發(fā)布日期：2024-08-08 16:43:14 一、 背景
等離子體刻蝕是一種在半導體制造和其他微納加工領(lǐng)域中廣泛應用的干法刻蝕技術(shù)。它利用等離子體中的高能離子和自由基等活性粒子對材料表面進(jìn)行物理轟擊和化學(xué)反應，從而實(shí)現材料的精確刻蝕。等離子體刻蝕過(guò)程中涉及復雜的物理和化學(xué)過(guò)程，包括帶電粒子間的相互作用、化學(xué)反應的速率和機理等。這些過(guò)程難以完全從理論上模擬和分析，因此需要通過(guò)實(shí)驗手段進(jìn)行實(shí)時(shí)監測和控制。
二、 方法介紹
針對上述刻蝕過(guò)程，有許多監測刻蝕過(guò)程的方法，如質(zhì)譜法、蘭米爾法、阻抗法、光學(xué)反射法和光譜發(fā)射法等。光學(xué)發(fā)射光譜法（OES）是目前應用較廣泛的主流終點(diǎn)檢測技術(shù), OES法是一種通過(guò)測量物質(zhì)在特定條件下發(fā)射出的光譜來(lái)確定其成分和特性的分析方法，是一種實(shí)時(shí)的原位分析技術(shù),不會(huì )對等離子體刻蝕過(guò)程產(chǎn)生擾動(dòng)。OES可以實(shí)時(shí)檢測刻蝕終點(diǎn)、等離子體刻蝕過(guò)程中參數的變化。
三、 OES法監測原理
在等離子體刻蝕過(guò)程中，OES法（Optical Emission Spectroscopy，光學(xué)發(fā)射光譜法）檢測的元素主要取決于被刻蝕材料的組成以及刻蝕過(guò)程中可能產(chǎn)生的反應物和揮發(fā)性基團。OES法通過(guò)分析從等離子體中發(fā)出的光譜來(lái)確定元素的種類(lèi)和濃度，從而監控刻蝕過(guò)程的進(jìn)行情況。
然而，具體到OES法在等離子體刻蝕過(guò)程中能夠檢測哪些元素，這并沒(méi)有一個(gè)固定的列表，因為不同的刻蝕工藝和材料會(huì )導致不同的光譜特征。但一般來(lái)說(shuō)，OES法可以檢測到包括金屬元素（如鋁、銅、鐵等）、非金屬元素（如硅、氧、氮等）以及可能產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物中的元素。
在半導體制造中，等離子體刻蝕通常用于處理硅基材料，因此OES法會(huì )特別關(guān)注硅元素的光譜特征。此外，如果刻蝕過(guò)程中使用了含氟或氯的氣體（如SF6、Cl2等），則OES法也可能檢測到氟或氯的光譜信號。
需要注意的是，OES法檢測到的元素種類(lèi)和濃度受到多種因素的影響，包括等離子體的激發(fā)條件、光譜儀的分辨率和靈敏度、以及樣品本身的特性等。因此，在實(shí)際應用中，需要根據具體的刻蝕工藝和材料來(lái)選擇合適的OES檢測條件和參數。
OES技術(shù)作為一種先進(jìn)的監測手段，在半導體刻蝕工藝中扮演著(zhù)關(guān)鍵角色，特別是在終點(diǎn)檢測方面展現出獨特優(yōu)勢。當刻蝕過(guò)程推進(jìn)，上層薄膜逐漸被移除，露出下層材料時(shí)，等離子體內的氣體環(huán)境會(huì )經(jīng)歷顯著(zhù)變化。這一變化源于下層材料釋放出的揮發(fā)性刻蝕副產(chǎn)物，直接影響了等離子體內電中性物質(zhì)的濃度及其對應的發(fā)射光譜強度。因此，通過(guò)連續監測OES信號隨時(shí)間的變化趨勢，可以精確掌握介質(zhì)層的刻蝕進(jìn)度，有效預防過(guò)刻蝕現象的發(fā)生。
