CN111081584B - 基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置及应用其的刻蚀系统 - Google Patents

基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置及应用其的刻蚀系统 Download PDF

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Abstract

一种基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置及应用其的刻蚀系统，基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置包括：光学探头，用于收集样品表面经离子轰击引发的光；光谱仪，通过光纤与光学探头相连；光谱仪用于探测并处理光学探头收集的光，得到收集的光的光谱；处理器，用于对收集的光的光谱进行数据处理，得到样品对应判定元素的光谱图；其中，通过监测所述样品对应判定元素的光谱图中特征峰的存在与否来判断是否达到样品离子刻蚀终点。本发明基于光谱仪进行离子刻蚀终点检测，而非质谱仪进行分析，可以探测到刻蚀样品，进行精准分析；且不同于质谱分析法的复杂结构难安装，本发明使用光学探头、光谱仪及其光纤附件结构简单，安装使用方便。

Description

基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置及应用其的刻蚀系统
技术领域
本发明涉及等离子刻蚀技术领域，尤其涉及一种基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置及应用其的刻蚀系统。
背景技术
等离子刻蚀技术现已广泛应用于薄膜器件的制造工艺和研究工作中，随着薄膜器件精密性的不断提升，对刻蚀过程的控制要求也越来越高，而对刻蚀过程的控制则取决于对刻蚀终点的判断。
目前不管生产工艺线还是实验室大都使用质谱仪进行终点监测。由于核素的准确质量是一多位小数，决不会有两个核素的质量是一样的，而且决不会有一种核素的质量恰好是另一核素质量的整数倍，因此将离子按质荷比分离后通过离子质量可以确定元素种类，通过检测离子的信号强度可以判断是否到达终点。
质谱分析法的灵敏性很高，分析速度快，实时性好，并且可以同时检测多组数据，但也具有显著的缺点：对于终点检测，质谱仪结构复杂难安装，还会影响到刻蚀机本身的真空环境。除此之外，质谱仪分析的是整个腔室内的所有元素，而对于离子束刻蚀等工艺来说，我们更期望直接探测到样品来精准分析是否达到刻蚀终点。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置及应用其的刻蚀系统，以期至少部分地解决上述提及的技术问题之一。
作为本发明的一个方面，本发明提供一种基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置，包括：
光学探头，用于收集样品表面经离子轰击引发的光；
光谱仪，通过光纤与所述光学探头相连；所述光谱仪用于探测并处理所述光学探头收集的光，得到所述收集的光的光谱；
处理器，用于对所述收集的光的光谱进行数据处理，得到样品对应判定元素的光谱图；其中，通过监测所述样品对应判定元素的光谱图中特征峰的存在与否来判断是否达到样品离子刻蚀终点。
作为本发明的另一个方面，还提供一种刻蚀系统，包括：
真空腔室；
旋转刻蚀工件台，设置于所述真空腔室内，用于固定样品进行离子刻蚀；
如上述的基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置；
其中，所述光学探头设置于所述真空腔室内，且所述光学探头对准所述旋转刻蚀工件台。
基于上述技术方案，本发明相较于现有技术至少具有如下有益效果的其中之一或其中一部分；
(1)本发明基于光谱仪进行离子刻蚀终点检测，而非质谱仪进行分析，可以直接探测到被刻蚀样品，进行精准分析；且不同于质谱分析法的复杂结构难安装，本发明使用光学探头、光谱仪及其光纤附件就可以完成安装，结构简单，使用方便。
(2)本发明使用的是光学探头，用于接收样品刻蚀过程中发出的光谱信号，实现对刻蚀样品的局部终点探测。
(3)本发明对光学探头加装了玻璃挡板，减小溅射材料对探头窗口的污染，同时经过实验验证，仍可维持稳定的透光率。
(4)通过使用多个光学探头可实现多通道的终点探测，通过设置不同波段的检测范围，将进一步的提高探测精度。
附图说明
图1是本发明实施例基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置和应用其的刻蚀系统示意图；
图2为本发明实施例基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置的可调支架立体示意图。
上述附图中，附图标记含义如下：
1、光学探头；11、套筒；12、准直透镜；13、玻璃挡板；2、光谱仪；3、光纤；4、可调支架；41、双直线导轨支架；411、双直线导轨；42、七字形支架；421、线性滑轨；5、过真空光路；6、真空腔室；7、旋转刻蚀工件台；8、离子源；81、离子源挡板；91、处理器；92、控制器；93、显示器。
