等离子体监测模块化，高分辨率光谱

背景

等离子体是一种带电的类气体状态，其中一部分原子被激发或电离，形成自由电子和离子。当激发态中性粒子的电子回到基态时，等离子体发出的光的波长特定于等离子体中存在的原子。发射光的光谱轮廓被用来确定等离子体的组成。等离子体是利用一系列高能方法电离原子形成的，包括加热、高能激光、微波、电和无线电频率。

等离子体应用于包括半导体制造应用包括元素分析，薄膜沉积，等离子蚀刻和表面清洁。精确监控基于等离子体的工艺可以帮助最小化晶圆污染，提高质量和优化生产产量。

等离子体监测

通过发射光谱测量等离子体样品的等离子体监测可以提供详细的元素分析和关键等离子体参数的确定所需的控制等离子体为基础的过程。发射线的波长识别等离子体中存在的元素，发射线强度用于实时量化粒子和电子密度，以进行过程控制。

气体混合物、等离子体温度和粒子密度是控制等离子体过程的关键参数。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，将改变等离子体的特性，影响等离子体与衬底的相互作用。实时监测和控制血浆的能力带来了改进的过程和结果。

例如，在基于等离子体的蚀刻过程中，等离子体监测对过程控制很重要。在半导体工业中，晶圆是用光刻技术制造和操作的。蚀刻是这个过程的一个主要部分，在这个过程中材料可以分层到一个非常特定的厚度。当这些层被蚀刻在晶圆表面时，等离子体监测被用来跟踪蚀刻通过晶圆层，并确定当等离子体完全蚀刻一个特定的层并到达下一个。通过监测等离子体在蚀刻过程中产生的发射线，可以精确地跟踪蚀刻过程。这种端点检测对于半导体材料的生产至关重要plasma-based蚀刻过程．

等离子体监测设置

等离子体监测可以通过灵活的，模块化的设置，使用高分辨率光谱仪，如人力资源系列或Maya2000职业来自Oce亚博最新网站多少an Insight(后者是紫外线气体的常用选择)。对于模块化设置，人力资源光谱仪可以与抗感光光纤从室内形成的等离子体中获得定性发射数据。如果需要定量测量，用户可以添加第三方光谱库，与之比较数据，并快速识别未知的发射线、峰和波段。

在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真空室的界面。仪器元件可以被引入真空室或通过一个视口来观察等离子体。真空引线组件或者定制的纤维设计能够承受室内的恶劣条件，可以用来将组件耦合到等离子室中。

为了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，光纤到等离子体的距离将决定成像区域。使用准直透镜更局部的收集区域，或余弦校正器的光收集超过180°的视野。

测量条件

利用HR系列高分辨光谱仪测量了氩气等离子体在等离子室中引入其它气体时的发射变化。光谱数据由光谱仪、光纤和余弦校正器通过密闭反应室内的一个小窗口收集发射光谱(图1)。

图1:模块化光谱仪可以配置在真空室中进行等离子体测量。

利用耐日晒光纤(QP400-1-SR-BX光纤)，将一个用于测量200-1100 nm(光栅HC-1, SLIT-25)发射的HR2000+高分辨率光谱仪(~1.1 nm FWHM光学分辨率)与余弦校正器(CC-3-UV)耦合。一个CC-3-UV余弦校正器选择采样附件从等离子室获取数据，解决等离子体强度的差异和测量窗口的不均匀污染。其他取样选择包括准直透镜和真空馈通。

结果

氩气等离子体通过等离子室窗口的光谱测量如图2所示。690 - 900 nm的强谱线发射谱线从中性氩(Ar)和低强度从400 - 650行纳米单电离产生的氩原子(Ar II)。图2所示的发射光谱是一个很好的例子的丰富的数据测量等离子体发射光谱。这些光谱信息可以用来确定一系列关键参数，以监测和控制半导体制造过程中的基于等离子体的过程。

图2:通过真空室窗口测量氩气等离子体的发射。

氢气是一种二次气体，加入氩气等离子体可以改变其性质。在图3中，向氩气等离子体中加入氢气的效果是随着向腔室中加入氢气浓度的增加而显示的。氢气改变氩气等离子体特性的能力可以通过700-900 nm之间的氩气谱线强度的下降清晰地显示出来，而氢气浓度的增加则反映在350-450 nm之间的氢谱线的出现。这些光谱证明了实时测量等离子体发射的能力，以评估二次气体对等离子体性能的影响。观测到的光谱变化可用于确保向腔室中添加最佳数量的二次气体，以实现所需的等离子体特性。

图3:在氩气等离子体中加入氢气会改变其光谱特性。

在图4-5、给出了腔室中加入鞘气体前后等离子体的发射光谱测量结果。鞘气用于减少样品注入器和样品之间的接触，以减少由于样品沉积和携带造成的问题。图4显示了加入鞘气之前的氩等离子体发射光谱。加入鞘气后的发射光谱如图5所示。鞘层气体的加入导致了氩气发射光谱的变化，在400 nm以下和~520 nm处的宽谱线出现了损耗。

图4:加入护套气体前真空室测量氩气等离子体发射。

图5:加入护套气体后，氩气在400 nm以下和~520 nm处的发射特性有明显不同。

结论

紫外-可见-近红外光谱是测量等离子体发射的一种强大的方法，使元素分析和精确控制等离子体过程。这里显示的数据说明了模块化光谱方法在等离子体监测中的威力。HR2000+高分辨率光谱仪和模块化光谱方法在调整等离子室条件后，通过等离子室窗口测量等离子体发射光谱效果良好。

还有其他等离子体监测选项，包括Maya2000 Pro，它在紫外线下有很好的响应。此外，光谱仪和子系统可以集成到其他设备中，并与机器学习工具相结合，以实现更复杂的等离子室条件控制。

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