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在半導體行業(yè)，晶圓是用光刻技術制造和操作的。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非常具體的厚度。當這些層在晶圓表面被蝕刻時，等離子體監(jiān)測被用來跟蹤晶圓層的蝕刻，并確定等離子體何時完全蝕刻了一個特定的層并到達下一個層。通過監(jiān)測等離子體在蝕刻過程中產生的發(fā)射線，可以精確跟蹤蝕刻過程。這種終點檢測對于使用基于等離子體的蝕刻工藝的半導體材料生產至關重要。
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被激發(fā)或電離，形成自由電子和離子。當被激發(fā)的中性原子的電子返回到基態(tài)時，等離子體中存在的原子就會發(fā)射特有波長的輻射光，其光譜圖可用來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、電和無線電頻率。
實時等離子體監(jiān)測以改進工藝
等離子體有一系列的應用，包括元素分析、薄膜沉積、等離子體蝕刻和表面清潔。通過對等離子體樣品的發(fā)射光譜進行監(jiān)測，可以為樣品提供詳細的元素分析，并能夠確定控制基于等離子體的過程所需的關鍵等離子體參數。發(fā)射線的波長被用來識別等離子體中存在的元素，發(fā)射線的強度被用來實時量化粒子和電子密度，以便進行工藝控制。
像氣體混合物、等離子體溫度和粒子密度等參數都是控制等離子體過程的關鍵。通過在等離子體室中引入各種氣體或粒子來改變這些參數，會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。實時監(jiān)測和控制等離子體的能力可以改進工藝和產品。
一個基于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。測量是在一個封閉的反應室中進行的，光譜儀連接光纖和余弦校正器，通過室中的一個小窗口觀察。這些測量證明了模塊化光譜儀從等離子體室中實時獲取等離子體發(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)測和控制基于等離子體的過程。
等離子體監(jiān)測可以通過靈活的模塊化設置完成，使用高分辨率光譜儀，如Ocean Insight的HR或Maya2000 Pro系列（后者是檢測UV氣體的一個很好的選擇）。對于模塊化設置，HR光譜儀可以與抗曝光纖相結合，以獲得在等離子體中形成的定性發(fā)射數據。從等離子體室中形成的等離子體中獲取定性發(fā)射數據。如果需要定量測量，用戶可以增加一個光譜庫來比較數據，并快速識別未知的發(fā)射線、峰和波段。
監(jiān)測真空室中形成的等離子體時，一個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，或者被設置成通過視窗來觀察等離子體。真空通管為承受真空室中的惡劣條件而設計的定制光纖將部件耦合到等離子體室中。對于通過視口監(jiān)測等離子體，可能需要一個采樣附件，如余弦校正器或準直透鏡，這取決于要測量的等離子體場的大小。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度的視野內收集光線。
測量條件
HR系列高分辨率光譜儀被用來測量當其他氣體被引入等離子體室時氬等離子體的發(fā)射變化。光譜儀、光纖和余弦校正器通過室外的一個小窗口收集發(fā)射光譜，對封閉反應室中的等離子體進行光譜數據采集（圖1）。
圖1：一個模塊化的光譜儀設置可以被配置為真空室中的等離子體測量。
一個HR2000+高分辨率光譜儀（~1.1nm FWHM光學分辨率）被配置為測量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獲取等離子體室的數據，以解決等離子體強度的差異和測量窗口的不均勻問題。其他采樣選項包括準直透鏡和真空透鏡。
結果
圖2顯示了通過等離子體室窗口測量的氬等離子體的光譜。690-900納米的強光譜線是中性氬（Ar I）的發(fā)射線，400-650納米的低強度線是由單電離的氬原子（Ar II）產生的。圖2所示的發(fā)射光譜是測量等離子體發(fā)射的豐富光譜數據的一個例子。這種光譜信息可用于確定一系列關鍵參數，以監(jiān)測和控制半導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。這些光譜顯示了實時測量等離子體發(fā)射的強度，以監(jiān)測二次氣體對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室添加最佳數量的二次氣體，以達到預期的等離子體特性。
圖3：將氫氣添加到氬等離子體中會改變其光譜特性。
在圖 4 和 5 中，顯示了在將保護氣添加到腔室之前和之后測量的等離子體的發(fā)射光譜。 保護氣用于減少進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氣之前，加入保護氣后測得的發(fā)射光譜如圖5所示。保護氣的加入導致了氬氣發(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：加入保護氣之前，在真空室中測量氬等離子體的發(fā)射。
圖5：加入保護氣后，氬氣發(fā)射特性在400納米以下和~520納米處有明顯不同。
結論
紫外-可見-近紅外光譜是測量等離子體發(fā)射的有力方法，以實現元素分析和基于等離子體過程的精確控制。這些數據說明了模塊化光譜法對等離子體監(jiān)測的能力。HR2000+高分辨率光譜儀和模塊化光譜學方法在測量等離子體室條件改變時，通過等離子體室的窗口測量等離子體發(fā)射光譜，效果良好。
還有其他的等離子體監(jiān)測選項，包括Maya2000 Pro，它在紫外光下有很好的響應。另外，光譜儀和子系統可以被集成到其他設備中，并與機器學習工具相結合，以實現對等離子體室條件更復雜的控制。
以上文章作者是海洋光學Yvette Mattley博士，愛蛙科技翻譯整理。
世界上第一臺微型光譜儀的發(fā)明者海洋光學OceanInsight，30年來專注于光譜技術和設備的持續(xù)創(chuàng)新，在光譜儀這個細分市場精耕細作，打造了豐富而差異化的產品線，展現了光的多樣性應用，堅持將緊湊、便攜、高集成度以及高靈敏度、高分辨率、高速的不同設備帶給客戶。
2019年，從Ocean Optics更名為Ocean Insight，也是海洋光學從光譜產品生產商轉型為光譜解決方案提供商戰(zhàn)略調整的開始。此后，海洋光學不僅繼續(xù)豐富擴充光傳感產品線，且增強支持和服務能力，為需要定制方案的客戶提供量身定制的系統化解決方案和應用指導。
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