具体实施方式
本发明通过改造刻蚀系统真空腔室，加装三维空间可调光学探头、过真空光路、光纤、光谱仪及处理器，搭建了一套基于光谱仪的离子刻蚀终点检测的刻蚀系统，实现了离子刻蚀过程中的终点检测和控制，具有灵敏度高，分辨率高，实时性好，结构简单，便于安装，检测位置和范围灵活可调的优点。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，作为本发明的一个方面，提供了一种基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置，包括：
光学探头1，用于收集样品表面经离子轰击引发的光；
光谱仪2，通过光纤3与光学探头1相连；光谱仪2用于探测并处理光学探头1收集的光，得到收集的光的光谱；
处理器91，用于对收集的光的光谱进行数据处理，得到样品对应判定元素的光谱图；其中，通过监测样品对应判定元素的光谱图中特征峰的存在与否来判断是否达到样品离子刻蚀终点。
本发明采用发射光谱法，是基于离子轰击样品引起材料原子激发和返回时伴随的光子发射光谱原理来监测刻蚀过程的，利用光谱仪而非质谱进行探测。由于光子波长取决于原子能级跃迁，因此辐射光波长，十分精确，通过监测某一谱线的存在或消失可以有效地确定某种成分的存在与否，达到检测刻蚀终点的目的。
在本发明的实施例中，光学探头1包括：
套筒11，一端与光纤3相连；
准直透镜12，设置于套筒11内；准直透镜12用于将光汇集并传输到光纤内；
挡板玻璃13，具有透光性，挡板玻璃13设置于套筒11内，且位于准直透镜12的远离光纤3一侧，用于阻挡刻蚀物沉积于准直透镜12上。
更为具体地，光学探头1主要包括准直透镜12、挡板玻璃13和套筒11。光学探头11对准刻蚀样品表面收集离子轰击引发的光，通过准直透镜12把光汇集进光纤3；挡板玻璃13的作用是阻挡刻蚀沉积物，且维持相当稳定的透光率。
在本发明的实施例中，基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置还包括可调支架4，可调支架4与套筒11连接，用于使光学探头1实现三维空间可调。
在本发明的实施例中，本发明首次实现将三维空间可调的光学探头1加装在真空刻蚀腔室内部，利用光学探头1探测光子发射光谱来判断刻蚀终点。
如图2所示，在本发明的实施例中，可调支架4包括：
双直线型导轨支架41，包括平行的两直线导轨411；
七字形支架42，七字形支架42的一支杆上设置两个连接点，两个连接点分别通过滑块滑动连接于两直线导轨411上，用于调节七字形支架42相对双直线型导轨支架41的角度倾转；七字形支架42的另一支杆上设置线性滑轨421，在线性滑轨421上滑动连接光学探头1的套筒11，用于实现光学探头1相对双直线型导轨支架41的垂直移动。
三维空间可调探头支架(即可调支架)采用双直线型导轨支架41+七字形导轨支架(即七字形支架)的组合机械结构实现三维空间位置以及信号采集角度的调节，以供终点检测光学探头1对准设置使用。
在本发明的实施例中，光学探头1和可调支架4一一对应设置多组。使用多个光学探头1可实现多通道的终点探测，通过设置不同波段的检测范围，将进一步的提高探测精度。
在本发明的实施例中，基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置还包括显示器93，用于对处理器91得到的对应样品判定因素的光谱图进行显示。
值得一提的是，在本发明的实施例中，显示器93和处理器91可以与光谱仪2一体设置，但并不局限于此，还可以设计为处理器91、显示器93与光谱仪2电连接。
如图1所示，作为本发明的一个方面，还提供一种刻蚀系统，包括：
真空腔室6；
旋转刻蚀工件台7，设置于真空腔室6内，用于固定样品进行离子刻蚀；
如上述的基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置；
其中，光学探头1设置于真空腔室6内，且光学探头1对准旋转刻蚀工件台7。
在本发明的实施例中，光学探头1对准刻蚀样品表面收集粒子轰击引发的光，通过光学探头1中的准直透镜12，把光汇集进光纤3，然后传出真空腔室6，送入光谱仪2的入口狭缝，得到所述收集的光的光谱。经过处理器91的数据处理，获得谱线强度的相对显示。当某一材料被刻蚀完成后，该材料的谱线强度衰减至本底，表明到达刻蚀终点。
在本发明的实施例中，因为光学探头1与光谱仪2之间通过光纤3连接，所以，在进行刻蚀之前，还可以在真空腔室6外通过光纤3对真空腔室6内投射光，形成光斑照射在旋转刻蚀工件台7上，利用光斑照射位置及光斑大小，再根据刻蚀样品大小及期望探测范围来调整探测区域。
在本发明的实施例中，刻蚀系统还包括过真空光路5，设置于真空腔室6的腔壁上；光谱仪2设置于真空腔室6外，与光谱仪2相连的外侧光纤和与光学探头1相连的内侧光纤通过过真空光路5相连。
过真空光路5为连接光学探头1和光谱仪2的光纤光路提供从高真空的真空腔室6到腔外常压环境的一个过渡通道装置，其主要作用为作为媒介将光从真空腔室6内向外传输，同时确保真空腔室6真空环境不被破坏。
本发明相对现有技术，通过自主设计刻蚀系统真空腔室6结构、光学探头1和可调支架4以及过真空光路5，搭建了一套基于光谱仪的离子刻蚀终点检测的刻蚀系统。
