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。所以在化學沉積過程中，確認薄膜材料是否正常生長，以及能否產生所需的特定物性，就非常重要。
 

為了確保薄膜沉積按照預期進行，通常將已長成的薄膜從真空化學氣相沉積（CVD）腔室中取出，然后用分析儀器進行檢查。它被稱為“Ex-Situ”方法，是從外部而不是在腔室內部進行分析。但是，從真空室中取出的薄膜可能會與大氣中的氧氣或水分接觸，從而改變物性，很難進行準確的分析。即使通過分析發現問題，也需要花費大量的時間和精力來確定問題發生的時間及原因。
 

為了解決這個問題，許勛首席研究員于3年前成立“創意型融合研究項目”課題，著手進行“化學沉積材料實時沉積膜監測技術和設備開發”的研究。課題結束后同步完成了分析設備的開發，并與半導體材料企業合作進行商業化。
 

許勛首席研究院研究組開發的設備與以往不同，其特點是能夠實時分析硅晶圓腔內形成薄膜的全過程。這不是“Ex-Situ”方式，而是“In-Situ”方式。從形成薄膜到完成，可以分析整個過程的機制。制造半導體薄膜材料的企業、制造工藝設備的企業、三星電子或SK海力士等制造半導體的企業都可以派上用場。
 

首席研究員許勛表示：“我們開發出了可以在任何時間點觀察和分析CVD腔室的薄膜沉積過程的設備”，“不僅可以在半導體領域使用，還可以在OLED材料、二次電池用電極材料、太陽能電池用電極材料等多個領域使用。”
 

研究組利用拉曼光譜作為分析薄膜材料沉積過程的主要檢測手段。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，散射光中的波長略有不同。使用這種現象分析拉曼光譜可以獲得有關材料結構的信息。在 CVD 腔室中安裝 In-situ 拉曼，就可以在形成薄膜的腔室中實時分析薄膜材料的濃度、晶體結構、結晶性等性能。此外，還可以檢驗化學沉積過程中所需的化合物氣體、反應氣體、薄膜生長溫度、生長時間等工藝條件，以找到zui佳工藝方案。

 

研究組還開發了通過分析半導體薄膜物性來推斷遺傳率的分析技術。介電率是指在電場中產生電極化的程度。例如SiO2是一種傳統的層間絕緣材料，但由于介電率高，在實現高密度和高速化方面存在問題，就可以通過沉積具有低電離電特性的電介質來補充。再通過磷酸光光譜法確定其沉積過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生，研究組將能夠產生紫外線（UV）區域和可見光（可見光）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薄膜形成過程和具有較高遺傳率的二氧化鈦（TiO2）薄膜形成過程進行實時監測并對薄膜物性進行實時分析。
 

首席研究員許勛表示：“為了確認開發的系統的可重復性，通過相同工藝的薄膜生長和分析驗證了設備的可靠性”，“使用企業提供的薄膜材料樣品，成功啟動和演示了設備，確保了企業的適用性和實用性。為了滿足如三星電子、SK海力士等國內半導體工藝專家的客戶要求，還主動跟蹤回訪，解決相關問題。”
 

研究組開發的設備還有望幫助開發新的半導體薄膜材料。首席研究員許勛表示：“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、設備研究開發變得尤為重要，本研究組的目標就是是幫助缺乏設備開發和投資余力的中小企業開發半導體材料源技術。
 

本項目中使用的Nanobase生產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，效率曲線均勻，且具備更高的效率，十分擅長針對微弱信號進行探測。以較高的靈敏度和穩定性保障了項目的順利實施。獨特的振鏡掃描技術能夠在樣品不動的情況下實現快速的二維成像mapping，使得原位探測的同時還可以進行成像分析成為了可能。
 

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