原位拉曼系統--實(shí)時(shí)監測半導體薄膜生長(cháng)全過(guò)程

在半導體工藝中，薄膜沉積是在半導體原材料硅晶圓上分階段生長(cháng)薄膜的核心工藝。它在半導體電路之間起到區分、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(guò)程中，確認薄膜材料是否正常生長(cháng)，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期進(jìn)行，通常將已長(cháng)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(jìn)行檢查。它被稱(chēng)為“Ex-Situ"方法，是從外部而不是在腔室內部進(jìn)行分析。但是，從真空室中取出的薄膜可能會(huì )與大氣中的氧氣或水分接觸，從而改變物性，很難進(jìn)行準確的分析。即使通過(guò)分析發(fā)現問(wèn)題，也需要花費大量的時(shí)間和精力來(lái)確定問(wèn)題發(fā)生的時(shí)間及原因。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，許勛shou 席研究員于3年前成立“創(chuàng )意型融合研究項目"課題，著(zhù)手進(jìn)行“化學(xué)沉積材料實(shí)時(shí)沉積膜監測技術(shù)和設備開(kāi)發(fā)"的研究。課題結束后同步完成了分析設備的開(kāi)發(fā)，并與半導體材料企業(yè)合作進(jìn)行商業(yè)化。

許勛shou 席研究院研究組開(kāi)發(fā)的設備與以往不同，其特點(diǎn)是能夠實(shí)時(shí)分析硅晶圓腔內形成薄膜的全過(guò)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(gè)過(guò)程的機制。制造半導體薄膜材料的企業(yè)、制造工藝設備的企業(yè)、三星電子或SK海力士等制造半導體的企業(yè)都可以派上用場(chǎng)。

shou 席研究員許勛表示：“我們開(kāi)發(fā)出了可以在任何時(shí)間點(diǎn)觀(guān)察和分析CVD腔室的薄膜沉積過(guò)程的設備"，“不僅可以在半導體領(lǐng)域使用，還可以在OLED材料、二次電池用電極材料、太陽(yáng)能電池用電極材料等多個(gè)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(guò)程的主要檢測手段。拉曼光譜法使用“拉曼效應"，當單色光在氣體、透明液體和固體中照射時(shí)，散射光中的波長(cháng)略有不同。使用這種現象分析拉曼光譜可以獲得有關(guān)材料結構的信息。在 CVD 腔室中安裝 In-situ 拉曼，就可以在形成薄膜的腔室中實(shí)時(shí)分析薄膜材料的濃度、晶體結構、結晶性等性能。此外，還可以檢驗化學(xué)沉積過(guò)程中所需的化合物氣體、反應氣體、薄膜生長(cháng)溫度、生長(cháng)時(shí)間等工藝條件，以找到zui 佳工藝方案。

研究組還開(kāi)發(fā)了通過(guò)分析半導體薄膜物性來(lái)推斷遺傳率的分析技術(shù)。介電率是指在電場(chǎng)中產(chǎn)生電極化的程度。例如SiO2是一種傳統的層間絕緣材料，但由于介電率高，在實(shí)現高密度和高速化方面存在問(wèn)題，就可以通過(guò)沉積具有低電離電特性的電介質(zhì)來(lái)補充。再通過(guò)磷酸光光譜法確定其沉積過(guò)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(xiàn)（UV）區域和可見(jiàn)光（可見(jiàn)光）區域激光的拉曼光譜源組成復合型拉曼。成功的對具有低介電率特性的SiOCH薄膜形成過(guò)程和具有較高遺傳率的二氧化鈦（TiO2）薄膜形成過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監測并對薄膜物性進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

shou 席研究員許勛表示：“為了確認開(kāi)發(fā)的系統的可重復性，通過(guò)相同工藝的薄膜生長(cháng)和分析驗證了設備的可靠性"，“使用企業(yè)提供的薄膜材料樣品，成功啟動(dòng)和演示了設備，確保了企業(yè)的適用性和實(shí)用性。為了滿(mǎn)足如三星電子、SK海力士等國內半導體工藝專(zhuān)家的客戶(hù)要求，還主動(dòng)跟蹤回訪(fǎng)，解決相關(guān)問(wèn)題。"

研究組開(kāi)發(fā)的設備還有望幫助開(kāi)發(fā)新的半導體薄膜材料。shou 席研究員許勛表示：“克服了現有分析方法的局限性，可以減少薄膜分析的時(shí)間和精力"，“目前，由于日本出口限制，材料及零部件、設備研究開(kāi)發(fā)變得尤為重要，本研究組的目標就是是幫助缺乏設備開(kāi)發(fā)和投資余力的中小企業(yè)開(kāi)發(fā)半導體材料源技術(shù)。

本項目中使用的Nanobase生產(chǎn)的顯微共焦拉曼系統采用透射式體相全息光柵的結構設計，和傳統的反射式光柵相比，效率曲線(xiàn)均勻，且具備更高的效率，十分擅長(cháng)針對微弱信號進(jìn)行探測。以較高的靈敏度和穩定性保障了項目的順利實(shí)施。du 特的振鏡掃描技術(shù)能夠在樣品不動(dòng)的情況下實(shí)現快速的二維成像mapping，使得原位探測的同時(shí)還可以進(jìn)行成像分析成為了可能。

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