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。它在半導(dǎo)體電路之間起到區(qū)分、連接和保護作用。由于其厚度非常薄，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，確認薄膜材料是否正常生長，以及能否產(chǎn)生所需的特定物性，就非常重要。
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，然后用分析儀器進行檢查。它被稱為“Ex-Situ”方法，是從外部而不是在腔室內(nèi)部進行分析。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，從而改變物性，很難進行準確的分析。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。
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，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)，并與半導(dǎo)體材料企業(yè)合作進行商業(yè)化。
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。這不是“Ex-Situ”方式，而是“In-Situ”方式。從形成薄膜到完成，可以分析整個過程的機制。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)、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。
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”，“不僅可以在半導(dǎo)體領(lǐng)域使用，還可以在OLED材料、二次電池用電極材料、太陽能電池用電極材料等多個領(lǐng)域使用。”
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。拉曼光譜法使用“拉曼效應(yīng)”，當單色光在氣體、透明液體和固體中照射時，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。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、晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶性等性能。此外，還可以檢驗化學(xué)沉積過程中所需的化合物氣體、反應(yīng)氣體、薄膜生長溫度、生長時間等工藝條件，以找到zui佳工藝方案。
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)。介電率是指在電場中產(chǎn)生電極化的程度。例如SiO2是一種傳統(tǒng)的層間絕緣材料，但由于介電率高，在實現(xiàn)高密度和高速化方面存在問題，就可以通過沉積具有低電離電特性的電介質(zhì)來補充。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。
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。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。
首席研究員許勛表示：“為了確認開發(fā)的系統(tǒng)的可重復(fù)性，通過相同工藝的薄膜生長和分析驗證了設(shè)備的可靠性”，“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，確保了企業(yè)的適用性和實用性。為了滿足如三星電子、SK海力士等國內(nèi)半導(dǎo)體工藝專家的客戶要求，還主動跟蹤回訪，解決相關(guān)問題。”
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，可以減少薄膜分析的時間和精力”，“目前，由于日本出口限制，材料及零部件、設(shè)備研究開發(fā)變得尤為重要，本研究組的目標就是是幫助缺乏設(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，和傳統(tǒng)的反射式光柵相比，效率曲線均勻，且具備更高的效率，十分擅長針對微弱信號進行探測。以較高的靈敏度和穩(wěn)定性保障了項目的順利實施。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。
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