等离子蚀刻微纳过程反馈控制的实时感知理论与关键技术

Nanofabrication has been widely adopted in many industries such as electronics, material, mechanical, biomedical and military because of the tremendous advancements of nanotechnology. However, the lack of real-time measurement of microscopic characteristics suitable for feedback control has severely limited the application of real-time control methods in nanofabrication, which makes it extremely difficult for the current fabrication processes to meet the ever increasingly stringent requirement of production quality. In this proposal, real-time sensing methodologies of plasma etching process are investigated to provide a valuable solution path of real-time sensing of microscopic processes suitable for the feedback control of nanofabrication process. A real-time sensing method of the material and energy flow field of the reaction plasma will be developed first for plasma etching, then the estimation method of the microscopic dynamics based real-time plasma data obtained will be established, and finally, the proposed methods will be applied in an experimental study of the real-time feedback control of the Fin etching process in 3D FinFET fabrication.

微纳制造依托纳米技术的发展广泛应用于电子、材料、机械、生物、医药、军事等等诸多领域，然而缺乏适用于实时控制的感知手段却抑制了反馈控制在该领域的应用，导致现有工艺难以支持日趋严苛的工艺指标需求。本项目旨在通过对等离子蚀刻微纳加工过程的实时感知问题的探究，提出一类适用于微纳加工过程反馈控制的实时感知方法，从而为逐步推广实时反馈控制在微纳制造中的应用奠定基础。本项目将首先研究等离子蚀刻过程中等离子体内物质能量场的实时测量方法，再探索基于等离子体物质能量场实时观测加工对象微纳过程动态的可行性方案，最后结合上述感知方法与观测方案对鳍式场效应晶体管(FinFET)工艺中关键的鳍(Fin)蚀刻工艺进行反馈控制实验验证。

微纳制造依托纳米技术的发展广泛应用于电子、材料、机械、生物、医药、军事等等诸多领域，然而缺乏适用于实时控制的感知手段却抑制了反馈控制在该领域的应用，导致现有工艺难以支持日趋严苛的工艺指标需求。本项目围绕等离子蚀刻微纳过程反馈控制的实时感知理论与关键技术主要进行了等离子体混合气组分分布实时测量、等离子蚀刻微观过程实时观测及上述技术的应用与验证等方面的研究。在等离子体混合气组分分布实时测量方面，本研究通过对等离子发射光谱信息的分析利用，形成了等离子体混合气主要组分分布实时测量方案，并搭建了原型系统。其中，本研究通过新颖的压缩感知手段首次解决了将高光谱技术应用于实时感知所面临的采样速度过低的问题，将分钟级的采样时间缩短到了秒级。此外，还提出了针对空间分辨率与光谱分辨率在不同场景下的不同需求，开发出了高空间分辨率（光谱压缩）与高光谱分辨率（空间压缩）的两套技术方案且均研制了原型机，申请及获批了国家发明专利。在等离子蚀刻微观过程实时观测方面，本研究首次建立等离子蚀刻过程的多尺度动态模型，实现同时对反应器宏观尺度动态与蚀刻微观过程动态的准确捕捉，能基于等离子体混合气与被刻蚀晶圆界面处的气相组分动态变化。利用其强耦合关系，该模型可估测出蚀刻沟槽的微观几何形态动态变化，结合等离子体混合气组分实时测量，最终实现对等离子蚀刻微观过程的实时观测。最后，结合上述技术成果，本项目研究了将高光谱实时感知技术应用于等离子蚀刻过程的实时故障监测，亦在纳米尺度硅沟槽刻蚀过程中对所提出的实时感知技术进行了初步的实验验证。