等離子體刻蝕過程及終點監測應用

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域中廣泛應用的干法刻蝕技術。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行物理轟擊和化學反應，從而實現材料的精確刻蝕。等離子體刻蝕過程中涉及復雜的物理和化學過程，包括帶電粒子間的相互作用、化學反應的速率和機理等。這些過程難以從理論上模擬和分析，因此需要通過實驗手段進行實時監測和控制。

二、                      方法介紹

針對上述刻蝕過程，有許多監測刻蝕過程的方法，如質譜法、蘭米爾法、阻抗法、光學反射法和光譜發射法等。光學發射光譜法（OES）是目前應用較廣泛的主流終點檢測技術, OES法是一種通過測量物質在特定條件下發射出的光譜來確定其成分和特性的分析方法，是一種實時的原位分析技術,不會對等離子體刻蝕過程產生擾動。OES可以實時檢測刻蝕終點、等離子體刻蝕過程中參數的變化。

三、                      OES法監測原理

在等離子體刻蝕過程中，OES法（Optical Emission Spectroscopy，光學發射光譜法）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生的反應物和揮發性基團。OES法通過分析從等離子體中發出的光譜來確定元素的種類和濃度，從而監控刻蝕過程的進行情況。

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，這并沒有一個固定的列表，因為不同的刻蝕工藝和材料會導致不同的光譜特征。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）以及可能產生的揮發性化合物中的元素。

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法會特別關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。

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，在實際應用中，需要根據具體的刻蝕工藝和材料來選擇合適的OES檢測條件和參數。

OES技術作為一種先進的監測手段，在半導體刻蝕工藝中扮演著關鍵角色，特別是在終點檢測方面展現出對應的優勢。當刻蝕過程推進，上層薄膜逐漸被移除，露出下層材料時，等離子體內的氣體環境會經歷顯著變化。這一變化源于下層材料釋放出的揮發性刻蝕副產物，直接影響了等離子體內電中性物質的濃度及其對應的發射光譜強度。因此，通過連續監測OES信號隨時間的變化趨勢，可以精確掌握介質層的刻蝕進度，有效預防過刻蝕現象的發生。

OES不僅能夠監控刻蝕進程，還能敏銳捕捉等離子體中可能存在的雜質信號。在刻蝕機正常與非正常運作狀態下，OES光譜圖會呈現出顯著差異，這種差異成為了診斷系統潛在問題的有力工具。例如，通過對比光譜圖，可以迅速定位到系統是否存在空氣泄漏、質量流量控制器（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氣體等問題。

此外，OES技術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刻蝕劑分布的均勻性，是實現高質量刻蝕的關鍵。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，為工藝優化提供寶貴數據支持。實驗證明，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系，通過動態調整等離子體參數，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，這一功能通過線狀發射譜實現，利用已知濃度的惰性氣體（如低濃度Ar氣）作為曝光氣體，其特征發射譜線與待測化學活性離子的激發模式相似，從而允許通過曝光氣體間接推算等離子體中粒子的相對濃度。

在Cl2與Ar混合氣體的刻蝕環境中，Cl2濃度的變化與RF功率之間存在著復雜關系。實驗數據顯示，在明場模式下，隨著RF功率的增加，光譜強度反而呈現下降趨勢。這進一步凸顯了OES技術在復雜等離子體環境中的靈敏性與應用價值。

OES技術以其對組分識別的便捷性、與刻蝕設備的高度集成性，以及對新工藝研發與工藝分析的強大支持，成為終點檢測領域的優選工具。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SR100Q光譜儀, 主要優勢包括寬波長范圍，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。刻蝕機反應腔室的窗口，余弦校正器通過該窗口收集反應腔室內的等離子體光譜, 經光纖傳送到光譜儀進行信號處理,最終輸出監測譜圖及進行分析。

系統構成

五、應用實例與優勢

在等離子體蝕刻過程中，光纖光譜儀的應用實例包括但不限于：

1.實時監測等離子體溫度、密度和化學成分的變化，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，減少對環境的污染和對設備的腐蝕。

3.優化蝕刻工藝參數，提高蝕刻效率和質量。

鑒知技術提供性能各異的光纖光譜儀，在等離子體蝕刻過程中的優勢在于其高分辨率、高靈敏度和實時監測的能力，能夠為工程師提供準確、可靠的等離子體參數信息，從而優化蝕刻工藝，提高產品質量和生產效率。