撰稿|由课题组供稿
工艺过程的控制和监测（Process control and monitoring，PCM）对半导体产品的质量把控和产量提升具有重要意义。近日，清华大学尤政院士团队将电磁超构表面引入PCM领域，通过理论分析和实验验证，展现了通过亚波长超构表面单元的电磁响应一次性测量微纳加工过程中多个工艺参数的能力。目前绝大多数太赫兹、红外和可见光波段的超构表面器件都是通过半导体工艺进行制备，本项研究工作基于超构表面近场束缚和谐振增强效应，实现了突破探测光衍射极限的几何尺寸测量能力，为提升半导体工艺能力提供了一种原位监测的新技术范式，助力半导体微纳加工产业开启良性循环。
图1 用于半导体工艺过程控制和监测的超构表面示意图
目前，工艺控制和监测在半导体集成电路领域已经相对成熟，但在许多新兴应用场景中仍有许多不足。等离子体深反应离子刻蚀（DIRE）在加工高深宽比结构中发挥着不可或缺的作用，广泛用于微机电系统（MEMS）、三维集成电路、微流体和光电子等等器件的制备中。该类工艺由于高成本和不可逆的特点而迫切需要高效的工艺监控方法，同时作为一个时变和非线性的工艺步骤，各项工艺参数和所得结构参数之间存在着复杂的交叉关系，给工艺过程的统计建模分析带来了严峻的挑战。通过反射各向异性光谱法、光学发射光谱法、气体质谱法等进行直接的刻蚀终点检测已经得到重视和应用，但这些方法往往只局限于刻蚀深度这个单一变量的监测分析。
针对典型的高深宽比深硅刻蚀MEMS工艺，清华大学研究团队提出了一个由四种全硅超构表面组成的太赫兹条形码作为刻蚀过程的工艺监控结构。基于超构表面的近场束缚和谐振增强效应，该条形码中编码了刻蚀过程的关键信息，这些信息可以通过太赫兹反射光谱进行提取。通过单次扫描该条形码所包含超构表面的太赫兹反射响应，可以一次性解算出关于刻蚀过程的三个重要监测变量——晶圆的载流子浓度(Nd)、刻蚀结构的深度(H)和线宽误差(Δ)。
图2 通过全硅太赫兹超构表面进行多参数工艺监测示意图
深硅刻蚀工艺监控条形码由四个全硅太赫兹超构表面（MS 1~MS 4，结构周期P=140 μm）组成，图3展示了其结构示意图和监测变量预定取值（N型硅Nd=2.5×1018，H=75 μm，Δ=0）下的反射幅值频谱。
图3 (a)超构表面MS 1示意图。(b)超构表面MS 1~MS 4对应的单元结构示意图。(c)MS 1~MS 4的太赫兹反射幅值频谱图。
由于掺杂硅中载流子浓度相对较高，当太赫兹波入射并进入材料内部后很快就衰减或反射，从而将电磁场基本束缚在高深宽比的刻蚀槽中；因此硅的载流子浓度决定了场束缚和场增强的程度，刻蚀槽的几何形状和尺寸决定了场的空间分布。图4展示了四个超构表面谐振状态下的电场强度分布。
图4 (a)~(d)超构表面MS 1~MS 4在其各自谐振频率点的场强分布示意图。
在监测变量预定取值的基础上只改变其中一个变量的值，四个超构表面呈现出明显且各异的反射幅值频谱的变化，通过对各类误差进行仿真，构建太赫兹反射谱仿真数据库（如图5所示）。
图5 监测变量预定取值下(a)~(c) MS 1和(d)~(f) MS 4的太赫兹反射幅值频谱随单个变量取值的变化。
之后，将所设计的工艺监控条形码版图放置于目标结构版图旁边进行微纳加工，通过多参数估计算法将加工得到的MS 1~MS 4的太赫兹反射频谱与仿真数据库的结果进行匹配，就可以一次性解算出本次深硅刻蚀工艺中的监测变量取值。图6展示了微加工结果、太赫兹反射频谱测试结果和监测变量估计结果；从多组实验结果中可以看到，当工艺监控条形码中包括了全部四个超构表面时，载流子浓度Nd的估计误差＜0.6×1018cm-3，刻蚀深度H的估计误差<0.9 μm，线宽误差Δ的估计误差<0.4 μm。
图6 (a)(b)工艺监控条形码的宏观和微观实物图。(c)其中一组MS 1~MS 4的太赫兹反射响应及多参数估计算法匹配得到的最接近的仿真结果。(d)其中两组实验的监测变量估计结果。
该论文以“Terahertz Barcodes Enabled by All-Silicon Metasurfaces for Process Control and Monitoring Applications”为题发表在Advanced Materials Technologies上，并作为该期封底文章。此项目受到国家重点研发计划青年科学家项目（2021YFB2011800）支持。清华大学精密仪器系博士生张凌云为论文第一作者，清华大学精密仪器系尤政教授和赵晓光副教授为论文共同通讯作者。南京大学电子科学与工程学院博士生马浩，以及范克彬教授和金飙兵教授，还有清华大学精密仪器系博士生孙振词和王子伦，以及北京信息科技大学尤睿教授均对论文做出重要贡献。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202201631
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