Zastosowanie procesu etsu plazmowego i monitorowania punktu końcowego za pomocą spektrometrów

1. Tło

Wytrawianie plazmowe to szeroko stosowana technologia wytrawiania na sucho w produkcji półprzewodników i innych dziedzinach mikro/nano przetwarzania. Wykorzystuje jony o wysokiej energii i rodniki w plazmie do fizycznego bombardowania i chemicznego reagowania z powierzchnią materiału, osiągając precyzyjne wytrawianie materiału. Proces wytrawiania plazmowego obejmuje złożone interakcje fizyczne i chemiczne, w tym interakcje między naładowanymi cząstkami oraz szybkości i mechanizmy reakcji chemicznych. Procesy te są trudne do pełnej symulacji i analizy teoretycznej, wymagając monitorowania i kontroli w czasie rzeczywistym za pomocą metod eksperymentalnych.

2. Metody

Istnieją różne metody monitorowania procesu wytrawiania, takie jak spektrometria mas, sondy Langmuira, metody impedancyjne, reflektometria optyczna i spektroskopia emisyjna (OES). Spośród nich OES jest szeroko stosowaną, główną technologią wykrywania punktu końcowego. OES to technika analizy w czasie rzeczywistym, in-situ, która określa skład i charakterystykę substancji poprzez pomiar emitowanych widm w określonych warunkach. Nie zakłóca procesu wytrawiania plazmowego i może wykrywać zmiany punktu końcowego i wariacje parametrów w procesie wytrawiania.

3. Zasada monitorowania OES

W procesie wytrawiania plazmowego pierwiastki wykrywane przez OES zależą od składu wytrawianego materiału oraz możliwych produktów reakcji i grup lotnych powstających podczas wytrawiania. OES określa rodzaje i stężenia pierwiastków poprzez analizę widm emitowanych z plazmy, monitorując w ten sposób proces wytrawiania.

W szczególności OES może wykrywać pierwiastki takie jak pierwiastki metali (np. aluminium, miedź, żelazo), pierwiastki niemetali (np. krzem, tlen, azot) oraz lotne związki, które mogą powstawać podczas procesu wytrawiania. W produkcji półprzewodników, gdzie wytrawianie plazmowe jest często stosowane dla materiałów na bazie krzemu, OES koncentruje się na cechach spektralnych krzemu. Dodatkowo, jeśli podczas wytrawiania stosowane są gazy zawierające fluor lub chlor (np. SF6, Cl2), OES może również wykrywać sygnały spektralne fluoru lub chloru.

Na pierwiastki i stężenia wykrywane przez OES wpływają czynniki takie jak warunki wzbudzenia plazmy, rozdzielczość i czułość spektrometru oraz właściwości próbki. Dlatego należy wybrać odpowiednie warunki i parametry detekcji OES w oparciu o specyficzne procesy wytrawiania i materiały.

Jako zaawansowana technika monitorowania, OES odgrywa kluczową rolę w procesach wytrawiania półprzewodników, szczególnie w wykrywaniu punktu końcowego. W miarę postępu procesu wytrawiania i stopniowego usuwania górnej warstwy, odsłaniając materiał podłoża, środowisko gazowe w plazmie ulega znacznym zmianom. Zmiana ta, spowodowana lotnymi produktami ubocznymi wytrawiania uwalnianymi przez materiał podłoża, bezpośrednio wpływa na stężenie substancji neutralnych w plazmie i odpowiadającą im intensywność widm emisyjnych. Poprzez ciągłe monitorowanie zmian czasowych sygnału OES, można dokładnie śledzić postęp wytrawiania warstwy dielektrycznej, skutecznie zapobiegając nadmiernemu wytrawianiu.

OES może również wykrywać sygnały zanieczyszczeń w plazmie. W normalnych i nienormalnych warunkach pracy maszyny do wytrawiania, widmo OES wykazuje istotne różnice, stanowiąc potężne narzędzie do diagnozowania potencjalnych problemów systemowych. Na przykład, porównanie widm może szybko zidentyfikować, czy występuje wyciek powietrza, nieprawidłowa regulacja regulatorów przepływu masy (MFC) powodująca anomalie przepływu gazu pomocniczego lub zanieczyszczenie gazami zanieczyszczającymi.

OES może oceniać jednorodność plazmy i wytrawiania, co ma kluczowe znaczenie dla uzyskania wysokiej jakości wytrawiania poprzez zapewnienie równomiernego rozkładu plazmy i odczynników chemicznych na płytce. Używając metod pomiaru wielościeżkowego optycznego, OES może mapować rozkład jednorodności wytrawiania radialnego, dostarczając cennych danych do optymalizacji procesu. Eksperymenty wykazały ścisły związek między intensywnością sygnału OES w różnych lokalizacjach płytki a jednorodnością wytrawiania. Dynamiczne dostosowywanie parametrów plazmy może skutecznie kontrolować i zmniejszać radialną niejednorodność wytrawiania.

OES może ilościowo mierzyć stężenia cząstek neutralnych, jonów i rodników w plazmie za pomocą liniowych widm emisyjnych. Użycie gazów obojętnych o znanych stężeniach (np. niskie stężenie Ar) jako gazów ekspozycyjnych, których charakterystyczne linie emisyjne przypominają te aktywne jony chemiczne, które są mierzone, pozwala na pośrednie obliczenie względnych stężeń cząstek plazmy.

W środowiskach wytrawiania mieszaniną gazów Cl2 i Ar, związek między stężeniem Cl2 a mocą RF jest złożony. Dane eksperymentalne pokazują, że w trybie jasnego pola, intensywność widma maleje wraz ze wzrostem mocy RF, podkreślając czułość OES i wartość zastosowania w złożonych środowiskach plazmowych.

OES, dzięki swojej wygodzie w identyfikacji komponentów, wysokiej integracji ze sprzętem do wytrawiania i solidnemu wsparciu dla rozwoju i analizy nowych procesów, jest preferowanym narzędziem w wykrywaniu punktu końcowego. Jednak złożoność interpretacji danych i duża objętość surowych danych stanowią wyzwania w praktycznych zastosowaniach.

4. Komponenty systemu

System detekcji OES może wykorzystywać instrumenty takie jak spektrometr Jinsp SR100Q, który oferuje szeroki zakres długości fal (UV-widzialny-bliski IR), wysoką rozdzielczość, niskie światło rozproszone, wysoką czułość, niski poziom szumów, wysoki stosunek sygnału do szumu i łatwą integrację oprogramowania do testowania z dużą prędkością. Może być dostosowany za pomocą włókien anty-aging i korektorów cosinusowych do konfiguracji systemu monitorowania. Korektor cosinusowy zbiera widma plazmy z komory reakcyjnej przez okno, przesyłając sygnały za pomocą światłowodu do spektrometru w celu przetworzenia, wyprowadzając widma monitorowania do analizy.