等离子体刻蚀过程及终点监测应用

等离子体刻蚀过程及终点监测应用

1、 背景

等离子体刻蚀是一种在半导体制造和其他微纳加工领域中广泛应用的干法刻蚀技术。它利用等离子体中的高能离子和自由基等活性粒子对材料表面进行物理轰击和化学反应，从而实现材料的精确刻蚀。等离子体刻蚀过程中涉及复杂的物理和化学过程，包括带电粒子间的相互作用、化学反应的速率和机理等。这些过程难以完全从理论上模拟和分析，因此需要通过实验手段进行实时监测和控制。

2、 方法介绍

针对上述刻蚀过程，有许多监测刻蚀过程的方法，如质谱法、兰米尔法、阻抗法、光学反射法和光谱发射法等。光学发射光谱法（OES）是目前应用较广泛的主流终点检测技术, OES法是一种通过测量物质在特定条件下发射出的光谱来确定其成分和特性的分析方法，是一种实时的原位分析技术,不会对等离子体刻蚀过程产生扰动。OES可以实时检测刻蚀终点、等离子体刻蚀过程中参数的变化。

3、 OES法监测原理

在等离子体刻蚀过程中，OES法（Optical Emission Spectroscopy，光学发射光谱法）检测的元素主要取决于被刻蚀材料的组成以及刻蚀过程中可能产生的反应物和挥发性基团。OES法通过分析从等离子体中发出的光谱来确定元素的种类和浓度，从而监控刻蚀过程的进行情况。

然而，具体到OES法在等离子体刻蚀过程中能够检测哪些元素，这并没有一个固定的列表，因为不同的刻蚀工艺和材料会导致不同的光谱特征。但一般来说，OES法可以检测到包括金属元素（如铝、铜、铁等）、非金属元素（如硅、氧、氮等）以及可能产生的挥发性化合物中的元素。

在半导体制造中，等离子体刻蚀通常用于处理硅基材料，因此OES法会特别关注硅元素的光谱特征。此外，如果刻蚀过程中使用了含氟或氯的气体（如SF6、Cl2等），则OES法也可能检测到氟或氯的光谱信号。

需要注意的是，OES法检测到的元素种类和浓度受到多种因素的影响，包括等离子体的激发条件、光谱仪的分辨率和灵敏度、以及样品本身的特性等。因此，在实际应用中，需要根据具体的刻蚀工艺和材料来选择合适的OES检测条件和参数。

OES技术作为一种先进的监测手段，在半导体刻蚀工艺中扮演着关键角色，特别是在终点检测方面展现出独特优势。当刻蚀过程推进，上层薄膜逐渐被移除，露出下层材料时，等离子体内的气体环境会经历显著变化。这一变化源于下层材料释放出的挥发性刻蚀副产物，直接影响了等离子体内电中性物质的浓度及其对应的发射光谱强度。因此，通过连续监测OES信号随时间的变化趋势，可以精确掌握介质层的刻蚀进度，有效预防过刻蚀现象的发生。

OES不仅能够监控刻蚀进程，还能敏锐捕捉等离子体中可能存在的杂质信号。在刻蚀机正常与非正常运作状态下，OES光谱图会呈现出显著差异，这种差异成为了诊断系统潜在问题的有力工具。例如，通过对比光谱图，可以迅速定位到系统是否存在空气泄漏、质量流量控制器（MFC）调节不当导致的辅助气体流量异常，或是系统中混入了杂质气体等问题。

此外，OES技术还具备评估等离子体及刻蚀均匀性的能力。确保晶片上等离子体与化学刻蚀剂分布的均匀性，是实现高质量刻蚀的关键。采用多光路测量方法，OES能够详细描绘出晶片径向方向上的刻蚀均匀性分布图，为工艺优化提供宝贵数据支持。实验证明，晶片表面不同位置的OES信号强度与刻蚀均匀性之间存在紧密联系，通过动态调整等离子体参数，可以有效控制并减少径向刻蚀非均匀性。

值得一提的是，OES还具备定量测量等离子体中中性粒子、离子及自由基浓度的能力，这一功能通过线状发射谱实现，利用已知浓度的惰性气体（如低浓度Ar气）作为曝光气体，其特征发射谱线与待测化学活性离子的激发模式相似，从而允许通过曝光气体间接推算等离子体中粒子的相对浓度。

在Cl2与Ar混合气体的刻蚀环境中，Cl2浓度的变化与RF功率之间存在着复杂关系。实验数据显示，在明场模式下，随着RF功率的增加，光谱强度反而呈现下降趋势。这进一步凸显了OES技术在复杂等离子体环境中的灵敏性与应用价值。

OES技术以其对组分识别的便捷性、与刻蚀设备的高度集成性，以及对新工艺研发与工艺分析的强大支持，成为终点检测领域的优选工具。然而，其数据解释的复杂性和庞大的原始数据量，也是在实际应用中需要克服的挑战。

4、 系统构成

OES 检测系统可用鉴知技术SR100Q光谱仪, 主要优势包括宽波长范围，涵盖紫外-可见-近红外波段，高分辨率，低杂散，高灵敏度，低噪声，高信噪比，软件易于集成，可以实现高速测试，也可根据需求定制光谱仪，搭配抗老化光纤以及余弦校正器等搭建监测系统。刻蚀机反应腔室的窗口，余弦校正器通过该窗口收集反应腔室内的等离子体光谱, 经光纤传送到光谱仪进行信号处理,最终输出监测谱图及进行分析。

系统构成

五、应用实例与优势

在等离子体蚀刻过程中，光纤光谱仪的应用实例包括但不限于：

1.实时监测等离子体温度、密度和化学成分的变化，确保蚀刻工艺的稳定性和一致性。

2.识别并控制等离子体中的有害成分，减少对环境的污染和对设备的腐蚀。

3.优化蚀刻工艺参数，提高蚀刻效率和质量。

鉴知技术提供性能各异的光纤光谱仪，在等离子体蚀刻过程中的优势在于其高分辨率、高灵敏度和实时监测的能力，能够为工程师提供准确、可靠的等离子体参数信息，从而优化蚀刻工艺，提高产品质量和生产效率。