等離子體刻蝕過程及終點(diǎn)監(jiān)測應(yīng)用

一、                      背景

等離子體刻蝕是一種在半導(dǎo)體制造和其他微納加工領(lǐng)域中廣泛應(yīng)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(duì)材料表面進(jìn)行物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)材料的精確刻蝕。等離子體刻蝕過程中涉及復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，包括帶電粒子間的相互作用、化學(xué)反應(yīng)的速率和機(jī)理等。這些過程難以從理論上模擬和分析，因此需要通過實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。

二、                      方法介紹

針對(duì)上述刻蝕過程，有許多監(jiān)測刻蝕過程的方法，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(yīng)用較廣泛的主流終點(diǎn)檢測技術(shù), OES法是一種通過測量物質(zhì)在特定條件下發(fā)射出的光譜來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(duì)等離子體刻蝕過程產(chǎn)生擾動(dòng)。OES可以實(shí)時(shí)檢測刻蝕終點(diǎn)、等離子體刻蝕過程中參數(shù)的變化。

三、                      OES法監(jiān)測原理

在等離子體刻蝕過程中，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程中可能產(chǎn)生的反應(yīng)物和揮發(fā)性基團(tuán)。OES法通過分析從等離子體中發(fā)出的光譜來確定元素的種類和濃度，從而監(jiān)控刻蝕過程的進(jìn)行情況。

然而，具體到OES法在等離子體刻蝕過程中能夠檢測哪些元素，這并沒有一個(gè)固定的列表，因?yàn)椴煌目涛g工藝和材料會(huì)導(dǎo)致不同的光譜特征。但一般來說，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(dǎo)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(hào)。

需要注意的是，OES法檢測到的元素種類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(yīng)用中，需要根據(jù)具體的刻蝕工藝和材料來選擇合適的OES檢測條件和參數(shù)。

OES技術(shù)作為一種先進(jìn)的監(jiān)測手段，在半導(dǎo)體刻蝕工藝中扮演著關(guān)鍵角色，特別是在終點(diǎn)檢測方面展現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)刻蝕過程推進(jìn)，上層薄膜逐漸被移除，露出下層材料時(shí)，等離子體內(nèi)的氣體環(huán)境會(huì)經(jīng)歷顯著變化。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(nèi)電中性物質(zhì)的濃度及其對(duì)應(yīng)的發(fā)射光譜強(qiáng)度。因此，通過連續(xù)監(jiān)測OES信號(hào)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，可以精確掌握介質(zhì)層的刻蝕進(jìn)度，有效預(yù)防過刻蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

OES不僅能夠監(jiān)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(hào)。在刻蝕機(jī)正常與非正常運(yùn)作狀態(tài)下，OES光譜圖會(huì)呈現(xiàn)出顯著差異，這種差異成為了診斷系統(tǒng)潛在問題的有力工具。例如，通過對(duì)比光譜圖，可以迅速定位到系統(tǒng)是否存在空氣泄漏、質(zhì)量流量控制器（MFC）調(diào)節(jié)不當(dāng)導(dǎo)致的輔助氣體流量異常，或是系統(tǒng)中混入了雜質(zhì)氣體等問題。

此外，OES技術(shù)還具備評(píng)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(xiàn)高質(zhì)量刻蝕的關(guān)鍵。采用多光路測量方法，OES能夠詳細(xì)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(shù)據(jù)支持。實(shí)驗(yàn)證明，晶片表面不同位置的OES信號(hào)強(qiáng)度與刻蝕均勻性之間存在緊密聯(lián)系，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整等離子體參數(shù)，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，這一功能通過線狀發(fā)射譜實(shí)現(xiàn)，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)射譜線與待測化學(xué)活性離子的激發(fā)模式相似，從而允許通過曝光氣體間接推算等離子體中粒子的相對(duì)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功率之間存在著復(fù)雜關(guān)系。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在明場模式下，隨著RF功率的增加，光譜強(qiáng)度反而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這進(jìn)一步凸顯了OES技術(shù)在復(fù)雜等離子體環(huán)境中的靈敏性與應(yīng)用價(jià)值。

OES技術(shù)以其對(duì)組分識(shí)別的便捷性、與刻蝕設(shè)備的高度集成性，以及對(duì)新工藝研發(fā)與工藝分析的強(qiáng)大支持，成為終點(diǎn)檢測領(lǐng)域的優(yōu)選工具。然而，其數(shù)據(jù)解釋的復(fù)雜性和龐大的原始數(shù)據(jù)量，也是在實(shí)際應(yīng)用中需要克服的挑戰(zhàn)。

四、                      系統(tǒng)構(gòu)成

OES 檢測系統(tǒng)可用鑒知技術(shù)SR100Q光譜儀, 主要優(yōu)勢(shì)包括寬波長范圍，涵蓋紫外-可見-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(xiàn)高速測試，也可根據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)。刻蝕機(jī)反應(yīng)腔室的窗口，余弦校正器通過該窗口收集反應(yīng)腔室內(nèi)的等離子體光譜, 經(jīng)光纖傳送到光譜儀進(jìn)行信號(hào)處理,最終輸出監(jiān)測譜圖及進(jìn)行分析。

系統(tǒng)構(gòu)成

五、應(yīng)用實(shí)例與優(yōu)勢(shì)

在等離子體蝕刻過程中，光纖光譜儀的應(yīng)用實(shí)例包括但不限于：

1.實(shí)時(shí)監(jiān)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(wěn)定性和一致性。

2.識(shí)別并控制等離子體中的有害成分，減少對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)設(shè)備的腐蝕。

3.優(yōu)化蝕刻工藝參數(shù)，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，在等離子體蝕刻過程中的優(yōu)勢(shì)在于其高分辨率、高靈敏度和實(shí)時(shí)監(jiān)測的能力，能夠?yàn)楣こ處熖峁?zhǔn)確、可靠的等離子體參數(shù)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。