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在半导体工业中，晶片是使用光刻技术制造和处理的。 蚀刻是该过程的主要部分，在该过程中，材料可以分层到非常特定的厚度。 当这些层在晶圆表面上被蚀刻时，等离子体监测用于跟踪晶圆层的蚀刻并确定等离子体何时完全蚀刻特定层并到达下一层。 通过监测蚀刻过程中等离子体产生的发射线，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生产半导体材料至关重要。

等离子体是一种激发的类气体状态，其中一部分原子被激发或电离以形成自由电子和离子。 当被激发的中性原子的电子回到基态时，等离子体中存在的原子会发出特征波长的辐射光，其光谱可以用来确定等离子体的成分。 等离子体是通过使用一系列高能方法（包括热、高能激光、微波、电和无线电频率）使原子电离而形成的。

用于工艺改进的实时等离子监测

等离子体具有一系列应用，包括元素分析、薄膜沉积、等离子体蚀刻和表面清洁。 监测等离子体样品的发射光谱可提供样品的详细元素分析，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。 发射线的波长用于识别等离子体中存在的元素，发射线的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等参数是控制等离子体过程的关键。 通过将各种气体或粒子引入等离子体室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基板的相互作用。 实时监测和控制等离子体的能力可以改进工艺和产品。

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将不同气体引入等离子体室后氩等离子体发射的变化。 测量在封闭的反应室中进行，光谱仪连接到光纤和余弦校正器，并通过反应室中的小窗口进行观察。 这些测量证明了模块化光谱仪从等离子体室实时采集等离子体发射光谱的可行性。 从这些发射光谱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来完成，使用高分辨率光谱仪，如 Ocean Insight 的 HR 或 Maya2000 Pro 系列（后者是检测紫外线气体的绝佳选择）。 对于模块化设置，HR 光谱仪可以与耐暴露光纤结合使用，以获得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，用户可以添加光谱库来比较数据并快速识别未知的发射线、峰和波段。

监测在真空室中形成的等离子体时的一个重要考虑因素是与采样室的接口。 可以将仪器组件引入真空室，或设置为通过窗口观察等离子体。 真空歧管 专为承受真空室中的恶劣条件而设计的定制光纤将组件耦合到等离子体室中。 为了通过视口监测等离子体，可能需要采样附件，例如余弦校正器或准直透镜，具体取决于要测量的等离子体场的大小。 在没有采样附件的情况下，从光纤到等离子体的距离将决定成像区域。 使用准直透镜获得更局部的收集区域，或使用余弦校正器收集 180 度视野范围内的光。

测量条件

HR系列高分辨率光谱仪用于测量等离子室中引入其他气体时氩等离子体的发射变化。 光谱仪、光纤和余弦校正器通过房间外的一个小窗口收集发射光谱，用于在封闭的反应室中采集等离子体的光谱数据（图 1）。

图 1：模块化光谱仪设置可以配置用于真空室中的等离子体测量。

HR2000+ 高分辨率光谱仪（~1.1nm FWHM 光学分辨率）配置为测量 200-1100nm 发射（光栅 HC-1，SLIT-25），使用具有 A 的耐曝光光纤（QP400-1-SR-BX 光纤）余弦校正器 (CC-3-UV) 已耦合。 选择 CC-3-UV 余弦校正器采样附件获取等离子体室的数据，以解释等离子体强度的差异和测量窗口的不均匀性。 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 nm 的强谱线是中性氩 (Ar I) 的发射线，而 400-650 nm 的低强度谱线是由单电离的氩原子 (Ar II) 产生的。 图 2 中显示的发射光谱是用于测量等离子体发射的丰富光谱数据的示例。 该光谱信息可用于确定一系列关键参数，用于监测和控制半导体制造中基于等离子体的工艺。

图 2：通过真空室窗口测量氩等离子体的发射。

氢气是一种辅助气体，可以添加到氩等离子体中以改变等离子体的特性。 在图 3 中，随着浓度的增加，向氩等离子体中添加氢气的效果。 氢改变氩等离子体特性的能力清楚地表明 700-900 nm 之间的氩线强度降低，而氢浓度的增加反映在 350-450 nm 之间的氢线的出现上。 这些光谱显示等离子体发射强度的实时测量值，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将最佳量的二次气体添加到测试室以实现所需的等离子体特性。

图 3：向氩等离子体中添加氢气会改变其光谱特性。

在图 4 和图 5 中，显示了在将保护气体添加到腔室之前和之后测得的等离子体发射光谱。 保护气体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，显示了添加保护气体之前的氩等离子体发射光谱，添加保护气体后测量的发射光谱如图 5 所示。添加保护气体导致氩发射光谱发生变化，如图所示通过 400 nm 以下和 ~520 nm 的宽谱线消失。

图 4：在添加保护气体之前测量真空室中氩等离子体的发射。

图 5：添加保护气体后，氩气发射特性在 400 nm 以下和 ~ 520 nm 有显着差异。

综上所述

紫外-可见-近红外光谱是一种强大的测量等离子体发射的方法，用于元素分析和精确控制基于等离子体的过程。 这些数据说明了用于等离子体监测的模块化光谱学的强大功能。 HR2000+高分辨率光谱仪和模块化光谱法非常适用于等离子室条件变化时通过等离子室窗口测量等离子体发射光谱。

等离子体监测还有其他选择，包括 Maya2000 Pro海洋maya2000光纤光谱仪原理，它在紫外光下具有良好的响应。 或者海洋maya2000光纤光谱仪原理，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，以实现对等离子体室条件的更复杂控制。

以上文章作者为海洋光学Yvette Mattley博士，爱华科技翻译整理。

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