OES不僅能夠監控刻蝕進(jìn)程，還能敏銳捕捉等離子體中可能存在的雜質(zhì)信號。在刻蝕機正常與非正常運作狀態(tài)下，OES光譜圖會(huì )呈現出顯著(zhù)差異，這種差異成為了診斷系統潛在問(wèn)題的有力工具。例如，通過(guò)對比光譜圖，可以迅速定位到系統是否存在空氣泄漏、質(zhì)量流量控制器（MFC）調節不當導致的輔助氣體流量異常，或是系統中混入了雜質(zhì)氣體等問(wèn)題。
此外，OES技術(shù)還具備評估等離子體及刻蝕均勻性的能力。確保晶片上等離子體與化學(xué)刻蝕劑分布的均勻性，是實(shí)現高質(zhì)量刻蝕的關(guān)鍵。采用多光路測量方法，OES能夠詳細描繪出晶片徑向方向上的刻蝕均勻性分布圖，為工藝優(yōu)化提供寶貴數據支持。實(shí)驗證明，晶片表面不同位置的OES信號強度與刻蝕均勻性之間存在緊密聯(lián)系，通過(guò)動(dòng)態(tài)調整等離子體參數，可以有效控制并減少徑向刻蝕非均勻性。
值得一提的是，OES還具備定量測量等離子體中中性粒子、離子及自由基濃度的能力，這一功能通過(guò)線(xiàn)狀發(fā)射譜實(shí)現，利用已知濃度的惰性氣體（如低濃度Ar氣）作為曝光氣體，其特征發(fā)射譜線(xiàn)與待測化學(xué)活性離子的激發(fā)模式相似，從而允許通過(guò)曝光氣體間接推算等離子體中粒子的相對濃度。
在Cl2與Ar混合氣體的刻蝕環(huán)境中，Cl2濃度的變化與RF功率之間存在著(zhù)復雜關(guān)系。實(shí)驗數據顯示，在明場(chǎng)模式下，隨著(zhù)RF功率的增加，光譜強度反而呈現下降趨勢。這進(jìn)一步凸顯了OES技術(shù)在復雜等離子體環(huán)境中的靈敏性與應用價(jià)值。
OES技術(shù)以其對組分識別的便捷性、與刻蝕設備的高度集成性，以及對新工藝研發(fā)與工藝分析的強大支持，成為終點(diǎn)檢測領(lǐng)域的優(yōu)選工具。然而，其數據解釋的復雜性和龐大的原始數據量，也是在實(shí)際應用中需要克服的挑戰。
四、 系統構成
OES 檢測系統可用鑒知技術(shù)SR100Q光譜儀, 主要優(yōu)勢包括寬波長(cháng)范圍，涵蓋紫外-可見(jiàn)-近紅外波段，高分辨率，低雜散，高靈敏度，低噪聲，高信噪比，軟件易于集成，可以實(shí)現高速測試，也可根據需求定制光譜儀，搭配抗老化光纖以及余弦校正器等搭建監測系統?？涛g機反應腔室的窗口，余弦校正器通過(guò)該窗口收集反應腔室內的等離子體光譜, 經(jīng)光纖傳送到光譜儀進(jìn)行信號處理,最終輸出監測譜圖及進(jìn)行分析。
系統構成
五、應用實(shí)例與優(yōu)勢
在等離子體蝕刻過(guò)程中，光纖光譜儀的應用實(shí)例包括但不限于：
1.實(shí)時(shí)監測等離子體溫度、密度和化學(xué)成分的變化，確保蝕刻工藝的穩定性和一致性。
2.識別并控制等離子體中的有害成分，減少對環(huán)境的污染和對設備的腐蝕。
3.優(yōu)化蝕刻工藝參數，提高蝕刻效率和質(zhì)量。
鑒知技術(shù)提供性能各異的光纖光譜儀，在等離子體蝕刻過(guò)程中的優(yōu)勢在于其高分辨率、高靈敏度和實(shí)時(shí)監測的能力，能夠為工程師提供準確、可靠的等離子體參數信息，從而優(yōu)化蝕刻工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
