[发明专利]一种多种检测功能的RIE半导体材料刻蚀装置

说明书

本发明提出了一种多种检测功能的RIE半导体材料刻蚀装置，包括：RIE半导体材料刻蚀腔体、气体流量计、质谱‑光谱联用仪、RHEED、原子力显微镜、气体压强计、温度测试仪、翘曲测试仪、X射线衍射仪、射频电源、真空泵、采集板卡、电脑终端。其将光谱检测、质谱检测、XRD检测、原子力显微镜检测、温度、应力、气体流量和压强检测集成于RIE半导体材料刻蚀系统中，提供了一种具备气态/固态/粒子态/等离子态的多维度质量检测功能的反应离子刻蚀原位在线检测系统。该装置测量手段基本实现了覆盖元素、晶格、物质等与缺陷直接相关的信息的监测以及薄膜表面粗糙度、刻蚀深度、深宽比等薄膜信息的检测，实现了低损伤高性能的材料刻蚀过程。

技术领域

本发明属于半导体材料的干法刻蚀技术领域，尤其涉及一种多种检测功能的RIE半导体材料刻蚀装置。

背景技术

刻蚀是半导体制造、微电子制造以及微纳制造中极其重要的一步工艺，是半导体材料图形化(pattern)处理的一种重要方式。材料刻蚀水平的优劣直接对半导体器件的性能和寿命等产生重要影响。在半导体材料刻蚀过程中，在线检测技术作为控制材料刻蚀水平的前提，是半导体材料刻蚀技术提升的重要组成部分。要达到刻蚀材料的均匀性、可控性、低损伤、低缺陷等要求，在材料刻蚀过程中，需要对腔室温度、材料组分、材料翘曲、刻蚀速度、气体流量、气体压力等直接影响刻蚀后薄膜性能的参数进行精确控制。

半导体薄膜刻蚀中能量的吸收、传递、转换机制以及缺陷的产生、演化、调控涉及电子密度(等离子体)、原子、分子等动力学。目前，关于半导体薄膜反应离子刻蚀装置的研究已经广泛开展，并取得部分成果，但对于刻蚀过程中的检测与调控的研究尚处于起始阶段，并且检测手段较单一，大都是采用某一种检测方法对刻蚀情况进行检测，检测能力和精度较低。但是，反应离子刻蚀过程本质上是物理作用及化学作用导致的薄膜微观结构的演变过程，结构变化取决于化学键的形成和断裂以及原子的重排过程，这种时间尺度的原子运动最终决定了材料的成型(相变)过程及功能。随着刻蚀功率的提高，反应离子刻蚀导致的不均性也会增加，因此刻蚀功率改变后对刻蚀均匀性的在线监测显得十分必要。

半导体图形化衬底进一步的精细化对刻蚀分辨率提出了更高的要求，因此需要采用多种更先进的测量手段来在线表征这些微观的变化过程，使我们从本质上认识材料反应离子刻蚀的过程，提高检测能力和精度，从而更科学的优化反应离子刻蚀工艺。

目前市场上的设备主要针对刻蚀腔内温度、刻蚀均匀性和材料表面形貌这些参数的测量，在线PL和拉曼检测、XRD检测技术在实验室研究中已经有所应用，但在生产设备上的使用还未见报道。质谱仪、扫面电子显微镜、超快RHEED等未见集成于半导体材料刻蚀系统的报道。质谱仪可以将物质离子化，然后根据不同物质的荷质比进行分离，根据测量的不同离子的谱峰强度检测刻蚀腔内刻蚀气体以及被刻蚀材料的组分，建立刻蚀等离子气体随时间的变化规律，根据其变化趋势可以准确反映出某一时刻内发生的特殊变化，确定气体组分对刻蚀效果的影响关系。但目前并未有集成质谱仪在线检测的半导体薄膜刻蚀设备，且质谱仪对于离子质量过于类相似的物质分辨能力稍差，而光谱仪作为鉴别物质及确定它的化学组成和相对含量的仪器，其具有检测灵敏、迅速等优点。

刻蚀腔内的气体组分及其比例、气体流量及压强对半导体薄膜的刻蚀速率及刻蚀均匀性具有重要作用，气体组分的实时监控可以帮我们更好地理解刻蚀过程中发生的化学刻蚀、物理刻蚀的占比及其对刻蚀变化的影响，掌握其反应机理，优化刻蚀参数。另一种重要的检测仪器RHEED设备，可以通过电子的衍射图案实时监测刻蚀过程，但无法捕获材料结构的瞬间变化信息，利用超快RHEED进行半导体材料刻蚀过程的在线监测，可以实现高时空分辨的检测，确定半导体薄膜刻蚀过程中的吸附及解吸附等过程；原子力显微镜AFM是测量薄膜表面形貌尤其是亚纳米级起伏的常用设备，目前都是在离线状态下进行的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种能实现半导体薄膜材料刻蚀过程中对气态、固态、粒子态、等离子态、应力、温度、缺陷、损伤等实时监测，且通过检测结果反馈调节刻蚀参数的装置。