【微光谱应用】使用光纤光谱仪进行等离子体监测

背景

半导体工业中，我们通过光刻技术制造和控制晶圆。其中蚀刻是该过程的主要环节，当在晶圆表面蚀刻时，可使用等离子体监测跟踪蚀刻穿过晶圆层，并确定等离子体何时完全蚀刻特定层并到达下一层。通过监测在蚀刻期间由等离子体产生的发射线，可精确追踪蚀刻过程。

实验原理

等离子体监测可为样品提供详细元素分析，并确定在控制基于等离子体的过程中所需的关键等离子体参数。等离子体发射特征谱线可用于识别存在的元素，强度可用于实时量化粒子和电子密度。图1为空气300-550nm光谱曲线图，在该波段内，N的特征谱线有1、2、3、5、7、13；O的特征谱线有4、11；Xe的特征谱线有6、8、9、10。

图1、空气300-550nm光谱曲线图

气体混合物、等离子体温度和颗粒密度等参数对控制等离子体过程都是至关重要的。通过向腔室引入各种气体或颗粒来改变这些参数，将会造成等离子体特性的改变，同时也会影响等离子体与基板的相互作用。监测和控制等离子体可改善工艺和成品。

实验系统搭建

在其他气体被引入到等离子体腔室时，采用UV-VIS配置的Ocean HDX光谱仪、QP400系列抗老化光纤、CC-3余弦校正器进行采样。选择抗老化光纤是为避免由等离子体的强UV光引起的光纤内涂层降解。选择余弦校正器CC-3从等离子腔室获取数据可解决等离子体强度的差异和测量窗口的不均匀结构（74UV准直透镜也可作为等离子体监测测量中余弦校正器的常用备选方案)。

图2. 光纤光谱仪测真空室中等离子体的配置简图。

实验结论

图3. 光纤光谱仪测量氩等离子体的发射光谱。

通过等离子体腔室窗口测量的氩等离子体的光谱如图3所示。位于690-900nm的强光谱线是中性氩（Ar I）的发射线，位于400-650nm的较低强度线是单电离的氩原子（Ar II）的发射线。图3中所示的发射光谱是针对等离子体发射测量的丰富光谱数据的一个很好的示例。

图4. 向氩等离子体中添加氢气会改变其光谱特性。

氢气是可添加到氩等离子体中以改变等离子体性质的二次气体。在图4中，添加氢气后，在700-900 nm之间氩线的强度明显降低。这证明了光纤光谱仪可实时测量等离子体发射光谱，以用于监测二次气体对等离子体特性的影响能力。观察到的光谱变化可用于确保将最佳量的二次气体添加到腔室中以得到所期望的等离子体特性。