光纤光谱仪测量等离子体原理

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。实时等离子体监测以改进工艺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。像气体混合物、等离子体温度和粒子密度等参数都是控制等离子体过程的关键。通过在等离子体室中引入各种气体或粒子来改变这些参数，会改变等离子体的特性，从而影响等离子体与衬底的相互作用。实时监测和控制等离子体的能力可以改进工艺和产品。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。等离子体监测可以通过灵活的模块化设置完成，使用高分辨率光谱仪，如Ocean Insight的HR或Maya2000 Pro系列（后者是检测UV气体的一个很好的选择）。对于模块化设置，HR光谱仪可以与抗曝光纤相结合，以获得在等离子体中形成的定性发射数据。从等离子体室中形成的等离子体中获取定性发射数据。如果需要定量测量，用户可以增加一个光谱库来比较数据，并快速识别未知的发射线、峰和波段。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HR系列高分辨率光谱仪被用来测量当其他气体被引入等离子体室时氩等离子体的发射变化。光谱仪、光纤和余弦校正器通过室外的一个小窗口收集发射光谱，对封闭反应室中的等离子体进行光谱数据采集（图1）。图1：一个模块化的光谱仪设置可以被配置为真空室中的等离子体测量。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。图2：通过真空室窗口测量氩气等离子体的发射。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3：将氢气添加到氩等离子体中会改变其光谱特性。在图 4 和 5 中，显示了在将保护气添加到腔室之前和之后测量的等离子体的发射光谱。 保护气用于减少进样器和样品之间的接触，以减少由于样品沉积和残留引起的问题。 在图 4中，氩等离子体发射光谱显示在加入保护气之前，加入保护气后测得的发射光谱如图5所示。保护气的加入导致了氩气发射光谱的变化，从400纳米以下和~520纳米处的宽光谱线的消失可以看出。图4：加入保护气之前，在真空室中测量氩等离子体的发射。图5：加入保护气后，氩气发射特性在400纳米以下和~520纳米处有明显不同。结论紫外-可见-近红外光谱是测量等离子体发射的有力方法，以实现元素分析和基于等离子体过程的精确控制。这些数据说明了模块化光谱法对等离子体监测的能力。HR2000+高分辨率光谱仪和模块化光谱学方法在测量等离子体室条件改变时，通过等离子体室的窗口测量等离子体发射光谱，效果良好。还有其他的等离子体监测选项，包括Maya2000 Pro，它在紫外光下有很好的响应。另外，光谱仪和子系统可以被集成到其他设备中，并与机器学习工具相结合，以实现对等离子体室条件更复杂的控制。以上文章作者是海洋光学Yvette Mattley博士，爱蛙科技翻译整理。世界上第一台微型光谱仪的发明者海洋光学OceanInsight，30年来专注于光谱技术和设备的持续创新，在光谱仪这个细分市场精耕细作，打造了丰富而差异化的产品线，展现了光的多样性应用，坚持将紧凑、便携、高集成度以及高灵敏度、高分辨率、高速的不同设备带给客户。2019年，从Ocean Optics更名为Ocean Insight，也是海洋光学从光谱产品生产商转型为光谱解决方案提供商战略调整的开始。此后，海洋光学不仅继续丰富扩充光传感产品线，且增强支持和服务能力，为需要定制方案的客户提供量身定制的系统化解决方案和应用指导。作为海洋光学官方授权合作伙伴，爱蛙科技（iFrogTech）致力于与海洋光学携手共同帮助客户面对问题、探索未来课题，为打造量身定制的光谱解决方案而努力。如需了解更多详情或探讨创新应用，可拨打400-102-1226客服电话。关于海洋光学海洋光学作为世界领先的光学解决方案提供商，应用于半导体、照明及显示、工业控制、环境监测、生命科学生物、医药研究、教育等领域。其产品包括光谱仪、化学传感器、计量检测设备、光纤、透镜等。作为光纤光谱仪的发明者，如今海洋光学在全球已售出超过40万套的光纤光谱仪。关于爱蛙科技爱蛙科技（iFrogTech）是海洋光学官方授权合作伙伴，提供光谱分析仪器销售、租赁、维护，以及解决方案定制、软件开发在内的全链条一站式精准服务。

