Aplicações do Processo de Ataque por Plasma e Monitoramento do Ponto Final com Espectrômetros

1. Antecedentes

O ataque por plasma é uma tecnologia de ataque a seco amplamente utilizada na fabricação de semicondutores e em outras áreas de micro/nano processamento. Ele utiliza íons e radicais de alta energia no plasma para bombardear fisicamente e reagir quimicamente com a superfície do material, alcançando um ataque preciso do material. O processo de ataque por plasma envolve interações físicas e químicas complexas, incluindo as interações entre partículas carregadas e as taxas e mecanismos das reações químicas. Esses processos são difíceis de simular e analisar completamente teoricamente, exigindo monitoramento e controle em tempo real por meio de métodos experimentais.

2. Métodos

Existem vários métodos para monitorar o processo de ataque, como espectrometria de massa, sondas de Langmuir, métodos de impedância, reflectometria óptica e espectroscopia de emissão óptica (OES). Dentre estes, a OES é uma tecnologia de detecção de ponto final amplamente utilizada. A OES é uma técnica de análise em tempo real e in situ que determina a composição e as características das substâncias medindo os espectros emitidos sob condições específicas. Ela não perturba o processo de ataque por plasma e pode detectar mudanças no ponto final e variações de parâmetros no processo de ataque.

3. Princípio do Monitoramento OES

No processo de ataque por plasma, os elementos detectados pela OES dependem da composição do material atacado e dos possíveis produtos de reação e grupos voláteis formados durante o ataque. A OES determina os tipos e concentrações de elementos analisando os espectros emitidos pelo plasma, monitorando assim o processo de ataque.

Especificamente, a OES pode detectar elementos como elementos metálicos (por exemplo, alumínio, cobre, ferro), elementos não metálicos (por exemplo, silício, oxigênio, nitrogênio) e compostos voláteis que podem se formar durante o processo de ataque. Na fabricação de semicondutores, onde o ataque por plasma é frequentemente usado para materiais à base de silício, a OES se concentra nas características espectrais do silício. Além disso, se gases contendo flúor ou cloro (por exemplo, SF6, Cl2) forem usados durante o ataque, a OES também pode detectar sinais espectrais de flúor ou cloro.

Os elementos e concentrações detectados pela OES são influenciados por fatores como as condições de excitação do plasma, a resolução e sensibilidade do espectrômetro e as propriedades da amostra. Portanto, as condições e parâmetros de detecção OES apropriados precisam ser selecionados com base em processos e materiais de ataque específicos.

Como uma técnica de monitoramento avançada, a OES desempenha um papel crucial nos processos de ataque de semicondutores, particularmente na detecção do ponto final. À medida que o processo de ataque progride e a camada superior é gradualmente removida, revelando o material subjacente, o ambiente gasoso dentro do plasma muda significativamente. Essa mudança, devido aos subprodutos voláteis do ataque liberados pelo material subjacente, afeta diretamente a concentração de substâncias neutras no plasma e a intensidade de seus espectros de emissão correspondentes. Ao monitorar continuamente as variações temporais do sinal OES, o progresso do ataque da camada dielétrica pode ser rastreado com precisão, evitando efetivamente o ataque excessivo.

A OES também pode detectar sinais de impurezas dentro do plasma. Sob condições normais e anormais de operação da máquina de ataque, o espectro OES mostra diferenças significativas, fornecendo uma ferramenta poderosa para diagnosticar possíveis problemas do sistema. Por exemplo, a comparação de espectros pode identificar rapidamente se há vazamento de ar, ajuste inadequado dos controladores de fluxo de massa (MFC) causando anomalias no fluxo de gás auxiliar ou contaminação por gases de impureza.

A OES pode avaliar a uniformidade do plasma e do ataque, crucial para obter um ataque de alta qualidade, garantindo a distribuição uniforme do plasma e dos agentes de ataque químico sobre a pastilha. Usando métodos de medição de múltiplos caminhos ópticos, a OES pode mapear a distribuição radial da uniformidade do ataque, fornecendo dados valiosos para a otimização do processo. Experimentos mostraram uma relação próxima entre a intensidade do sinal OES em diferentes locais da pastilha e a uniformidade do ataque. O ajuste dinâmico dos parâmetros do plasma pode controlar e reduzir efetivamente a não uniformidade radial do ataque.

A OES pode medir quantitativamente as concentrações de partículas neutras, íons e radicais dentro do plasma por meio de espectros de emissão linear. O uso de gases inertes com concentrações conhecidas (por exemplo, Ar de baixa concentração) como gases de exposição, cujas linhas de emissão características se assemelham às dos íons químicos ativos que estão sendo medidos, permite o cálculo indireto das concentrações relativas das partículas do plasma.

Em ambientes de ataque com mistura de gás Cl2 e Ar, a relação entre a concentração de Cl2 e a potência de RF é complexa. Dados experimentais mostram que, no modo de campo claro, a intensidade do espectro diminui com o aumento da potência de RF, destacando a sensibilidade da OES e o valor da aplicação em ambientes de plasma complexos.

A OES, com sua conveniência na identificação de componentes, alta integração com equipamentos de ataque e suporte robusto para o desenvolvimento e análise de novos processos, é uma ferramenta preferida na detecção do ponto final. No entanto, a complexidade da interpretação de dados e o grande volume de dados brutos representam desafios em aplicações práticas.

4. Componentes do Sistema

Um sistema de detecção OES pode usar instrumentos como o espectrômetro Jinsp SR100Q, que oferece ampla cobertura de faixa de comprimento de onda (UV-visível-próximo IR), alta resolução, baixa luz difusa, alta sensibilidade, baixo ruído, alta relação sinal-ruído e fácil integração de software para testes de alta velocidade. Ele pode ser personalizado com fibras anti-envelhecimento e corretores de cosseno para configurar um sistema de monitoramento. O corretor de cosseno coleta os espectros de plasma da câmara de reação através da janela, transmitindo sinais via fibra óptica para o espectrômetro para processamento, emitindo espectros de monitoramento para análise.