基于光學發射光譜法監測等離子體的光譜峰

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。海洋光學的光譜儀，基于光學發射光譜技術，被廣泛應用于等離子體監測，并在刻蝕終點檢測方面表現出色。

實驗配置：

實驗采用光學發射光譜（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，平均次數設置為1，滑動平均設置在0-1之間。根據具體使用情境，積分時間分別設定為200ms、400ms或600ms，最后對光譜數據進行了歸一化處理。

我們使用了一種系統，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出色，可以根據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定性需求（尤其在工藝環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具有相當的響應，但ST光譜數據呈現出更清晰的峰(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據，在等離子體相關應用中表現出色。因此在將光學發射光譜（OES）技術應用到等離子體監測過程中，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據

在等離子體監測應用中，HR系列光譜儀的另一個顯著優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OES系統僅能覆蓋紫外至可見波段，因為這是關鍵反應發生的波段，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射光譜和監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。

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