半導體行業薄膜沉積設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

薄膜沉積（如CVD/ALD）、光刻和刻蝕是半導體制造的三大核心工藝，其中薄膜沉積作為基礎環節，負責金屬、介質及半導體薄膜的制備。為確保薄膜沉積工藝的穩定性，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重要：

l  清潔不足：殘留沉積物會形成顆粒污染，導致產品良率下降

l   過度清潔：增加NF?消耗、延長設備停機時間并縮短腔室壽命。

傳統方法依賴經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組成），且這些參數可能隨時間漂移。因此，多數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?與沉積物反應生成氣體（如SiF?）后通過泵排出。清潔過程中，SiF?分壓會經歷以下變化：

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）提出通過質譜儀實時監測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備的國產化替代需求

2025年3月5日，國務院總理在《政府工作報告》中強調“以科技創新推動關鍵核心技術自主可控"，半導體產業被列為國家戰略支柱。然而，半導體設備關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險。國產化替代不僅是技術自主的必然要求，更是保障產業鏈安全的關鍵舉措。

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 技術優勢

l  雙光束紅外（NDIR）技術：采用電調制光源和集成雙通道探測器，顯著提升抗干擾能力；

l  環境適應性：通過參考通道補償溫度、濕度及交叉氣體干擾，確保測量穩定性；

l  高精度：量程0~200 mTorr，準確度≤±1.0% F.S.，響應時間T90≤2秒。

圖3 Gasboard-2060 SiF?紅外氣體傳感器光學結構

4.2 產品性能

實驗室測試顯示，傳感器的線性準確度（圖4）、響應時間（圖4）、重復性和檢出限等均滿足CVD腔室清潔的實時監測需求。

表1 Gasboard-2060 SiF?紅外氣體傳感器的技術參數

圖4 Gasboard-2060 SiF?紅外氣體傳感器的線性檢查與響應時間檢查

4.3 應用案例

實際測試中，Gasboard-2060在重復清潔過程中表現出較高的穩定性（圖6）。客戶反饋其性能已達到或超越進口產品，成功實現清潔終點的精準控制，助力CVD設備技術升級。

圖5 CVD腔室結構及紅外傳感器測量點

圖6 CVD設備2次重復腔室清潔試驗的Gasboard-2060 SiF?實測數據曲線