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非常具體的厚度。當(dāng)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(chǎn)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(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，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(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(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(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改變這些參數(shù)，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(chǎn)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(yīng)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(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UV氣體的一個很好的選擇）。對于模塊化設(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)。如果需要定量測量，用戶可以增加一個光譜庫來比較數(shù)據(jù)，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(shè)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(shè)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(zhǔn)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(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。

測量條件

HR系列高分辨率光譜儀被用來測量當(dāng)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(yīng)室中的等離子體進行光譜數(shù)據(jù)采集（圖1）。


一個HR2000+高分辨率光譜儀（~1.1nm FWHM光學(xué)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(shù)據(jù)，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(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(chǎn)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(shù)據(jù)的一個例子。這種光譜信息可用于確定一系列關(guān)鍵參數(shù)，以監(jiān)測和控制半導(dǎo)體制造過程中基于等離子體的工藝。


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(xiàn)。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(shù)量的二次氣體，以達到預(yù)期的等離子體特性。


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(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。