近日，中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室汤洁研究员课题组联合美国劳伦斯伯克利国家实验室教授Vassilia Zorba团队，在激光等离子体光谱研究领域取得重要进展。相关研究成果发表在Cell Reports Physical Science上。激光诱导击穿光谱(LIBS)是基于原子发射光谱学的元素分析技术，在多元素分析、实时快速原位测量等方面具备优势，且在定性识别物质与定量物质成分分析等领域具有重要的应用前景。目前，该技术在深空深海探测、地质勘探、生物医药以及环境监测等领域广泛应用。D-LIBS即放电辅助LIBS技术，通常是将火花放电或电弧放电与LIBS技术相结合来实现。以上两种放电模式具有放电功率密度大和电子数密度高的特点，在辅助元素定性和定量分析方面具有独特的技术优势。因此，利用放电辅助可以显著增强LIBS信号强度，从而达到提高分析灵敏度的目的。然而，D-LIBS在放电时电能消耗过大，同时从交变电压和电流中产生电磁脉冲，导致能源浪费和环境污染相关问题。这一负面因素加大了安全隐患和运行风险，更不利于社会倡导的节能减排和环境保护要求，进而限制了D-LIBS技术的进一步应用。因此，开发一种“两低一高”(低环境危害、低能耗、高分析灵敏度)的D-LIBS技术仍是物质分析领域中难度较大的挑战。针对上述问题，该团队提出离子动力学调制方法，对克服传统D-LIBS放电能耗大、安全风险高、环境危害大等不利因素，同时提高分析灵敏度具有显著改善效果。该工作借助这一方法，合理优化电极配置，有序调控放电模式，在有效增强光谱信号强度的同时，大幅降低放电能耗。关键创新点在于：(1)首次提出并利用激光诱导等离子体冲击波与外加电场空间零弧度耦合方式，实现有效放电区域全方位覆盖激光等离子体中粒子的扩散方向，离子的动力学特征从原始的向外扩散变更为放电空间内阳极和阴极之间的漂移运动。这种调制使得大部分离子被抓捕、约束在有效放电空间内，促进电能与激光等离子体耦合，大幅降低放电能耗。(2)突破传统D-LIBS方法，即仅在电容器放电过程中辅助LIBS，将放电增强LIBS拓展到电容器放电和充电的两个过程。采用直流电源与充电电容共同作用等离子体间隙的策略，使约束的带电粒子在电容放电结束后继续在电极之间漂移，并在毫秒尺度维持带电粒子电迁移运动特性，大幅延长等离子体寿命，进而实现火花和电弧放电的有序调控以及原子和离子光谱信号的选择性增强。上述研究有效解决了在D-LIBS中同时具备“两低一高”特性的关键技术难题。实验测试结果表明：与传统D-LIBS对比，该成果对于非平坦样品实现了在维持光谱信号2个数量级提升情况下，放电能耗降低了约1个数量级。结合经改进的小波变换降噪方法，D-LIBS中谱线信噪比、信背比以及稳定性相比原光谱均获得了显著提升。微量元素(Mg)的检出限从近百ppm降低至亚ppm量级。此外，与传统D-LIBS及其他LIBS增强技术相比，微量元素(Mg、Si)探测灵敏度提高近2个数量级。该研究有助于推动节能环保建设以及D-LIBS的广泛应用，同时，在低烧蚀激光功率密度的极端条件下，为D-LIBS微量或痕量元素定性与定量分析提供了有力的理论依据和技术支撑。研究工作得到国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、瞬态光学与光子技术国家重点实验室自主课题、中科院光谱成像技术重点实验室开放基金等的支持。离子动力学调制LIBS增强原理和思路

近年来，研究人员和业内主要厂商已将研发重心转向微型化、便携式且低成本的光谱仪系统，使之可以在日常生活中实现现场、实时和原位光谱分析的许多新兴应用。然而，受到过度简化的光学设计和紧凑型架构的机械限制，微型光谱仪系统的实际光谱识别性能通常远低于台式光谱仪系统。如今，克服这些限制的一种策略便是在光子方法学中引入深度学习（DL）进行数据处理。据麦姆斯咨询报道，近日，美国纽约州立大学布法罗分校（University at Buffalo，the State University of New York）与沙特阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science & Technology）的联合科研团队在Nature Communications期刊上发表了以“Imaging-based intelligent spectrometer on a plasmonic rainbow chip”为主题的论文。