一种自校准同轴多波长紫外CF2在线测量方法

本发明属于等离子体过程在线诊断，尤其涉及一种自校准同轴多波长紫外cf2在线测量方法。

背景技术：

1、在半导体制造工艺中，氟碳等离子体广泛应用于介电材料的刻蚀过程。cf2自由基作为氟碳等离子体中重要的活性物种，其浓度直接决定刻蚀速率、选择比和刻蚀剖面的质量，对刻蚀工艺的控制具有关键意义。因此，开发能够原位、在线、精确测量cf2自由基浓度的方法对于优化半导体刻蚀工艺具有重要的工业价值。

2、现有技术中，紫外吸收光谱法因其非接触、响应快、选择性好的特点，被广泛应用于等离子体活性物种的诊断。然而，传统的紫外吸收光谱测量方法仍存在以下技术缺陷。

3、现有技术一，专利申请cn115753741a，公开日：2023年03月07日，公开了一种单标样激光诱导击穿光谱自吸收校正方法及系统，该方法通过获取标准样品的特征光谱，使用opc-libs算法计算各条谱线的校正因子或自吸收校正因子，进而校正待测样品在玻尔兹曼图上的纵轴值，最终计算待测样品实际元素含量；同时采用自吸收校正算法，可以同时使用无自吸收特征谱线和自吸收特征谱线进行定量分析，提高了定量分析精度。然而，该现有技术需要等离子体电子数密度及电子碰撞系数等参数，并需要测量并拟合h线的半宽，对于无法获得相关参数的情况存在校正不准确的缺点；此外，该技术属于激光诱导击穿光谱领域，采用脉冲激光激发方式，无法实现等离子体过程中活性物种的连续在线监测，且不涉及紫外吸收光谱的基线自校准问题。

4、现有技术二，专利申请cn116660247a，公开日：2023年08月29日，公开了一种基于同能级双重线强度自校准的等离子体自吸收校正方法、系统、设备及介质的发明专利申请，该方法选定具有相同跃迁上能级的双重线，通过计算理论强度比值和自吸收系数比值，进而校正谱线强度、消除自吸收效应，具有计算简单、计算效率高、分析偏差小的特点。然而，该现有技术同样属于激光诱导击穿光谱领域，依赖于等离子体发射光谱中的同能级双重线结构，无法应用于紫外吸收光谱的测量场景；该方法不涉及多波长光源的编码复用技术，也未解决紫外吸收光谱中基线漂移、窗口污染、led强度波动等工程实际问题，因此不能直接应用于cf2自由基的在线紫外吸收光谱测量。

5、上述两项背景技术均属于激光诱导击穿光谱分析领域，其技术原理依赖于高能脉冲激光对样品的激发和等离子体发射光谱的采集，与本发明所属的紫外吸收光谱领域存在本质区别。具体而言，现有技术存在以下共性不足：其一，现有技术无法解决紫外吸收光谱测量中基线随波长非线性漂移的问题，基线的不稳定性直接影响吸光度计算的准确性；其二，现有技术未涉及多波长光源的时分复用与编码调制技术，无法实现多波长通道的同步测量与串扰抑制；其三，现有技术缺乏对光源强度波动、温度漂移和窗口污染的实时监测与自校正能力，长期运行的稳定性不足；其四，现有技术采用脉冲式测量模式，时间分辨率有限，无法满足等离子体刻蚀过程中cf2自由基浓度快速变化的在线监测需求。

6、因此，亟需一种能够克服上述缺陷的cf2自由基在线测量方法，实现多波长紫外吸收光谱的编码复用、波长相关基线自校准、以及光源强度波动的实时补偿，从而提高等离子体过程中cf2自由基浓度测量的准确性、稳定性和时间分辨率。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中紫外吸收光谱测量基线漂移、多波长通道串扰、光源强度波动、窗口污染和温度漂移导致cf2自由基浓度测量准确性下降的技术问题，特别创新地提出了一种自校准同轴多波长紫外cf2在线测量方法。

