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在半导体行业,晶圆是用光刻技术制造和操作的。蚀刻是这一过程的主要部分,在这一过程中,材料可以被分层到一个非常具体的厚度。当这些层在晶圆表面被蚀刻时,等离子体监测被用来跟踪晶圆层的蚀刻,并确定等离子体何时完全蚀刻了一个特定的层并到达下一个层。通过监测等离子体在蚀刻过程中产生的发射线,可以精确跟踪蚀刻过程。这种终点检测对于使用基于等离子体的蚀刻工艺的半导体材料生产至关重要。
等离子体是一种被激发的、类似气体的状态,其中一部分原子已经被激发或电离,形成自由电子和离子。当被激发的中性原子的电子返回到基态时,等离子体中存在的原子就会发射特有波长的辐射光,其光谱图可用来确定等离子体的组成。等离子体是用一系列高能方法使原子电离而形成的,包括热、高能激光、微波、电和无线电频率。
等离子体监测 等离子体有一系列的应用,包括元素分析、薄膜沉积、等离子体蚀刻和表面清洁。通过对等离子体样品的发射光谱进行监测,可以为样品提供详细的元素分析,并能够确定控制基于等离子体的过程所需的关键等离子体参数。发射线的波长被用来识别等离子体中存在的元素,发射线的强度被用来实时量化粒子和电子密度,以便进行工艺控制。
一个基于Ocean Insight HR系列高分辨率光谱仪的模块化光谱装置用于监测等离子体室引入不同气体后,氩气等离子体发射的变化。测量是在一个封闭的反应室中进行的,光谱仪连接光纤和余弦校正器,通过室中的一个小窗口观察。这些测量证明了模块化光谱仪从等离子体室中实时获取等离子体发射光谱的可行性。从这些发射光谱中确定的等离子体特征可用于监测和控制基于等离子体的过程。
监测真空室中形成的等离子体时,一个重要的考虑因素是与采样室的接口。仪器部件可以被引入到真空室中,或者被设置成通过视窗来观察等离子体。真空通管为承受真空室中的恶劣条件而设计的定制光纤将部件耦合到等离子体室中。对于通过视口监测等离子体,可能需要一个采样附件,如余弦校正器或准直透镜,这取决于要测量的等离子体场的大小。在没有取样附件的情况下,从光纤到等离子体的距离将决定成像的区域。使用准直透镜可以获得更局部的收集区域,或者使用余弦校正器可以在180度的视野内收集光线。
测量条件
一个HR2000+高分辨率光谱仪(~1.1nm FWHM光学分辨率)被配置为测量200-1100nm的发射(光栅HC-1,SLIT-25),使用抗曝光纤(QP400-1-SR-BX光纤)与一个余弦校正器(CC-3-UV)耦合。选择CC-3-UV余弦校正器采样附件来获取等离子体室的数据,以解决等离子体强度的差异和测量窗口的不均匀问题。其他采样选项包括准直透镜和真空透镜。
结果
图2显示了通过等离子体室窗口测量的氩等离子体的光谱。690-900纳米的强光谱线是中性氩(Ar I)的发射线,400-650纳米的低强度线是由单电离的氩原子(Ar II)产生的。图2所示的发射光谱是测量等离子体发射的丰富光谱数据的一个例子。这种光谱信息可用于确定一系列关键参数,以监测和控制半导体制造过程中基于等离子体的工艺。
氢气是一种辅助气体,可以添加到氩气等离子体中以改变等离子体的特性。在图3中,随着氢气浓度的增加添加到氩气等离子体中的效果。氢气改变氩气等离子体特性的能力清楚地显示在700-900纳米之间的氩气线的强度下降,而氢气浓度的增加反映在350-450纳米之间的氢气线出现。这些光谱显示了实时测量等离子体发射的强度,以监测二次气体对等离子体特性的影响。观察到的光谱变化可用于确保向试验室添加最佳数量的二次气体,以达到预期的等离子体特性。
图4:加入保护气之前,在真空室中测量氩等离子体的发射。
结论
海洋光学Yvette Mattley博士,爱蛙科技翻译整理