用于清洁终点检测装置的光学镜片、制备方法及检测装置与流程

本发明涉及半导体检测，具体涉及一种用于清洁终点检测装置的光学镜片、制备方法及检测装置。

背景技术：

1、在半导体制造工艺中，刻蚀、沉积等核心工序后，工艺腔室内会残留副产物和颗粒污染物，需要通过清洗工序去除，以确保后续工艺的良率和一致性。清洗工序通常使用高纯度的清洁工艺气体，例如，三氟化氮（nf3）、四氟化碳（cf4）、氯气（cl2）、氯化氢（hcl）等。清洁工艺气体在等离子体条件下活化为活性自由基，与原位清洗（in-situ cleaning）方式相结合，去除腔室内壁及电极表面的残留物。这些清洁工艺气体的浓度和流量稳定性直接影响清洗速率、清洗均匀性、副产物排放量以及工艺腔室的洁净度恢复效果。因此，对清洁工艺气体浓度的实时、准确、在线监测是半导体制造过程中不可或缺的环节。

2、非色散红外（non-dispersive infrared，ndir）气体检测技术因其响应速度快、非接触、无耗材、可在线连续监测等优点，已被广泛应用于半导体清洁终点的气体浓度检测中。然而，此类半导体气体具有极强的腐蚀性、氧化性或反应活性。例如，氯气和氯化氢在微量水汽存在下会形成盐酸雾，三氟化氮和四氟化碳在等离子体环境下会分解产生氟自由基，氨气呈强碱性且易与金属表面反应。

3、在长期在线监测过程中，非色散红外清洁终点检测装置中的光学镜片会持续暴露于上述腐蚀性气氛中，从而存在以下几个方面的问题：

4、第一方面，传统光学镜片材料自身耐腐蚀性不足，表面发生化学侵蚀，光学性能急剧退化。目前应用于非色散红外清洁终点检测装置的光学镜片，多采用氟化钡（baf2）、氟化钙（caf2）等单晶材料。这类材料虽然具有较宽的红外透射窗口，但其表面化学稳定性较差。在长期接触半导体工艺气体中的水汽、氯基或氟基腐蚀性组分时，镜片表面会发生化学侵蚀。例如，氟化钡对水分的抵抗力较低，在含水汽的酸性气氛中表面会形成厚的腐蚀层，导致原始光学抛光面被破坏，表面散射损耗急剧增加，透射率大幅下降，甚至出现表面“雾化”现象。同时，表面腐蚀会改变光学镜片的微观曲率，引起焦距漂移和光斑弥散。这些变化直接造成探测器接收信号衰减且波动增大，气体浓度测量值发生不可预测的漂移，难以满足半导体工艺对长期在线监测精度的要求。

5、第二方面，为提升耐腐蚀性而镀制的保护膜层存在附着力差、易剥落的问题，剥落物成为颗粒污染源。为了改善单晶镜片的耐腐蚀性，相关技术尝试在光学镜片的表面镀制增透膜或保护膜，如类金刚石膜、氧化铝膜等。然而，由于氟化物基底与氧化物（或碳化物膜层）之间的晶格失配和热膨胀系数差异，膜层与基底的界面结合强度有限。在腐蚀性气体长期侵蚀和工艺温度循环作用下，例如，工艺温度从室温到150℃的周期性变化，界面附着力快速劣化，导致膜层局部开裂甚至大面积剥离。剥落的膜层碎片进入工艺气体管路或反应腔室，成为颗粒污染源。在如5nm、3nm及以下节点的先进制程中，任何微量的颗粒都可能导致芯片短路或断路，造成晶圆报废。镀膜镜片的这一缺陷与半导体制造对颗粒控制的极高要求严重冲突。

6、第三方面，光学镜片性能劣化后的检测漂移导致误判，更换流程极为复杂，频繁更换影响工艺进程。清洁终点检测装置输出信号发生漂移，导致对工艺气体浓度的测量产生误差。当漂移超出工艺允许的容差范围（±1%~±2%）时，必须停止在线监测；当光学镜片的聚焦性能或透射性能劣化至无法满足检测要求时，必须进行更换。然而，由于清洁终点检测装置与半导体工艺气体管路直接集成，且光学镜片作为气体腔室密封结构的一部分，其更换流程远非简单的镜片替换，而是包含以下必须连续完成的复杂步骤：

