量子級(jí)聯(lián)激光器（Quantum Cascade Laser，簡(jiǎn)稱QCL）自1994年被發(fā)明以來，已經(jīng)歷了28年的發(fā)展歷程，因其極好的穩(wěn)定性、單色性、窄線寬、高輸出功率、波長覆蓋范圍寬等特點(diǎn)成為了中紅外領(lǐng)域的潛力光源，被廣泛應(yīng)用。

本文將以案例的形式帶大家梳理QCL在半導(dǎo)體領(lǐng)域中的眾多用途，主要包含等離子體刻蝕工藝CF2自由基濃度監(jiān)測(cè)、等離子體刻蝕工藝前體氣體NF3和蝕刻產(chǎn)物SiF4濃度在線原位測(cè)量、QCL激光器等離子體診斷等。

案例一

案例名稱：等離子體刻蝕工藝CF2自由基濃度監(jiān)測(cè)

背景介紹：隨著電感耦合等離子體刻蝕工藝的復(fù)雜度越來越高，面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是如何將等離子體側(cè)壁損傷降至很低，這一過程優(yōu)化的關(guān)鍵是需要精確了解CF2自由基的濃度。

案例分享：德國萊布尼茨低溫等離子體研究所（INP）科研人員利用CW DFB-QCL（工作波長1106.2 cm-1）對(duì)CF2自由基濃度進(jìn)行了原位測(cè)量，如圖所示。

實(shí)驗(yàn)室采用英國牛津儀器的等離子刻蝕與沉積設(shè)備Plasmalab System 100 ICP，通入反應(yīng)氣體使用電感耦合等離子體輝光放電將其分解，產(chǎn)生的具有強(qiáng)化學(xué)活性的等離子體在電場(chǎng)加速作用下移動(dòng)到樣品表面，對(duì)樣品表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成揮發(fā)性氣體并產(chǎn)生物理刻蝕作用。由于等離子體源與射頻加速源分離，等離子體密度可以更高，加速能力也更強(qiáng)，從而獲得更高的刻蝕速率以及更好的各向異性刻蝕。該設(shè)備主要用于刻蝕Si基材料，Si，SiO2等，刻蝕氣體一般采用BCI3、HBr、SF6、CF4等。

研究人員發(fā)現(xiàn)在蝕刻等離子體過程中，CF2自由基濃度與蝕刻晶圓的層結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，因此這種相關(guān)性可以作為介質(zhì)刻蝕等離子體過程的診斷工具。基于QCL的吸收光譜技術(shù)的應(yīng)用為半導(dǎo)體制造業(yè)的先進(jìn)過程監(jiān)控和蝕刻控制開辟了新的路徑。

參考文獻(xiàn)：

Quantum cascade laser based monitoring of CF2 radical concentration as a diagnostic tool of dielectric etching plasma processes

案例二

案例名稱：等離子體刻蝕工藝前體氣體NF3和蝕刻產(chǎn)物SiF4濃度在線原位測(cè)量

背景介紹：高純NF3具有非常優(yōu)異的蝕刻速率和選擇性（對(duì)氧化硅和硅），在被蝕刻物表面不留任何殘留物，同時(shí)是非常良好的清洗劑，NF3主要用于化學(xué)氣相淀積（CVD）裝置清洗。此外NF3可以單獨(dú)或與其它氣體組合，用作等離子體工藝的蝕刻氣體，例如NF3、NF3/Ar、NF3/He用于硅化合物MoSi2的蝕刻。在刻Si的過程中，一般使用氟基氣體，當(dāng)CF4與硅界面接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成SiF4和CO2，兩者都是以氣體形態(tài)存在。

實(shí)驗(yàn)采用了磁增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕 MERIE設(shè)備（在傳統(tǒng)的反應(yīng)離子刻蝕RIE方法中增加與射頻電場(chǎng)垂直的直流磁場(chǎng)來提升等離子體濃度和刻蝕速率），基于QCL激光器（1027-1032 cm-1、脈寬12 ns、重頻500 kHz）組成的Q-MACS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過分束鏡一路引到MERIE設(shè)備的側(cè)面通道監(jiān)測(cè)等離子體濃度，另一路引到MERIE設(shè)備的頂部通道監(jiān)測(cè)刻蝕速率，計(jì)算出NF3和SiF4的吸收截面。

參考文獻(xiàn)：

In Situ Monitoring of Silicon Plasma Etching Using a Quantum Cascade Laser Arrangement

案例三

案例名稱：QCL激光器等離子體診斷應(yīng)用

背景介紹：QCL自發(fā)明以來廣泛用于高靈敏度痕量氣體傳感儀，然而等離子體診斷的特殊應(yīng)用直到近幾年才開始被認(rèn)可。下表是相關(guān)文獻(xiàn)中報(bào)道的關(guān)于非熱等離子體環(huán)境的應(yīng)用，包括大氣等離子體和低壓等離子體，主要關(guān)注時(shí)間分辨測(cè)量和動(dòng)力學(xué)研究。通過結(jié)合不同的光譜技術(shù)可以提高靈敏度，比如直接吸收光譜DAS、波長或頻率調(diào)制技術(shù)等。Res.=research environment；Ind.=industrial application；VHF=very high frequency

除了上述提到的半導(dǎo)體應(yīng)用外，QCL在工業(yè)及安防領(lǐng)域的應(yīng)用還有如下方面：   

1、中紅外自由空間光通信 （4.5~5.2 μm和8~12 μm波段） ?

2、食品包裝泄露檢測(cè)：（氣霧罐、酒類包裝容器、果蔬氣調(diào)包裝MAP等） 

3、火電廠氨逃逸在線監(jiān)測(cè)?

4、電力行業(yè)絕緣開關(guān)設(shè)備GIS中SF6痕量氣體檢測(cè) ?

5、天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)、煤礦易燃易爆氣體監(jiān)測(cè)（CO/CH4等） ?

6、石油化工催化裂化過程痕量氣體監(jiān)測(cè)（CO2/CO等） ?

7、激光定向紅外對(duì)抗 ?

8、生物/化學(xué)戰(zhàn)劑激光遙測(cè)、遠(yuǎn)距離爆炸探測(cè)、毒氣偵測(cè)、集裝箱危化氣體檢測(cè) ?

9、太赫茲安檢

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