基于光學發(fā)射光譜法監(jiān)測等離子體的光譜

海洋光學（Ocean Optics）長期以來一直為半導體工藝設備供應商的新材料研究提供強大支持，同時協(xié)助用戶克服等離子刻蝕、沉積、涂層和清潔等方面的困難和挑戰(zhàn)。海洋光學的光譜儀，基于光學發(fā)射光譜技術，被廣泛應用于等離子體監(jiān)測，并在刻蝕終點檢測方面表現(xiàn)出色。

實驗配置：

實驗采用光學發(fā)射光譜（OES）方法，分別使用紫外波段的ST微型光譜儀、通用型SR4光譜儀以及高分辨率的HR4和HR6光譜儀進行測試。

所有光譜儀均配置了25μm的狹縫，積分時間設定為1秒，平均次數(shù)設置為1，滑動平均設置在0-1之間。根據(jù)具體使用情境，積分時間分別設定為200ms、400ms或600ms，最后對光譜數(shù)據(jù)進行了歸一化處理。

我們使用了一種系統(tǒng)，用于進行批量等離子體刻蝕和等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)，并監(jiān)測了氧氣和四氟化碳在99 SCCM和50 SCCM的流速下的等離子體情況（SCCM標準立方厘米每分鐘）。氧氣可用于清洗腔內表面或與其他氣體混合用于蝕刻，而四氟化碳則用于蝕刻硅、氧化硅、氮化硅等材料。

每個光譜儀都連接一根400μm的光纖，并通過相應的法蘭光纖轉接頭以及工業(yè)級附件連接到腔室中，以在50W、200W和400W的功率下進行等離子體檢測。

圖1：所有測量都使用工業(yè)標準的等離子體沉積和蝕刻工具。右下角為海洋光學光譜儀。

實驗結果

測試所用光譜儀均表現(xiàn)出色，可以根據(jù)不同的測試需求選擇合適的光譜儀和配置，包括特定等離子體氣體檢測、光學分辨率要求以及熱穩(wěn)定性需求（尤其在工藝環(huán)境中存在溫度變化較大的情況下）。這為用戶提供了更大的靈活性，以滿足各種應用場景需求。

測量氧等離子體——50W功率

相比SR和ST，HR4和HR6的響應更好，光譜峰也更明顯。

SR和ST具有相當?shù)捻憫玈T光譜數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出更清晰的峰(如圖2所示)。

圖2：HR系列光譜儀在低功率條件下測量氧等離子體時具有更好的性能。

測量四氟化碳——400W功率

圖3中可以更清楚地看到HR4和HR6光譜儀相較于另外兩個型號的優(yōu)勢。

HR系列光譜儀的緊湊設計和出色的光學分辨率，使其能夠提供更加準確的光譜數(shù)據(jù)，在等離子體相關應用中表現(xiàn)出色。因此在將光學發(fā)射光譜（OES）技術應用到等離子體監(jiān)測過程中，HR系列光譜儀是理想的選擇。

圖3：在測量400W功率（本次實驗中最高功率設置）條件下的四氟化碳等離子體時，HR系列光譜儀在更寬的波長范圍內獲得更好的光譜數(shù)據(jù)。

在等離子體監(jiān)測應用中，HR系列光譜儀的另一個顯著優(yōu)勢是其能夠覆蓋更廣泛的光譜范圍，包括從紫外到短波近紅外波段。

通常，大多數(shù)OES系統(tǒng)僅能覆蓋紫外至可見波段，因為這是關鍵反應發(fā)生的波段，例如氧氣峰值產生或損失的終點檢測。

而在實際應用場景中，近紅外波段的信號也非常重要。因為在低功率條件下，等離子體信號更多存在于近紅外波段，操作員可能無法透過室窗觀察等離子體的輝光。

在這種情況下，HR光譜儀可以探測到等離子體的近紅外峰，幫助確認等離子體輝光的存在，這是一項非常實用的功能（如圖4所示）。

圖4：即使在低功率設置下的等離子體，HR6光譜儀在＞700 nm波段也有較強的光譜響應。

總結

光譜學方法在測量等離子體發(fā)射光譜和監(jiān)測等離子體蝕刻過程方面被證明是一種高效的技術。通過結合光譜硬件和技術，半導體設備供應商能夠持續(xù)改進和完善其蝕刻過程和技術。

新一代的海洋光學光譜儀，特別是HR系列高分辨率光譜儀，提供了出色的光學測量設備。

海洋光學的光學發(fā)射光譜測量系統(tǒng)和先進的數(shù)據(jù)處理算法進一步優(yōu)化了刻蝕過程，特別適用于等離子體刻蝕過程的監(jiān)測和控制。這為芯片設計和制造領域的工業(yè)客戶和集成商提供了優(yōu)質的光學解決方案，有助于提高生產效率和產品質量。