7、首先，需要拆机。将清洁终点检测装置从工艺气体管路上拆卸下来，通常涉及切断气体供应、排空管路、拆卸法兰或真空径向耦合密封（vacuum coupling radius，vcr）接头等操作。由于半导体工艺气体多为剧毒、易燃或腐蚀性气体，拆机前必须执行严格的安全吹扫和钝化程序，耗时约1小时到2小时。

8、其次，拆机后的清洁终点检测装置需要验证气密性。将光学镜片更换后，必须对清洁终点检测装置的整体气密性进行重新验证，通常采用氦质谱检漏或压力衰减法，确保在工艺要求的真空或正压条件下无任何泄漏。一旦泄漏超标，需重复拆装和密封操作，此过程耗时3小时到5小时。

9、再次，更换光学镜片后的清洁终点装置需要重新装机。将气密性验证合格后的清洁终点检测装置重新安装回工艺气体管路，进行气体吹扫、压力测试和安全连锁检查，耗时约2小时到4小时。

10、然后，必须在大机台上验证基线参数。由于半导体工艺对气体浓度的控制要求极其严格，通常浓度误差需控制在±1%以内，更换光学镜片后的清洁终点装置不能直接投入使用，而必须安装在所属的主工艺设备上，如需要安装在刻蚀机、沉积炉等，在实际工艺条件（特定的温度、压力、带流量的背景气体）下重新测定基线吸收值。此步骤需要工艺工程师介入，通常需要安排设备停机窗口，耗时约2小时到4小时。

11、最后，还需重新标定基线。基线与更换前的参数往往存在偏差，必须使用已知浓度的标准气体对清洁终点检测装置进行多点校准，建立新的浓度-信号对应曲线。校准过程通常需要至少3个浓度点的标准气体，每个浓度点稳定时间约30分钟，加上数据处理和曲线拟合，总计约耗时2小时到3小时。

12、上述完整流程导致工艺中断时间较长，对于以7天为一个生产周期，实现24小时不间断连续运行的半导体产线，这种非计划性停机不仅直接损失产能，还可能导致批次晶圆报废、工艺腔室重新验证等连锁反应。因此，光学镜片的频繁更换已成为半导体制造中在线气体监测环节的最主要瓶颈之一。

13、第四方面，相关技术缺乏能够同时解决氟化物基底表面化学腐蚀、曲面透镜全镜面透射不均匀、膜层与基底附着力差易剥落、多层膜内部应力累积导致热循环开裂以及环境温度变化引起焦距漂移等问题的综合解决方案。相关技术方案通常侧重于某一方面的改进，例如，采用氟化钡、氟化钙等单晶材料虽透光性好，但表面化学稳定性差，易被腐蚀导致聚焦性能退化；在光学镜片表面镀制保护膜，虽然能够缓解腐蚀，但是附着力差、易剥落，剥落物会成为颗粒污染源；采用均匀多层膜虽然可以提高光学效率，但是难以解决曲面透镜宽角度入射下的透射不均匀问题，且多层膜内部应力累积易导致热循环开裂；此外，环境温度变化还会引起焦距漂移，影响测量精度。

14、综上所述，光学镜片在半导体工艺气体腐蚀性环境下存在的表面化学侵蚀、全镜面透射不均匀、膜层剥落、应力开裂、热致光学参数漂移，以及由此引发的复杂更换流程和长时间工艺中断等问题，已成为制约半导体制造中在线气体监测可靠性和效率的瓶颈。

