量子級聯激光器（Quantum Cascade Laser，簡稱QCL）自1994年被發明以來，已經歷了28年的發展歷程，因其極好的穩定性、單色性、窄線寬、高輸出功率、波長覆蓋范圍寬等特點成為了中紅外領域的潛力光源，被廣泛應用。

本文將以案例的形式帶大家梳理QCL在半導體領域中的眾多用途，主要包含等離子體刻蝕工藝CF2自由基濃度監測、等離子體刻蝕工藝前體氣體NF3和蝕刻產物SiF4濃度在線原位測量、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自由基濃度監測

背景介紹：隨著電感耦合等離子體刻蝕工藝的復雜度越來越高，面臨的一個挑戰是如何將等離子體側壁損傷降至很低，這一過程優化的關鍵是需要精確了解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CF2自由基濃度進行了原位測量，如圖所示。

實驗室采用英國牛津儀器的等離子刻蝕與沉積設備Plasmalab System 100 ICP，通入反應氣體使用電感耦合等離子體輝光放電將其分解，產生的具有強化學活性的等離子體在電場加速作用下移動到樣品表面，對樣品表面進行化學反應生成揮發性氣體并產生物理刻蝕作用。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，從而獲得更高的刻蝕速率以及更好的各向異性刻蝕。該設備主要用于刻蝕Si基材料，Si，SiO2等，刻蝕氣體一般采用BCI3、HBr、SF6、CF4等。

研究人員發現在蝕刻等離子體過程中，CF2自由基濃度與蝕刻晶圓的層結構直接相關，因此這種相關性可以作為介質刻蝕等離子體過程的診斷工具?；赒CL的吸收光譜技術的應用為半導體制造業的先進過程監控和蝕刻控制開辟了新的路徑。

參考文獻：

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和蝕刻產物SiF4濃度在線原位測量

背景介紹：高純NF3具有非常優異的蝕刻速率和選擇性（對氧化硅和硅），在被蝕刻物表面不留任何殘留物，同時是非常良好的清洗劑，NF3主要用于化學氣相淀積（CVD）裝置清洗。此外NF3可以單獨或與其它氣體組合，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CF4與硅界面接觸時，會發生化學反應生成SiF4和CO2，兩者都是以氣體形態存在。

實驗采用了磁增強反應離子刻蝕 MERIE設備（在傳統的反應離子刻蝕RIE方法中增加與射頻電場垂直的直流磁場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監測系統通過分束鏡一路引到MERIE設備的側面通道監測等離子體濃度，另一路引到MERIE設備的頂部通道監測刻蝕速率，計算出NF3和SiF4的吸收截面。

參考文獻：

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用

背景介紹：QCL自發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用直到近幾年才開始被認可。下表是相關文獻中報道的關于非熱等離子體環境的應用，包括大氣等離子體和低壓等離子體，主要關注時間分辨測量和動力學研究。通過結合不同的光譜技術可以提高靈敏度，比如直接吸收光譜DAS、波長或頻率調制技術等。Res.=research environment；Ind.=industrial application；VHF=very high frequency

除了上述提到的半導體應用外，QCL在工業及安防領域的應用還有如下方面：   

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：（氣霧罐、酒類包裝容器、果蔬氣調包裝MAP等） 

3、火電廠氨逃逸在線監測?

4、電力行業絕緣開關設備GIS中SF6痕量氣體檢測 ?

5、天然氣管道泄漏監測、煤礦易燃易爆氣體監測（CO/CH4等） ?

6、石油化工催化裂化過程痕量氣體監測（CO2/CO等） ?

7、激光定向紅外對抗 ?

8、生物/化學戰劑激光遙測、遠距離爆炸探測、毒氣偵測、集裝箱?；瘹怏w檢測 ?

9、太赫茲安檢

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