该论文第一作者为Dylan Tua，通讯作者为甘巧强（Qiaoqiang Gan）教授。在这项研究工作中，研究人员开发了一种紧凑型等离子体“彩虹（rainbow）”芯片，能够实现快速、准确的双功能传感，其性能可在特定条件下超越传统的便携式光谱仪。其中的分光纳米结构由一维或二维的梯度金属光栅构成。该紧凑型等离子体光谱仪利用普通相机拍摄的单幅图像，即可精确地获得照明光源光谱的光谱信息和偏振信息。在经过适当训练的深度学习算法的辅助下，研究人员仅用单幅图像就能表征葡萄糖溶液在可见光光谱范围内的双峰和三峰窄带照明下的旋光色散（ORD）特性。该微型光谱仪具有与智能手机和芯片实验室（lab-on-a-chip）系统集成的潜力，为原位分析应用提供新的可能。研究人员利用彩虹捕获效应（rainbow trapping effect）来开发片上光谱仪系统。图1展示了该研究工作所提出的片上光谱仪和一维彩虹芯片的设计原理。如图1a所示，该光谱仪利用等离子体啁啾光栅实现分光功能。这种表面光栅几何形状的逐渐变化，导致了局部等离子体共振的空间调谐（即为光捕获“彩虹”存储）。如图1b所示，研究人员采用聚焦离子束铣削技术，在300 nm的银（Ag）薄膜上制备了啁啾光栅。当白光垂直入射时，通过简单的反射显微镜系统（如图1c），就可以观察到明显的“彩虹”色图像，如图1d的顶部所示，该现象源于光栅引发的等离子体共振。图1 片上光谱仪的等离子体啁啾光栅根据这些空间模式图像，可以建立共振模式与入射波长一一对应的关系，这是片上光谱仪的基础。因此，研究人员探讨了该光谱仪对任意光谱特征的空间分辨能力。通过深度学习辅助的数据处理和重建方法，研究人员利用这种分光功能可以构建用于光学集成的智能化、微型化光谱仪平台。具体而言，研究人员提出了基于深度学习的智能彩虹等离子体光谱仪概念，并构建了带有等离子体啁啾光栅的光谱仪示例，如图2所示。该光谱仪利用深度神经网络预测了所测量的共振模式图像中的未知入射光光谱，而无需使用传统的线性响应函数模型。实验中的光谱仪架构如图2a所示。智能光谱仪主要由三部分构成：空间模式、预训练神经网络以及对应的波长。图2 基于深度学习的数据重建光谱分辨率是评价传统光谱仪性能的重要参数之一。因此，研究人员对该光谱仪的分辨率做了详细测试，测试结果如图3所示。图3 智能等离子体光谱仪的分辨率以上初步测试数据表明，智能彩虹芯片光谱仪具有实现高分辨率光谱分析的潜力，其性能可与传统台式光谱仪相媲美。随后，研究人员将一维光栅扩展到二维，以利用紧凑型智能等离子体光谱仪实现偏振光谱的测定，其性能超越了传统的光学光谱仪系统。同时，研究人员展示了等离子体彩虹芯片光谱仪可以引入简化、紧凑且智能的光谱偏振系统，具有准确且快速的光谱分析能力。图4a为具有梯度几何参数的二维光栅。图4 用于测定偏振光谱的二维啁啾光栅接着，研究人员利用该二维偏振光谱仪芯片对旋光色散进行了简单而智能的表征。图5a为传统的旋光色散系统测量由物质引起的旋光度随入射波长的函数变化。最后，研究人员展示了将二维光栅作为光谱偏振系统，并介绍了用于葡萄糖传感应用的示例。图5 更简单、准确且智能的光谱偏振分析综上所述，本研究中提出了一种集成了片上彩虹捕获效应与紧凑型光学成像系统的智能芯片级光谱仪。研究结果表明，该等离子体芯片可以在可见光光谱（470 nm - 740 nm）范围内区分不同的照明峰值。该芯片充分利用其波长敏感结构，能够根据照明光谱峰值显示不同的等离子体共振模式。随后将芯片扩展到二维结构，共振模式的复杂性增加，从而在入射光偏振方面提供更多信息。通过使用片上共振模式的空间和强度分布图像来训练深度学习算法，研究人员在同一系统内分别实现了光谱分析和偏振分析。随后，研究人员利用一种将旋光引入透射光的手性物质（即葡萄糖），证明了所提出光谱仪在旋光色散传感方面的可行性，旋光色散是一种有助于手性物质检测和定量的偏振特异性特征。深度学习模型的分析表明，该算法能够基于等离子体芯片的共振模式准确预测葡萄糖引入的旋光。即使在分析多峰照明下的共振模式时，这种性能也得到了保留。这种由深度学习支持的基于图像的光谱仪能够通过利用纳米光子平台的单幅图像同时进行光谱分析和偏振分析。因此，该光谱仪标志着在单一紧凑型且轻量化设计中实现了高性能的光谱偏振分析，为深度光学和光子学在医疗保健监测、食品安全传感、环境污染检测、药物滥用传感以及法医分析等领域的应用赋能。这项研究获得了沙特阿卜杜拉国王科技大学物理科学与工程部的科研基金（BAS/1/1415-01-01）和NTGC-AI项目（REI/1/5232-01-01）的资助和支持。