光谱应用 | 光谱发射谱（OES）在半导体工艺监控与管控中的应用

2026-03-13 10:02:13 北京爱蛙科技有限公司

光学发射光谱（OES）已成为半导体行业一项关键的分析技术，因其能够对各种至关重要的半导体制造工艺提供实时、原位监控。本文综述了OES在半导体制造工艺中的原理与应用。文中探讨了OES的基本原理、仪器设备、数据分析技术以及该领域的最新进展。此外，本文还重点阐述了OES在确保半导体制造工艺的质量、可靠性和效率方面的重要意义，其对电子技术的进步做出了贡献。

一、半导体制造工艺控制

随着全球对半导体产品的需求不断增长，新的晶圆厂正在建设中，现有的晶圆厂也在进行改造升级。为了跟上市场需求，必须使生产线以最高效率运行，并将停机时间降至最低。OES为此提供了一种经济高效且可靠的保障方式。我们将探讨OES的四种不同应用方式，包括：

等离子体温度监控
刻蚀工艺的终点检测
沉积工艺的终点检测
反应腔室清洗的终点检测

二、光学发射光谱基本原理

物质的第四态是一种被称为等离子体的电离气体，当其受激时会发射光子。这些光子通常在特定波长处表现为窄带发射谱线。可以使用针对应用光谱范围和分辨率配置的光谱仪来监测这些发射谱线及其强度。

三、OES在半导体工艺监控的应用

光学发射光谱 （OES）已成为半导体制造的基石，提供了一种经济高效且可靠的实时原位监测各种工艺的方法。OES 的核心是分析半导体制造环境中电离气体或等离子体发出的光。当这些气体被激发时，会发射特定波长的光子，这些光子可以被捕捉和分析，从而为制造室内发生的过程提供宝贵的数据。

1）利用 OES 进行实时等离子体温度监测

OES 最关键的应用之一是等离子体温度监测。通过检测特定波长下发射线的强度，制造商可以准确测量等离子体的温度。这些信息对于确保半导体制造工艺始终处于最佳参数内至关重要，从而提升效率并降低缺陷发生的可能性。例如，监测六氟化硫（SF6）等气体的发射线，可以利用斯特凡-玻尔兹曼辐照度方程精确控制等离子体温度，最终实现更高质量的输出。

如下图所示的装置可以校准，以将反应腔室功率与发射谱线峰值强度关联起来▼

以六氟化硫（SF₆）为例▼

随后，可以利用下图所示的斯特藩-玻尔兹曼辐射方程，将其转换为等离子体温度▼

2）利用终端检测优化蚀刻和沉积工艺

在半导体制造中，蚀刻和沉积工艺对于材料的成型和层叠至关重要。OES 在这些工艺的终端检测（EPD）中发挥重要作用，使制造商能够确定刻蚀或沉积完成的确切时刻。这种精度是通过监测过程中气体发射光谱的变化实现的。例如，通过监测发射线确保所有材料被去除，可以优化四氟化碳（CF₄）等离子体在蚀刻中的使用。同样，在沉积过程中，可以追踪氩等离子体中金属原子的电离过程，以确保沉积的材料厚度正确。

四氟化碳（CF₄）等离子体常用于刻蚀掉二氧化硅（SiO₂）等材料层。使用时序分辨OES，可以通过等离子体中的O₂含量精确确定材料何时被完全去除。参见下图，该图展示了通过监测400-600nm波长范围内发射谱线强度来模拟监控氧浓度的过程。在此例中，O₂水平下降到某一程度时，工艺即被视为完成。

氩等离子体可以电离金属原子，随后这些离子可在电场作用下加速射向晶圆，从而形成一种称为“溅射”的物理气相沉积（PVD）工艺。溅射是指高能离子轰击导致原子从靶材中喷射出来的过程。这些溅射出的金属原子随后可沉积到衬底上，形成薄膜。下图为一个示例性的腔室配置。可以使用OES监测氩等离子体的浓度和温度，从而确定金属的蒸发速率。这又可进一步与随时间变化的沉积厚度相关联。

3）通过 OES 监测确保腔室清洁高效

在刻蚀和沉积过程中，等离子体反应腔内部可能会被残留材料覆盖。这就有必要对腔室进行清洁。使用基于氟的等离子体（如CF₄ + O₂）可以有效地完成此清洁过程。清洁度水平可通过监测O₂与CF₄发射谱线强度的比值来检测。较高的氧氟比表明腔室相对更清洁，即氧气相对于氟的含量更高。这可能意味着腔室正在有效地去除氟残留物。参见示例图。