半导体行业薄膜沉积设备腔室清洁终点检测解决方案

1. 腔室清洁终点精确控制的重要性与挑战

薄膜沉积（如CVD/ALD）、光刻和刻蚀是半导体制造的三大核心工艺，其中薄膜沉积作为基础环节，负责金属、介质及半导体薄膜的制备。为确保薄膜沉积工艺的稳定性，需定期使用NF₃对腔室进行清洁，以去除积聚的聚合物材料。

精确控制清洁终点至关重要：

• 清洁不足：残留沉积物会形成颗粒污染，导致产品良率下降

• 过度清洁：增加NF₃消耗、延长设备停机时间并缩短腔室寿命。

传统方法依赖经验时间控制清洁终点，但最佳清洁时间受多变量影响（如沉积厚度、温度、压力、气体流量及材料化学组成），且这些参数可能随时间漂移。因此，多数工艺会延长清洁时间以确保清洁，但这也造成了资源浪费。

2. 腔室清洁终点副产物气体检测方法的基本理论

腔室清洁的原理是NF₃与沉积物反应生成气体（如SiF₄）后通过泵排出。清洁过程中，SiF₄分压会经历以下变化：

• 初始阶段：SiF₄分压急剧上升；

• 清洁完成：分压回落至基线水平。

Johnson等（2004）提出通过质谱仪实时监测SiF₄分压来确定清洁终点。由于气体排出存在滞后，终点定义为SiF₄浓度曲线后沿渐近线与基线水平线的交点（图1）。近年来，红外气体传感器因其实时性和可靠性，已成为主流检测手段。

图1 用于确定清洁终点时间的SiF₄浓度曲线（Johnson et al. 2004）

3. 腔室清洁终点检测设备的国产化替代需求

2025年3月5日，国务院总理在《政府工作报告》中强调“以科技创新推动关键核心技术自主可控"，半导体产业被列为国家战略支柱。然而，半导体设备关键部件长期依赖欧美日厂商，红外气体传感器等核心零部件面临断供风险。国产化替代不仅是技术自主的必然要求，更是保障产业链安全的关键举措。

4. 解决方案

四方仪器作为红外气体传感器制造商，针对薄膜沉积设备清洁终点检测需求，推出Gasboard-2060 SiF₄红外气体传感器。

图2 Gasboard-2060 SiF₄红外气体传感器

4.1 技术优势

• 双光束红外（NDIR）技术：采用电调制光源和集成双通道探测器，显著提升抗干扰能力；

• 环境适应性：通过参考通道补偿温度、湿度及交叉气体干扰，确保测量稳定性；

• 高精度：量程0~200 mTorr，准确度≤±1.0% F.S.，响应时间T90≤2秒。

图3 Gasboard-2060 SiF₄红外气体传感器光学结构

4.2 产品性能

实验室测试显示，传感器的线性准确度（图4）、响应时间（图4）、重复性和检出限等均满足CVD腔室清洁的实时监测需求。

 表1 Gasboard-2060 SiF₄红外气体传感器的技术参数

图4 Gasboard-2060 SiF₄红外气体传感器的线性检查与响应时间检查

4.3 应用案例

实际测试中，Gasboard-2060在重复清洁过程中表现出较高的稳定性（图6）。客户反馈其性能已达到或超越进口产品，成功实现清洁终点的精准控制，助力CVD设备技术升级。

图5 CVD腔室结构及红外传感器测量点

图6 CVD设备2次重复腔室清洁试验的Gasboard-2060 SiF₄实测数据曲线