2、为了实现本发明的上述目的，本发明提供一种自校准同轴多波长紫外cf2在线测量方法，包括以下步骤：

3、s1，配置测量及参考led并编码调制，插入全灭采样槽估计背景，改进解码分离各路信号；

4、s2，建立温度电流波长映射模型，校正led波长与强度，消除温度漂移和电流波动影响；

5、s3，led合束准直形成同轴光束穿过反应腔窗口，源侧监测入射强度并计算各路透射率；

6、s4，利用双侧参考led透射率结合基线模型重建基线，校正测量led透射率并计算实验吸光度；

7、s5，利用参考led透射率趋势和基线系数变化评估窗口污染，综合指标超阈值时触发污染预警；

8、s6，将实验吸光度与理论模型拟合，联合反演cf2浓度及光谱参数，采用非线性优化算法迭代求解；

9、s7，通过拟合优度、信噪比、基线稳定性和污染状态评估测量有效性，指标超阈值时输出浓度否则标记无效。

10、上述技术方案优选的，所述s1中编码调制采用hadamard-like二元编码序列，各路led在测量帧内按照互相关性低于预设阈值的编码序列快速开关，插入全灭采样槽估计等离子体自发光背景，并通过改进的相关解码算法分离各路led信号。

11、上述技术方案优选的，所述s2中建立温度电流波长映射模型包括：根据led实时工作温度与参考工作温度的偏差以及实时驱动电流与参考驱动电流的偏差，对led峰值波长和辐射强度进行实时校正，消除温度漂移和电流波动对光谱测量的影响。

12、上述技术方案优选的，所述s3中led合束准直采用二向色镜级联或光纤合束器实现，所述源侧监测支路通过分束镜将部分光束引导至源侧监测探测器，所述透射率根据透射侧解码强度与校正后的入射强度估计值的比值计算。

13、上述技术方案优选的，所述s4中基线模型采用包含零阶、一阶和二阶波长依赖项的对数透射率模型，利用短波参考led和长波参考led的透射率测量值，结合二阶系数正则化约束，求解基线模型系数，进而重建各测量led波长处的基线对数透射率。

14、上述技术方案优选的，所述s5中评估窗口污染包括：根据双侧参考led透射率的几何平均值与清洁状态下公共光路基准透过率的比值计算污染指数，根据基线模型系数计算线性度偏差，将污染指数与线性度偏差加权综合得到窗口污染综合评估指标，并与预设阈值比较以触发预警。

15、上述技术方案优选的，所述s6中联合反演包括：将实验吸光度与包含cf~2~吸收贡献、干扰物种吸收贡献和残余基线函数的理论吸光度模型进行拟合，采用非线性优化算法迭代求解cf2浓度、波长偏移量、仪器展宽和基线参数。

16、上述技术方案优选的，所述干扰物种包括cf、c2f4和sif4中的一种或多种，所述残余基线函数采用低阶多项式或三次样条函数，所述理论吸光度模型中cf2吸收截面与仪器线型函数进行卷积以反映仪器展宽效应。

17、上述技术方案优选的，所述s7中评估测量有效性包括：根据理论模型与实验数据的拟合程度确定拟合优度因子，根据测量信噪比与信噪比阈值的比值确定信噪比因子，根据基线模型一阶系数确定基线稳定性因子，根据窗口污染综合评估指标确定污染状态因子，将上述四个因子相乘得到测量有效性综合指标，并与有效性阈值比较以判定测量是否有效。

18、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

19、第一，采用编码复用技术实现多波长led的同步调制与解码，各路led在测量帧内按照互相关性较低的编码序列快速开关，有效抑制通道间串扰，提高信噪比和时间分辨率。改进的相关解码算法结合全灭采样槽的背景估计，能够准确分离各路led信号并扣除等离子体自发光背景，显著提高测量精度。

20、第二，建立led温度-电流-波长映射校正模型，实时校正led的峰值波长和辐射强度，消除了温度漂移和电流波动对光谱测量的影响，保证长期运行过程中的波长赋值准确性和强度归一化可靠性。

21、第三，利用短波参考led和长波参考led构建双侧参考基线校正体系，通过波长相关基线自适应重建模型，实现了基线零阶、一阶和二阶波长依赖项的实时估计与校正，有效解决窗口污染和光路损耗导致的基线漂移问题。

22、第四，设计窗口污染程度评估与预警公式，通过污染指数和基线线性度偏差的综合评估，实现了对光学窗口污染状态的定量监测和及时预警，保障长期连续测量的可靠性。

23、第五，采用联合反演策略，同步优化cf2浓度、波长偏移、仪器展宽和基线参数，并引入测量有效性综合评估机制，通过拟合优度、信噪比、基线稳定性和污染状态四个维度的综合评价，确保每一次测量输出的可靠性。

24、第六，装置可在连续等离子体条件下工作，不要求周期性关闭等离子体，适合工艺趋势监测、异常预警和闭环控制。

25、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。