使用Ocean HDX光谱仪进行等离子监测

使用Ocean HDX光谱仪进行等离子监测

实时获取等离子体发射光谱

基于Ocean HDX光谱仪的模块化光谱设置用于监测引入不同气体和纳米颗粒后氩等离子体发射的变化。测量在封闭的反应室中进行，使用光纤和余弦校正器耦合到光谱仪，通过反应腔体中的小窗口进行观察。测量结果表明模块化光谱组件可实时获取等离子体发射光谱。通过发射光谱确定的等离子体特性可用于监测和控制基于等离子体的反应过程。

背景

等离子体是一种被高能量激发的气体状态，其中一部分原子被激发或电离形成自由电子和离子。当激发的中性粒子的电子重新回到基态时，等离子体能发射可表征原子特异性的特定波长的光。发射光的光谱分布用于确定等离子体的成分。等离子体可通过使用高能方法电离原子形成，包括加热，高功率激光，微波，电和射频。

等离子监控

等离子体具有一系列应用，包括元素分析，薄膜沉积，等离子体蚀刻和表面清洁。等离子体监测可以为样品提供详细的元素分析，并确定在控制基于等离子体的过程中所需的关键等离子体参数。发射线用于识别等离子体中存在的元素，发射线强度用于实时量化粒子和电子密度。

气体混合物，等离子体温度和颗粒密度等参数对于控制等离子体过程都是至关重要的。通过向腔室引入各种气体或颗粒来改变这些参数，将会造成等离子体特性的改变，同时也会影响等离子体与基板的相互作用。监测和控制等离子体可改善工艺和成品。

例如，在半导体工业中可以通过光刻技术制造和控制晶片。蚀刻是该过程的主要部分，其中材料可以沉积到非常特定的厚度。当在晶片表面上蚀刻时，可使用等离子体监测来跟踪蚀刻穿过晶片层并确定等离子体何时完全蚀刻特定层并到达下一层。通过监视在蚀刻期间由等离子体产生的发射线，可以精地追踪蚀刻过程。这种使用等离子体监测的终点检测对于半导体材料的生产是至关重要的。

等离子体监测方法

等离子监测可以通过灵活的模块配置，使用像Ocean HDX这样的光谱仪或完全集成的系统完成。对于模块化配置，Ocean HDX光谱仪可与抗老化的光纤结合使用，从腔室中形成的等离子体获取定性发射谱数据。此外，还可使用SpecLine软件来识别数百个原子的发射谱线和分子带。

监测在真空室中形成的等离子体时的重要考虑因素是与腔室的连接。仪器组件可以引入真空室或配置为通过视口观察等离子体（图1）。可使用能够承受腔室中的苛刻条件的真空穿板或定制光纤将部件耦合到等离子体腔室中。

为了通过窗口监测等离子体，根据测量的等离子体场的大小来决定余弦校正器或准直透镜的采样附件。没有采样附件，成像区域将由光纤到等离子体的距离决定。对于更局部化的收集区域，准直透镜可以附着到光纤上。余弦校正器也可用于180°视场范围内的光进行采集。

测量条件

在其他气体和纳米颗粒被引入到等离子体腔室时，可以使用Ocean HDX光谱仪测量氩等离子体的发射变化。在封闭反应室中的等离子体的光谱数据，将通过光谱仪，光纤和余弦校正器从腔室外的小窗口收集的发射光谱而得到。

Ocean HDX光谱仪为UV-Vis配置，采用400μm抗老化的光纤耦合余弦校正器进行采样。选择抗老化光纤是为了避免由等离子体的强UV光引起的光纤内涂层降解。选择余弦校正器从等离子腔室获取数据可解决等离子体强度的差异和测量窗口的不均匀结垢。准直透镜也可作为等离子体监测测量中余弦校正器的常用备选方案。

氩

通过等离子体室窗口测量的氩等离子体的光谱如图2所示。

位于690-900nm的强光谱线是中性氩（Ar I）的发射线，位于400-650nm的较低强度线是单电离的氩原子（Ar II）的发射线。图2中所示的发射光谱是针对等离子体发射测量的丰富光谱数据的一个很好的示例。

氢

氢气是可以添加到氩等离子体中以改变等离子体性质的二次气体。在图3和图4中，当不同浓度的氢气添加到腔室中时，腔室中添加氢气对氩等离子体的影响效果被显示出来。通过700-900 nm之间氩线强度的降低，氢气改变氩等离子体特性的能力清楚地表现出来；而350-450nm之间的氢线的出现反映出了氢气浓度的增加。这些光谱证明了实时测量等离子体发射用于监测二次气体对等离子体特性的影响时的能力。观察到的光谱变化可用于确保将**量的二次气体添加到腔室中以得到所期望的等离子体特性。

鞘流气

图5和图6为在添加鞘流气之前和之后的等离子体的发射光谱。鞘流气用于减少样品注射器和样品之间的接触，从而减少由于样品沉积和残留引起的问题。图5为添加鞘流气之前的氩等离子体发射光谱，图6为添加鞘流气后测量的发射光谱。鞘流气的添加导致氩发射光谱的变化，表现为低于400nm和520nm处的宽光谱线的消失。

纳米颗粒

图7显示了向等离子体室添加纳米颗粒的影响。相对于图1中所示的原始氩等离子体发射光谱，谱线的数量和强度减小。谱线的减少与纳米粒子注入室中时等离子体特性的变化有关。当腔室条件发生变化时，Ocean HDX光谱仪在通过等离子体室的窗口测量等离子体发射光谱方面表现良好。由于所有元素的发射都发生在UV-Vis-NIR区域，因此光谱学是一种测量等离子体发射的有效方法，可以进行元素分析和精控制基于等离子体的过程。