技术实现思路

1、本发明提供了一种用于清洁终点检测装置的光学镜片、制备方法及检测装置，以解决光学镜片在半导体工艺气体腐蚀性环境下存在的表面化学侵蚀、全镜面透射不均匀、膜层剥落、应力开裂、热致光学参数漂移，以及由此引发的复杂更换流程和长时间工艺中断的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种用于清洁终点检测装置的光学镜片，包括：透明基层，为双凸曲面结构；第一离子注入改性层，通过离子注入工艺形成于透明基层接触半导体工艺气体的工作表面上，第一离子注入改性层的折射率在轴向方向上从第一折射率渐变至第二折射率，轴向方向为第一离子注入改性层从靠近透明基层到远离透明基层的深度方向，第一折射率为透明基层的折射率，第二折射率为与补偿层相匹配的折射率；补偿层，设置在第一离子注入改性层上，包括堆叠设置的多个第一周期性膜层，第一周期性膜层由第一材料层和第二材料层交替沉积得到，第一材料层的折射率大于第二材料层的折射率，多个第一周期性膜层的厚度沿轴向方向递增，第一周期性膜层的厚度沿透明基层的径向方向从中心区域到边缘区域递减；多个第二离子注入改性层，通过离子注入工艺形成于补偿层中，且与通过仿真确定的补偿层中多个应力峰值所在位置一一对应；热致动调节层，也设置在补偿层中，热致动调节层在补偿层中的深度与第二离子注入改性层所在深度不同，且在轴向方向上错开至少一个第一周期性膜层对应的深度；热致动调节层包括堆叠设置的多个第二周期性膜层，第二周期性膜层由第三材料层和第四材料层交替沉积得到，第三材料层的热膨胀系数大于第四材料层的热膨胀系数。

3、在一种可选的实施方式中，第一离子注入改性层为氧离子注入改性层，氧离子注入工艺的注入能量为40kev至60kev，注入剂量为6×1015cm-2至8×1015cm-2，注入角度为20°至25°，第一离子注入改性层的厚度为80nm至120nm。

4、在一种可选的实施方式中，第一材料层的材料为碲化铅或锗，第二材料层的材料为硫化锌或硅，第一周期性膜层的数量为30层至100层。

5、在一种可选的实施方式中，透明基层的材料为单晶氟化钡或单晶氟化钙。

6、在一种可选的实施方式中，相邻两个第一周期性膜层的厚度变化率为0.6%至1.2%，和/或，第一周期性膜层在边缘区域的厚度比中心区域的厚度薄10%至12%。

7、在一种可选的实施方式中，第一周期性膜层中的第一材料层和第二材料层的厚度比值沿轴向方向递增，且第一膜层对应的厚度比值与第二膜层对应的厚度比值相差50%以上，第一膜层为多个第一周期性膜层中离第一离子注入改性层最近的第一周期性膜层，第二膜层为多个第一周期性膜层中离第一离子注入改性层最远的第一周期性膜层。

8、在一种可选的实施方式中，厚度比值沿轴向方向呈二次曲线变化，第一膜层对应的厚度比值范围为1:3至1:2，第二膜层对应的厚度比值范围为2:1至3:1。

9、在一种可选的实施方式中，第三材料层的热膨胀系数为第四材料层的热膨胀系数的10倍以上，第二周期性膜层的数量为3层至10层。

10、在一种可选的实施方式中，第三材料层的热膨胀系数为15×10-6/℃至30×10-6/℃，第四材料层的热膨胀系数小于或等于3×10-6/℃。

11、在一种可选的实施方式中，第三材料层为非晶态高熵合金层或硫系玻璃层，非晶态高熵合金层由铝、铬、铁、钛、钼和硅中的至少5种元素组成；第四材料层为二氧化硅层、氧化钇层或氮化硅层。

12、在一种可选的实施方式中，第二离子注入改性层为氙离子注入改性层，氙离子注入工艺的注入能量为20kev至40kev，注入剂量为8×1012cm-2至1×1013cm-2。

