics更名為Ocean Insight，也是海洋光學(xué)從光譜產(chǎn)品生產(chǎn)商轉(zhuǎn)型為光譜解決方案提供商戰(zhàn)略調(diào)整的開始。此后，海洋光學(xué)不僅繼續(xù)豐富擴(kuò)充光傳感產(chǎn)品線，且增強(qiáng)支持和服務(wù)能力，為需要定制方案的客戶提供量身定制的系統(tǒng)化解決方案和應(yīng)用指導(dǎo)。

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