1.腔室清潔終點精確控制的重要性與挑戰(zhàn)
薄膜沉積(如CVD/ALD)、光刻和刻蝕是半導(dǎo)體制造的三大核心工藝，其中薄膜沉積作為基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，負責(zé)金屬、介質(zhì)及半導(dǎo)體薄膜的制備。為確保薄膜沉積工藝的穩(wěn)定性，需定期使用NF?對腔室進行清潔，以去除積聚的聚合物材料。
精確控制清潔終點至關(guān)重要：
●清潔不足：殘留沉積物會形成顆粒污染，導(dǎo)致產(chǎn)品良率下降
●過度清潔：增加NF?消耗、延長設(shè)備停機時間并縮短腔室壽命。
傳統(tǒng)方法依賴經(jīng)驗時間控制清潔終點，但最佳清潔時間受多變量影響(如沉積厚度、溫度、壓力、氣體流量及材料化學(xué)組成)，且這些參數(shù)可能隨時間漂移。因此，多數(shù)工藝會延長清潔時間以確保清潔，但這也造成了資源浪費。
2.腔室清潔終點副產(chǎn)物氣體檢測方法的基本理論
腔室清潔的原理是NF?與沉積物反應(yīng)生成氣體(如SiF?)后通過泵排出。清潔過程中，SiF?分壓會經(jīng)歷以下變化：
●初始階段：SiF?分壓急劇上升；
●清潔完成：分壓回落至基線水平。
Johnson等(2004)提出通過質(zhì)譜儀實時監(jiān)測SiF?分壓來確定清潔終點。由于氣體排出存在滯后，終點定義為SiF?濃度曲線后沿漸近線與基線水平線的交點(圖1)。近年來，紅外氣體傳感器因其實時性和可靠性，已成為主流檢測手段。
圖1 用于確定清潔終點時間的SiF?濃度曲線(Johnson et al. 2004)
3.腔室清潔終點檢測設(shè)備的國產(chǎn)化替代需求
2025年3月5日，國務(wù)院總理在《政府工作報告》中強調(diào)“以科技創(chuàng)新推動關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控"，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)被列為國家戰(zhàn)略支柱。然而，半導(dǎo)體設(shè)備關(guān)鍵部件長期依賴歐美日廠商，紅外氣體傳感器等核心零部件面臨斷供風(fēng)險。國產(chǎn)化替代不僅是技術(shù)自主的必然要求，更是保障產(chǎn)業(yè)鏈安全的關(guān)鍵舉措。
4.解決方案
四方儀器作為紅外氣體傳感器制造商，針對薄膜沉積設(shè)備清潔終點檢測需求，推出Gasboard-2060 SiF?紅外氣體傳感器。
圖2 Gasboard-2060 SiF?紅外氣體傳感器
4.1 技術(shù)優(yōu)勢
●雙光束紅外(NDIR)技術(shù)：采用電調(diào)制光源和集成雙通道探測器，顯著提升抗干擾能力；
●環(huán)境適應(yīng)性：通過參考通道補償溫度、濕度及交叉氣體干擾，確保測量穩(wěn)定性；
●高精度：量程0~200 mTorr，準(zhǔn)確度≤±1.0% F.S.，響應(yīng)時間T90≤2秒。
圖3 Gasboard-2060 SiF?紅外氣體傳感器光學(xué)結(jié)構(gòu)
4.2 產(chǎn)品性能
實驗室測試顯示，傳感器的線性準(zhǔn)確度(圖4)、響應(yīng)時間(圖4)、重復(fù)性和檢出限等均滿足CVD腔室清潔的實時監(jiān)測需求。
表1 Gasboard-2060 SiF?紅外氣體傳感器的技術(shù)參數(shù)
| 測量原理 | NDIR |
| 測量氣體 | SiF?、CF4、SF6、NF3、CO2 |
| 量程范圍 | 0~200 mTorr |
| 準(zhǔn)確度 | ≤±1.0% F.S. |
| 重復(fù)性 | ≤±0.5% F.S. |
| 檢出限（3σ） | ≤±0.5% F.S. |
| 響應(yīng)時間（T90） | ≤2s |
圖4 Gasboard-2060 SiF?紅外氣體傳感器的線性檢查與響應(yīng)時間檢查
4.3 應(yīng)用案例
實際測試中，Gasboard-2060在重復(fù)清潔過程中表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性(圖6)。客戶反饋其性能已達到或超越進口產(chǎn)品，成功實現(xiàn)清潔終點的精準(zhǔn)控制，助力CVD設(shè)備技術(shù)升級。
圖5 CVD腔室結(jié)構(gòu)及紅外傳感器測量點
圖6 CVD設(shè)備2次重復(fù)腔室清潔試驗的Gasboard-2060 SiF?實測數(shù)據(jù)曲線
