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原位拉曼系统--实时监测半导体薄膜生长全过程

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在半导体工艺中,薄膜沉积是在半导体原材料硅晶圆上分阶段生长薄膜的核心工艺。它在半导体电路之间起到区分、连接和保护作用。由于其厚度非常薄,在晶圆上形成均匀地薄膜具有很高的难度。所以在化学沉积过程中,确认薄膜材料是否正常生长,以及能否产生所需的特定物性,就非常重要。

为了确保薄膜沉积按照预期进行,通常将已长成的薄膜从真空化学气相沉积(CVD)腔室中取出,然后用分析仪器进行检查。它被称为“Ex-Situ”方法,是从外部而不是在腔室内部进行分析。但是,从真空室中取出的薄膜可能会与大气中的氧气或水分接触,从而改变物性,很难进行准确的分析。即使通过分析发现问题,也需要花费大量的时间和精力来确定问题发生的时间及原因。

为了解决这个问题,许勋首席研究员于3年前成立“创意型融合研究项目”课题,着手进行“化学沉积材料实时沉积膜监测技术和设备开发”的研究。课题结束后同步完成了分析设备的开发,并与半导体材料企业合作进行商业化。

许勋首席研究院研究组开发的设备与以往不同,其特点是能够实时分析硅晶圆腔内形成薄膜的全过程。这不是“Ex-Situ”方式,而是“In-Situ”方式。从形成薄膜到完成,可以分析整个过程的机制。制造半导体薄膜材料的企业、制造工艺设备的企业、三星电子或SK海力士等制造半导体的企业都可以派上用场。

首席研究员许勋表示:“我们开发出了可以在任何时间点观察和分析CVD腔室的薄膜沉积过程的设备”,“不仅可以在半导体领域使用,还可以在OLED材料、二次电池用电极材料、太阳能电池用电极材料等多个领域使用。”

研究组利用拉曼光谱作为分析薄膜材料沉积过程的主要检测手段。拉曼光谱法使用“拉曼效应”,当单色光在气体、透明液体和固体中照射时,散射光中的波长略有不同。使用这种现象分析拉曼光谱可以获得有关材料结构的信息。在 CVD 腔室中安装 In-situ 拉曼,就可以在形成薄膜的腔室中实时分析薄膜材料的浓度、晶体结构、结晶性等性能。此外,还可以检验化学沉积过程中所需的化合物气体、反应气体、薄膜生长温度、生长时间等工艺条件,以找到最佳工艺方案。

研究组还开发了通过分析半导体薄膜物性来推断遗传率的分析技术。介电率是指在电场中产生电极化的程度。例如SiO2是一种传统的层间绝缘材料,但由于介电率高,在实现高密度和高速化方面存在问题,就可以通过沉积具有低电离电特性的电介质来补充。再通过磷酸光光谱法确定其沉积过程和处理条件的物性变化。

为了确保所需遗传率特性的薄膜的正确产生,研究组将能够产生紫外线(UV)区域和可见光(可见光)区域激光的拉曼光谱源组成复合型拉曼。成功的对具有低介电率特性的SiOCH薄膜形成过程和具有较高遗传率的二氧化钛(TiO2)薄膜形成过程进行实时监测并对薄膜物性进行实时分析。

首席研究员许勋表示:“为了确认开发的系统的可重复性,通过相同工艺的薄膜生长和分析验证了设备的可靠性”,“使用企业提供的薄膜材料样品,成功启动和演示了设备,确保了企业的适用性和实用性。为了满足如三星电子、SK海力士等国内半导体工艺专家的客户要求,还主动跟踪回访,解决相关问题。”

研究组开发的设备还有望帮助开发新的半导体薄膜材料。首席研究员许勋表示:“克服了现有分析方法的局限性,可以减少薄膜分析的时间和精力”,“目前,由于日本出口限制,材料及零部件、设备研究开发变得尤为重要,本研究组的目标就是是帮助缺乏设备开发和投资余力的中小企业开发半导体材料源技术。

本项目中使用的Nanobase生产的显微共焦拉曼系统采用透射式体相全息光栅的结构设计,和传统的反射式光栅相比,效率曲线均匀,且具备更高的效率,十分擅长针对微弱信号进行探测。以较高的灵敏度和稳定性保障了项目的顺利实施。独特的振镜扫描技术能够在样品不动的情况下实现快速的二维成像mapping,使得原位探测的同时还可以进行成像分析成为了可能。

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