13、在一种可选的实施方式中，应力峰值位于总层数的1/3±1层、总层数的1/2±1层或总层数的2/3±1层，其中，总层数为补偿层中第一材料层和第二材料层的总和。

14、在一种可选的实施方式中，透明基层的工作表面的表面粗糙度的均方根值小于或等于0.2nm。

15、第二方面，本发明提供了一种用于清洁终点检测装置的光学镜片的制备方法，光学镜片为上述第一方面或其对应的任一实施方式的用于清洁终点检测装置的光学镜片，补偿层中第一周期性膜层的数量为n，n为整数，且15≤n≤50，补偿层中应力峰值的数量为m，m为整数，且1≤m≤3，热致动调节层位于补偿层的第三膜层，第三膜层为多个第一周期性膜层中的其中一个，第三膜层根据应力峰值确定，光学镜片的制备方法包括：提供透明基层，透明基层为双凸曲面结构；对透明基层接触半导体工艺气体的工作表面进行离子注入，在工作表面形成第一离子注入改性层；交替沉积形成第i段的第一周期性膜层；在达到第j个应力峰值后，暂停沉积并转移至离子注入腔室，对第i段的第一周期性膜层暴露的界面进行离子注入，形成第二离子注入改性层；其中，i和j为整数，1≤i≤m+2，0≤j≤m，i=j+1，当j=0时，i=1，在第一离子注入改性层上交替沉积形成第i段的第一周期性膜层；当0＜j＜m时，在第二离子注入改性层上交替沉积形成第i段的第一周期性膜层；当j=m时，i=m+1，在第m个第二离子注入改性层上交替沉积形成第m+1段的第一周期性膜层，得到第三膜层；在第三膜层暴露的界面上交替沉积形成热致动调节层；在完成热致动调节层的沉积后，i=m+2，在热致动调节层暴露的界面上交替沉积形成第m+2段的第一周期性膜层，得到由n个第一周期性膜层组成的补偿层；在真空环境下进行退火处理，制备得到光学镜片。

16、在一种可选的实施方式中，第二离子注入改性层为氙离子注入改性层，氙离子的注入剂量比原始离子注入剂量低2个数量级到3个数量级，原始离子注入剂量为1×1014cm-2至1×1016cm-2。

17、在一种可选的实施方式中，在沉积第一周期性膜层时，通过可移动掩膜板调节沉积通量的径向分布，使第一周期性膜层在边缘区域的厚度比中心区域的厚度薄10%至12%。

18、在一种可选的实施方式中，沉积腔室和离子注入腔室为原位集成的多腔室设备，透明基层在沉积腔室和离子注入腔室间的转移均处于真空环境。

19、第三方面，本发明提供了一种清洁终点检测装置，包括：光源模块；气体腔室，用于通过半导体工艺气体；探测模块；光学镜片，光学镜片为上述第一方面或其对应的任一实施方式的用于清洁终点检测装置的光学镜片，设置于光源模块与探测模块之间的光路上，光学镜片镀有补偿层的表面朝向气体腔室，光学镜片未镀补偿层的表面朝向光源模块或探测模块；温度传感器，设置于气体腔室内，用于检测环境温度；调节模块，与温度传感器电连接，用于接收环境温度并输出控制指令，控制指令用于控制加热元件对光学镜片中的热致动调节层进行加热，以调节热致动调节层产生的界面剪切应力。

20、在一种可选的实施方式中，光学镜片的工作波长范围为2μm至20μm。

21、在一种可选的实施方式中，补偿层的布拉格反射中心波长与半导体工艺气体的特征吸收峰相同。

22、本发明提供的用于清洁终点检测装置的光学镜片、制备方法及检测装置，至少具有如下优点：

23、本发明提供的光学镜片，通过离子注入工艺在透明基层的工作表面形成无界面且折射率渐变的过渡层（即第一离子注入改性层），消除了传统沉积过渡层固有的界面应力突变和腐蚀渗透通道，化学键合与机械互锁双重作用使膜层附着力优异。膜层附着力提高，热循环开裂风险降低，有效减少了因膜层碎片脱落导致的颗粒污染源，满足半导体制造对颗粒物浓度的严格管控要求，降低颗粒引起的晶圆缺陷和良率损失风险。

24、通过控制第一周期性膜层的厚度在径向方向上从中心到边缘递减，精确补偿曲面透镜边缘光线斜穿导致的额外光程，使全口径透射率分布趋于一致，聚焦光斑全场均匀，可以避免曲面透镜不同区域入射角差异导致的光斑“中心亮、边缘暗”问题，能够有效补偿曲面不同区域的光程差异，用于提供光学镜片整个透光区域的均匀性，从而提高探测器信号一致性。

