半导体 | 基于光学发射光谱法监测等离子体的光谱峰

 
海洋光学长期以来一直为半导体工艺设备供应商的新材料研究提供强大支持，同时协助用户克服等离子刻蚀、沉积、涂层和清洁等方面的困难和挑战。海洋光学的光谱仪，基于光学发射光谱技术，被广泛应用于等离子体监测，并在刻蚀终点检测方面表现出色。
为了评估海洋光学光谱仪在等离子体监测应用中的性能，我们进行了一系列测试，使用了海洋光学最新款的光谱仪对氧气和四氟化碳(CF4)等离子体系统进行了测试。
测试结果表明，ST、SR以及HR系列光谱仪均能够成功测量，而高分辨率的HR4和HR6光谱仪在等离子体监测方面表现出更强的光谱响应和更清晰准确的发射峰。

实验配置

 

实验采用光学发射光谱（OES）方法，分别使用紫外波段的ST微型光谱仪、通用型SR4光谱仪以及高分辨率的HR4和HR6光谱仪进行测试。

所有光谱仪均配置了25µm的狭缝，积分时间设定为1秒，平均次数设置为1，滑动平均设置在0-1之间。根据具体使用情境，积分时间分别设定为200ms、400ms或600ms，最后对光谱数据进行了归一化处理。

我们使用了一种系统，用于进行批量等离子体刻蚀和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，并监测了氧气和四氟化碳在99 SCCM和50 SCCM的流速下的等离子体情况（SCCM标准立方厘米每分钟）。（氧气可用于清洗腔内表面或与其他气体混合用于蚀刻，而四氟化碳则用于蚀刻硅、氧化硅、氮化硅等材料。）

每个光谱仪都连接一根400µm的光纤，并通过相应的法兰光纤转接头以及工业级附件连接到腔室中，以在50W、200W和400W的功率下进行等离子体检测。

图1：所有测量都使用工业标准的等离子体沉积和蚀刻工具。右下角为海洋光学光谱仪。

 

实验结果

 

测试所用光谱仪均表现出色，可以根据不同的测试需求选择合适的光谱仪和配置，包括特定等离子体气体检测、光学分辨率要求以及热稳定性需求（尤其在工艺环境中存在温度变化较大的情况下）。这为用户提供了更大的灵活性，以满足各种应用场景需求。

‖测量氧等离子体——50W功率

相比SR和ST，HR4和HR6的响应更好，光谱峰也更明显。SR和ST具有相当的响应，但ST光谱数据呈现出更清晰的峰(如图2所示)。

图2：HR系列光谱仪在低功率条件下测量氧等离子体时具有更好的性能。

 

‖测量四氟化碳——400W功率

HR系列光谱仪的紧凑设计和出色的光学分辨率，使其能够提供更加准确的光谱数据，在等离子体相关应用中表现出色。因此在将光学发射光谱（OES）技术应用到等离子体监测过程中，HR系列光谱仪是理想的选择。图3中可以更清楚地看到HR4和HR6光谱仪相较于另外两个型号的优势。

图3：在测量400W功率（本次实验中最高功率设置）条件下的四氟化碳等离子体时，HR系列光谱仪在更宽的波长范围内获得更好的光谱数据。

 

↓↓↓ 注意：

在等离子体监测应用中，HR系列光谱仪的另一个显著优势是其能够覆盖更广泛的光谱范围，包括从紫外到短波近红外波段。通常，大多数OES系统仅能覆盖紫外至可见波段，因为这是关键反应发生的波段，例如氧气峰值产生或损失的终点检测。
而在实际应用场景中，近红外波段的信号也非常重要。因为在低功率条件下，等离子体信号更多存在于近红外波段，操作员可能无法透过室窗观察等离子体的辉光。

在这种情况下，HR光谱仪可以探测到等离子体的近红外峰，帮助确认等离子体辉光的存在，这是一项非常实用的功能（如图4所示）。

图4：即使在低功率设置下的等离子体，HR6光谱仪在＞700 nm波段也有较强的光谱响应。

总  结

 

光谱学方法在测量等离子体发射光谱和监测等离子体蚀刻过程方面被证明是一种高效的技术。通过结合光谱硬件和技术，半导体设备供应商能够持续改进和完善其蚀刻过程和技术。新一代的海洋光学光谱仪，特别是HR系列高分辨率光谱仪，提供了出色的光学测量设备。

我们的光学发射光谱测量系统和先进的数据处理算法进一步优化了刻蚀过程，特别适用于等离子体刻蚀过程的监测和控制。这为芯片设计和制造领域的工业客户和集成商提供了优质的光学解决方案，有助于提高生产效率和产品质量。