半導(dǎo)體行業(yè)薄膜沉積設(shè)備腔室清潔終點檢測解決方案

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(fù)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：

l  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

l   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：

l  初始階段：SiF?分壓急劇上升；

l  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

l  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；

l  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；

l  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)

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