在本发明的实施例中，如图1所示，刻蚀系统还包括离子源8，设置于旋转刻蚀工件台7上方，用于将样品中的中性原子电离，并形成离子束流。
值得一提的是，在本发明的实施例中，刻蚀系统还包括离子源挡板81，该离子源挡板81设置于离子源8与旋转刻蚀工件台7之间，用于增加刻蚀开始时间点的可控性。
在本发明的实施例中，刻蚀系统还包括水冷部件，设置于真空腔室6内，用于冷却旋转刻蚀工件台7和离子源8。
在本发明的实施例中，刻蚀系统还包括控制器92，用于接收和分析处理器91的监测信息，得到样品离子刻蚀终点的判断结果，控制刻蚀系统的运行。
在本发明的实施例中，其中控制刻蚀系统的运行，即控制相关的离子源8、真空腔室6内的抽真空、旋转刻蚀工件台7的冷却等维持刻蚀的相关功能部件的运行。
在本发明的实施例中，处理器91是对收集的光的光谱进行数据处理，得到样品对应判定元素的光谱图，其他功能还包括：用户登陆，数据选择，元素判断，标记数据点、波峰辅助线等。
其中，本领域的技术人员应当明白，本发明的发明点并不在于该软件或应用程序的开发，现有技术中能够实现进行对收集的光的光谱进行数据处理，得到样品对应判定元素的光谱图，用户登陆，数据选择，元素判断，标记数据点、波峰辅助线等功能的软件或应用程序即适用于本发明实施例，在此不作赘述。
此外，控制器92将光谱仪2与刻蚀系统控制结合起来，接收和分析处理器91的监测信息，得到样品离子刻蚀终点的判断结果，控制刻蚀系统的运行，如果到达则使用控制器触发控制刻蚀系统来停止刻蚀，需要时再通过控制器92启动刻蚀系统进行刻蚀，进而实现全自动的终点检测控制。
其中，本领域的技术人员应当明白，本发明的发明点并不在于该软件或应用程序的开发，现有技术中能够实现接收和分析处理器的监测信息，得到样品离子刻蚀终点的判断结果，控制所述刻蚀系统的运行等功能的软件或应用程序即适用于本发明实施例，在此不作赘述。
值得一提的是，在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的启示一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置，其特征在于，包括：
光学探头，用于收集真空腔室内部的样品表面经离子轰击引发的光，其中，所述光学探头设置于所述真空腔室内；
光谱仪，通过光纤与所述光学探头的套筒相连；所述光谱仪用于探测并处理所述光学探头收集的光，得到所述收集的光的光谱；
处理器，用于对所述收集的光的光谱进行数据处理，得到样品对应判定元素的光谱图；其中，通过监测所述样品对应判定元素的光谱图中特征峰的存在与否来判断是否达到样品离子刻蚀终点；
可调支架，所述可调支架与所述套筒连接，用于使所述光学探头实现三维空间可调，其中，所述可调支架包括：双直线型导轨支架，包括平行的两直线导轨；七字形支架，所述七字形支架的一支杆上设置两个连接点，所述两个连接点分别通过滑块滑动连接于所述两直线导轨上，用于调节所述七字形支架相对所述双直线型导轨支架的角度倾转；所述七字形支架的另一支杆上设置线性滑轨，在所述线性滑轨上滑动连接所述光学探头的套筒，用于实现所述光学探头相对所述双直线型导轨支架的垂直移动。
2.如权利要求1所述的一种基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置，其特征在于，所述光学探头包括：
所述套筒，一端与所述光纤相连；
准直透镜，设置于所述套筒内；所述准直透镜用于将光汇集并传输到所述光纤内；
挡板玻璃，具有透光性，所述挡板玻璃设置于所述套筒内，且位于所述准直透镜的远离所述光纤一侧，用于阻挡刻蚀物沉积于所述准直透镜上。
3.如权利要求1所述的一种基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置，其特征在于，所述光学探头和所述可调支架一一对应设置多组。
4.如权利要求1所述的一种基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置，其特征在于，所述基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置还包括显示器，用于对所述处理器得到的对应样品判定因素的光谱图进行显示。
5.一种刻蚀系统，其特征在于，包括：
真空腔室；
旋转刻蚀工件台，设置于所述真空腔室内，用于固定样品进行离子刻蚀；
如权利要求1至4任一项所述的基于光谱仪的离子刻蚀终点检测装置；
其中，所述光学探头设置于所述真空腔室内，且所述光学探头对准所述旋转刻蚀工件台。
6.如权利要求5所述的一种刻蚀系统，其特征在于，所述刻蚀系统还包括过真空光路，设置于所述真空腔室的腔壁上；所述光谱仪设置于所述真空腔室外，与所述光谱仪相连的外侧光纤和与所述光学探头相连的内侧光纤通过过真空光路相连。
7.如权利要求5所述的一种刻蚀系统，其特征在于，所述刻蚀系统还包括控制器，用于接收和分析所述处理器的监测信息，得到样品离子刻蚀终点的判断结果，控制所述刻蚀系统的运行。
8.如权利要求5所述的一种刻蚀系统，其特征在于，所述刻蚀系统还包括离子源，设置于所述旋转刻蚀工件台上方，用于将样品中的中性原子电离，并形成离子束流。
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