量子级联激光器（Quantum Cascade Laser，简称QCL）自1994年被发明以来，已经历了28年的发展历程，因其极好的稳定性、单色性、窄线宽、高输出功率、波长覆盖范围宽等特点成为了中红外领域的潜力光源，被广泛应用。

本文将以案例的形式带大家梳理QCL在半导体领域中的众多用途，主要包含等离子体刻蚀工艺CF2自由基浓度监测、等离子体刻蚀工艺前体气体NF3和蚀刻产物SiF4浓度在线原位测量、QCL激光器等离子体诊断等。

案例一

案例名称：等离子体刻蚀工艺CF2自由基浓度监测

背景介绍：随着电感耦合等离子体刻蚀工艺的复杂度越来越高，面临的一个挑战是如何将等离子体侧壁损伤降至很低，这一过程优化的关键是需要精确了解CF2自由基的浓度。

案例分享：德国莱布尼茨低温等离子体研究所（INP）科研人员利用CW DFB-QCL（工作波长1106.2 cm-1）对CF2自由基浓度进行了原位测量，如图所示。

实验室采用英国牛津仪器的等离子刻蚀与沉积设备Plasmalab System 100 ICP，通入反应气体使用电感耦合等离子体辉光放电将其分解，产生的具有强化学活性的等离子体在电场加速作用下移动到样品表面，对样品表面进行化学反应生成挥发性气体并产生物理刻蚀作用。由于等离子体源与射频加速源分离，等离子体密度可以更高，加速能力也更强，从而获得更高的刻蚀速率以及更好的各向异性刻蚀。该设备主要用于刻蚀Si基材料，Si，SiO2等，刻蚀气体一般采用BCI3、HBr、SF6、CF4等。

研究人员发现在蚀刻等离子体过程中，CF2自由基浓度与蚀刻晶圆的层结构直接相关，因此这种相关性可以作为介质刻蚀等离子体过程的诊断工具。基于QCL的吸收光谱技术的应用为半导体制造业的先进过程监控和蚀刻控制开辟了新的路径。

参考文献：

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

案例二

案例名称：等离子体刻蚀工艺前体气体NF3和蚀刻产物SiF4浓度在线原位测量

背景介绍：高纯NF3具有非常优异的蚀刻速率和选择性（对氧化硅和硅），在被蚀刻物表面不留任何残留物，同时是非常良好的清洗剂，NF3主要用于化学气相淀积（CVD）装置清洗。此外NF3可以单独或与其它气体组合，用作等离子体工艺的蚀刻气体，例如NF3、NF3/Ar、NF3/He用于硅化合物MoSi2的蚀刻。在刻Si的过程中，一般使用氟基气体，当CF4与硅界面接触时，会发生化学反应生成SiF4和CO2，两者都是以气体形态存在。

实验采用了磁增强反应离子刻蚀 MERIE设备（在传统的反应离子刻蚀RIE方法中增加与射频电场垂直的直流磁场来提升等离子体浓度和刻蚀速率），基于QCL激光器（1027-1032 cm-1、脉宽12 ns、重频500 kHz）组成的Q-MACS监测系统通过分束镜一路引到MERIE设备的侧面通道监测等离子体浓度，另一路引到MERIE设备的顶部通道监测刻蚀速率，计算出NF3和SiF4的吸收截面。

参考文献：

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

案例三

案例名称：QCL激光器等离子体诊断应用

背景介绍：QCL自发明以来广泛用于高灵敏度痕量气体传感仪，然而等离子体诊断的特殊应用直到近几年才开始被认可。下表是相关文献中报道的关于非热等离子体环境的应用，包括大气等离子体和低压等离子体，主要关注时间分辨测量和动力学研究。通过结合不同的光谱技术可以提高灵敏度，比如直接吸收光谱DAS、波长或频率调制技术等。Res.=research environment；Ind.=industrial application；VHF=very high frequency

除了上述提到的半导体应用外，QCL在工业及安防领域的应用还有如下方面：   

1、中红外自由空间光通信 （4.5~5.2 μm和8~12 μm波段） 

2、食品包装泄露检测：（气雾罐、酒类包装容器、果蔬气调包装MAP等） 

3、火电厂氨逃逸在线监测

4、电力行业绝缘开关设备GIS中SF6痕量气体检测 

5、天然气管道泄漏监测、煤矿易燃易爆气体监测（CO/CH4等） 

6、石油化工催化裂化过程痕量气体监测（CO2/CO等） 

7、激光定向红外对抗 

8、生物/化学战剂激光遥测、远距离爆炸探测、毒气侦测、集装箱危化气体检测 

9、太赫兹安检

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