利用光譜儀監測基於電漿的蝕刻製程
作者 : Challey，EDN China
透過模組化光譜法對電漿進行監測，包括其於蝕刻過程中產生的發射線，可以精確追蹤半導體的蝕刻製程...
在半導體產業，晶圓是用微影技術製造和操作的。蝕刻是這一製程中的主要部份，在此過程中，材料可以被分層到一個非常具體的厚度。當這些層在晶圓表面被蝕刻時，電漿監測被用來追蹤晶圓層的蝕刻，並確定電漿何時完全蝕刻至一特定層並到達下一個層。透過監測電漿在蝕刻過程中產生的發射線，可以精確追蹤蝕刻過程。這種終點檢測對於使用基於電漿的蝕刻製程之半導體材料生產至關重要。
電漿是一種被激發的、類似氣體的狀態，其中一部份原子已經被激發或電離，形成自由電子和離子。當被激發的中性原子的電子返回到基態時，電漿中存在的原子就會發射特有波長的輻射光，其光譜圖可用來確定電漿的組成。電漿是用一系列高能方法使原子電離而形成的，包括熱、高能雷射、微波、電和無線電頻率。
電漿監測
電漿有一系列的應用，包括元素分析、薄膜沉積、電漿蝕刻和表面清潔。透過對電漿樣品的發射光譜進行監測，可以為樣品提供詳細的元素分析，並能夠確定控制基於電漿的過程所需關鍵電漿參數。發射線的波長被用來識別電漿中存在的元素，發射線的強度被用來即時量化粒子和電子密度，以便進行製程控制。
像氣體混合物、電漿溫度和粒子密度等參數都是控制電漿過程的關鍵。透過在電漿室中引入各種氣體或粒子來改變這些參數，會改變電漿的特性，從而影響電漿與襯底的相互作用。即時監測和控制電漿的能力可以改進製程和產品。
例如，在基於電漿的蝕刻製程中，電漿監測對製程控制很重要。電漿監測可以透過靈活的模組化設置完成，使用高解析度光譜儀，如Ocean Insight的HR或Maya2000 Pro系列(後者是檢測UV氣體的一個很好的選擇)。對於模組化設置，HR光譜儀可以與抗曝光纖相結合，以獲得在電漿中形成的定性發射資料。從電漿室中形成的電漿中獲取定性發射資料。如果需要定量測量，使用者可以增加一個光譜庫來比較資料，並快速識別未知的發射線、波峰和波段。
監測真空室中形成的電漿時，一個重要的考慮因素是與採樣室的介面。儀器元件可以被引入到真空室中，或者被設置成透過視窗來觀察電漿。真空通管為承受真空室中的惡劣條件而設計的客製光纖將元件耦合到電漿室中。對於透過視窗監測電漿，可能需要一個採樣附件，如餘弦校正器或準直透鏡，這取決於要測量的電漿場的大小。在沒有取樣附件的情況下，從光纖到電漿的距離將決定成像的區域。使用準直透鏡可以獲得更局部的收集區域，或者使用餘弦校正器可以在180度的視野內收集光線。
測量條件
HR系列高解析度光譜儀被用來測量當其他氣體被引入電漿室時氬電漿的發射變化。光譜儀、光纖和餘弦校正器透過室外的一個小視窗收集發射光譜，對封閉反應室中的電漿進行光譜資料獲取(圖1)。
圖1：模組化的光譜儀設置可以被配置為真空室中的電漿測量。
一個HR2000+高解析度光譜儀(~1.1nm FWHM光學解析度)被配置為測量200-1100nm的發射(光閘HC-1，SLIT-25)，使用抗曝光纖(QP400-1-SR-BX光纖)與一個餘弦校正器(CC-3-UV)耦合。選擇CC-3-UV餘弦校正器採樣附件來獲取電漿室的資料，以解決電漿強度的差異和測量視窗的不均勻問題。其他採樣選項包括準直透鏡和真空透鏡。
測量結果
圖2顯示透過電漿室視窗測量的氬電漿的光譜。690-900奈米的強光譜線是中性氬(Ar I)的發射線，400-650奈米的低強度線是由單電離的氬原子(Ar II)產生的。圖2所示的發射光譜是測量電漿發射的豐富光譜資料之例。這種光譜資訊可用於確定一系列關鍵參數，以監測和控制半導體製造過程中基於電漿的製程。
圖2：透過真空室視窗測量氬氣電漿的發射。
氫氣是一種輔助氣體，可以添加到氬氣電漿中以改變電漿的特性。在圖3中，隨著氫氣濃度的增加添加到氬氣電漿中的效果。氫氣改變氬氣電漿特性的能力清楚地顯示在700-900奈米之間的氬氣線的強度下降，而氫氣濃度的增加反映在350-450奈米之間的氫氣線出現。這些光譜顯示了即時測量電漿發射的強度，以監測二次氣體對電漿特性的影響。觀察到的光譜變化可用於確保向試驗室添加最佳數量的二次氣體，以達到預期的電漿特性。
圖3：將氫氣添加到氬電漿中會改變其光譜特性。
在圖 4 和圖5 中，顯示在將保護氣添加到腔室之前和之後測量的電漿的發射光譜。 保護氣用於減少進樣器和樣品之間的接觸，以減少由於樣品沉積和殘留引起的問題。 在圖 4中，氬電漿發射光譜顯示在加入保護氣之前，加入保護氣後測得的發射光譜如圖5所示。保護氣的加入導致了氬氣發射光譜的變化，從400奈米以下和~520奈米處的寬光譜線的消失可以看出。
圖4：加入保護氣之前，在真空室中測量氬電漿的發射。
圖5：加入保護氣後，氬氣發射特性在400奈米以下和~520奈米處有明顯不同。
結語
世界上第一台微型光譜儀的發明者海洋光學(OceanInsight)為半導體製造提供了優秀的設備。例如，紫外-可見-近紅外光譜是測量電漿發射的有力方法，以實現元素分析和基於電漿過程的精確控制。這些資料說明了模組化光譜法對電漿監測的能力。HR2000+高解析度光譜儀和模組化光譜學方法在測量電漿室條件改變時，透過電漿室的視窗測量電漿發射光譜，效果良好。
還有其他的電漿監測選項，包括Maya2000 Pro，它在紫外光下有很好的反應。另外，光譜儀和子系統可以被整合到其他設備中，並與機器學習(ML)工具相結合，以實現對電漿室條件更複雜的控制。
本文原刊登於EDN China網站，Challey編譯
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