25、通过控制第一周期性膜层的厚度在轴向方向上的相邻周期厚度呈递增变化，拓宽了多层膜的透射带宽，使镜片对波长漂移不敏感。使镜片在宽波长范围内保持高透射率，对光源老化、温度波动、气体吸收峰微小偏移不敏感，从而降低基线校准频率。

26、通过以上径向方向和轴向方向上变化的协同作用，在非垂直入射条件下，使镜片在宽波长范围内保持均匀且稳定的透射聚焦响应，避免了环境温度变化引起的光源波长漂移和气体吸收峰偏移的问题，减少了因温度波动或光源老化导致的频繁校准需求，提升了检测系统的长期可靠性。

27、通过有限元分析预先确定应力峰值深度，并在应力峰值所在位置设置第二离子注入改性层，可以释放补偿层累积的应力，避免应力累积导致的热循环开裂问题，增强补偿层热循环抗开裂能力。

28、通过在补偿层中嵌入热致动调节层，将传统视为有害的热膨胀系数差异转化为有益驱动力，环境温度变化时，热膨胀系数存在差异的第三材料层和第四材料层产生界面剪切应力，自动调节等效光学厚度以补偿光学参数漂移，避免了环境温度变化引起光学参数漂移的问题。

29、而且，温漂补偿由位于补偿层内的热致动调节层自主完成，完全被动响应，无需外部传感器、控制器或执行器，降低了清洁终点检测装置的复杂度和故障率。

30、将单晶氟化钡或单晶氟化钙基底作为透明基层，并设置第一离子注入改性层，可以克服附着力差和不耐腐蚀的缺陷，并且保留在2μm至20μm中红外波段的具有高透射率（如大于90%）的优点。

31、在进行氧离子注入时，将注入剂量控制在6×1015cm-2至8×1015cm-2以内，注入氧原子浓度可达5×1020cm-3至8×1020cm-3，足以形成致密化学键合层，但不会导致透明基层表面过度非晶化。将注入角度控制在20°至25°以内，倾斜注入可有效避免0°垂直注入时的沟道效应（即离子沿晶格通道深入，深度分布不可控），使注入分布更均匀。

32、将氙离子注入作为多层膜沉积过程中的主动应力调控手段，且选择比原始离子注入剂量低2个数量级到3个数量级的注入剂量，可以在晶格中产生局部压应力钉扎，抵消该界面处的本征拉伸应力，避免补偿层在热循环中因应力累积导致的开裂，并且不破坏补偿层的周期结构。

33、氙离子注入改性层可将应力峰值从约300mpa降至50mpa以下，使得第一周期性膜层的数量在100层时，也可以避免补偿层因应力累加而开裂。

34、通过将厚度变化率限定在0.6%至1.2%，可以展宽带宽，使得第一周期性膜层的数量在30层时，光学镜片也可以达到设计所需的带宽。

35、将边缘区域的厚度比中心区域的厚度薄的比例限定在10%到12%之间，可以消除传统曲面透镜“中心亮、边缘暗”的现象，使探测器的光斑能量分布均匀，提高信噪比和测量一致性；可以提高边缘抗腐蚀能力，虽然边缘区域减薄，但配合离子注入改性层和氮化保护，仍能满足耐腐蚀要求。同时，减薄减少了边缘区域因膜层过厚引起的应力集中和剥落风险。

36、将透明基层工作表面粗糙度的均方根（root mean square，rms）值优于0.2nm，可以保证后续原子级多层膜沉积时界面的低散射损耗和高附着力。

37、沉积腔室和离子注入腔室为原位集成的多腔室设备，透明基层在沉积腔室和离子注入腔室间的转移均处于真空环境。加工全程处于真空环境，可以保持沉积界面的原子级清洁度，避免氧化和颗粒污染，确保穿插式离子注入的应力释放效果不受界面杂质影响。