原位拉曼系統(tǒng)--實時監(jiān)測半導(dǎo)體薄膜生長全過程

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原位拉曼系統(tǒng)--實時監(jiān)測半導(dǎo)體薄膜生長全過程

在半導(dǎo)體工藝中，薄膜沉積是在半導(dǎo)體原材料硅晶圓上分階段生長薄膜的核心工藝夕晓。它在半導(dǎo)體電路之間起到區(qū)分宛乃、連接和保護作用蒸辆。由于其厚度非常薄征炼，在晶圓上形成均勻地薄膜具有很高的難度。所以在化學(xué)沉積過程中躬贡，確認(rèn)薄膜材料是否正常生長谆奥，以及能否產(chǎn)生所需的特定物性拂玻，就非常重要酸些。

為了確保薄膜沉積按照預(yù)期進行，通常將已長成的薄膜從真空化學(xué)氣相沉積（CVD）腔室中取出檐蚜，然后用分析儀器進行檢查魄懂。它被稱為“Ex-Situ”方法闯第，是從外部而不是在腔室內(nèi)部進行分析市栗。但是，從真空室中取出的薄膜可能會與大氣中的氧氣或水分接觸填帽，從而改變物性咙好，很難進行準(zhǔn)確的分析篡腌。即使通過分析發(fā)現(xiàn)問題，也需要花費大量的時間和精力來確定問題發(fā)生的時間及原因敷扫。

為了解決這個問題，許勛首席研究員于3年前成立“創(chuàng)意型融合研究項目”課題葵第，著手進行“化學(xué)沉積材料實時沉積膜監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備開發(fā)”的研究。課題結(jié)束后同步完成了分析設(shè)備的開發(fā)合溺，并與半導(dǎo)體材料企業(yè)合作進行商業(yè)化卒密。

許勛首席研究院研究組開發(fā)的設(shè)備與以往不同，其特點是能夠?qū)崟r分析硅晶圓腔內(nèi)形成薄膜的全過程棠赛。這不是“Ex-Situ”方式膛腐，而是“In-Situ”方式。從形成薄膜到完成鼎俘，可以分析整個過程的機制哲身。制造半導(dǎo)體薄膜材料的企業(yè)、制造工藝設(shè)備的企業(yè)贸伐、三星電子或SK海力士等制造半導(dǎo)體的企業(yè)都可以派上用場勘天。

首席研究員許勛表示：“我們開發(fā)出了可以在任何時間點觀察和分析CVD腔室的薄膜沉積過程的設(shè)備”捉邢，“不僅可以在半導(dǎo)體領(lǐng)域使用脯丝，還可以在OLED材料、二次電池用電極材料伏伐、太陽能電池用電極材料等多個領(lǐng)域使用宠进∶牯幔”

研究組利用拉曼光譜作為分析薄膜材料沉積過程的主要檢測手段材蹬。拉曼光譜法使用“拉曼效應(yīng)”，當(dāng)單色光在氣體阱高、透明液體和固體中照射時赚导，散射光中的波長略有不同。使用這種現(xiàn)象分析拉曼光譜可以獲得有關(guān)材料結(jié)構(gòu)的信息赤惊。在 CVD 腔室中安裝 In-situ 拉曼，就可以在形成薄膜的腔室中實時分析薄膜材料的濃度未舟、晶體結(jié)構(gòu)圈暗、結(jié)晶性等性能。此外裕膀，還可以檢驗化學(xué)沉積過程中所需的化合物氣體员串、反應(yīng)氣體铺敌、薄膜生長溫度杏死、生長時間等工藝條件达吞，以找到一個較佳的工藝方案导狡。

研究組還開發(fā)了通過分析半導(dǎo)體薄膜物性來推斷遺傳率的分析技術(shù)舀透。介電率是指在電場中產(chǎn)生電極化的程度轧飞。例如SiO2是一種傳統(tǒng)的層間絕緣材料蛹含，但由于介電率高毅厚，在實現(xiàn)高密度和高速化方面存在問題浦箱，就可以通過沉積具有低電離電特性的電介質(zhì)來補充吸耿。再通過磷酸光光譜法確定其沉積過程和處理條件的物性變化祠锣。

為了確保所需遺傳率特性的薄膜的正確產(chǎn)生，研究組將能夠產(chǎn)生紫外線（UV）區(qū)域和可見光（可見光）區(qū)域激光的拉曼光譜源組成復(fù)合型拉曼咽安。成功的對具有低介電率特性的SiOCH薄膜形成過程和具有較高遺傳率的二氧化鈦（TiO2）薄膜形成過程進行實時監(jiān)測并對薄膜物性進行實時分析伴网。

首席研究員許勛表示：“為了確認(rèn)開發(fā)的系統(tǒng)的可重復(fù)性板乙，通過相同工藝的薄膜生長和分析驗證了設(shè)備的可靠性”是偷，“使用企業(yè)提供的薄膜材料樣品，成功啟動和演示了設(shè)備募逞，確保了企業(yè)的適用性和實用性。為了滿足如三星電子放接、SK海力士等國內(nèi)半導(dǎo)體工藝專家的客戶要求刺啦，還主動跟蹤回訪，解決相關(guān)問題纠脾÷耆常”

研究組開發(fā)的設(shè)備還有望幫助開發(fā)新的半導(dǎo)體薄膜材料。首席研究員許勛表示：“克服了現(xiàn)有分析方法的局限性苟蹈，可以減少薄膜分析的時間和精力”糊渊，“目前慧脱，由于日本出口限制渺绒，材料及零部件菱鸥、設(shè)備研究開發(fā)變得尤為重要宗兼，本研究組的目標(biāo)就是是幫助缺乏設(shè)備開發(fā)和投資余力的中小企業(yè)開發(fā)半導(dǎo)體材料源技術(shù)。

本項目中使用的Nanobase生產(chǎn)的顯微共焦拉曼系統(tǒng)采用透射式體相全息光柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計氮采，和傳統(tǒng)的反射式光柵相比殷绍，效率曲線均勻，且具備更高的效率鹊漠，十分擅長針對微弱信號進行探測躯概。以較高的靈敏度和穩(wěn)定性保障了項目的順利實施登钥。獨特的振鏡掃描技術(shù)能夠在樣品不動的情況下實現(xiàn)快速的二維成像mapping，使得原位探測的同時還可以進行成像分析成為了可能楞陷。

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