Applicazioni del processo di incisione plasmatica e monitoraggio dei punti finali con spettrometri

1. Contesto

L'incisione al plasma è una tecnologia di incisione a secco ampiamente utilizzata nella produzione di semiconduttori e in altri campi di micro/nano lavorazione. Utilizza ioni ad alta energia e radicali nel plasma per bombardare fisicamente e reagire chimicamente con la superficie del materiale, ottenendo un'incisione precisa del materiale. Il processo di incisione al plasma comporta complesse interazioni fisiche e chimiche, comprese le interazioni tra le particelle cariche e le velocità e i meccanismi delle reazioni chimiche. Questi processi sono difficili da simulare e analizzare completamente teoricamente, richiedendo monitoraggio e controllo in tempo reale attraverso metodi sperimentali.

2. Metodi

Esistono vari metodi per monitorare il processo di incisione, come la spettrometria di massa, le sonde di Langmuir, i metodi di impedenza, la riflettometria ottica e la spettroscopia di emissione ottica (OES). Tra questi, l'OES è una tecnologia di rilevamento del punto finale ampiamente utilizzata. L'OES è una tecnica di analisi in tempo reale e in situ che determina la composizione e le caratteristiche delle sostanze misurando gli spettri emessi in condizioni specifiche. Non disturba il processo di incisione al plasma e può rilevare cambiamenti del punto finale e variazioni dei parametri nel processo di incisione.

3. Principio del Monitoraggio OES

Nel processo di incisione al plasma, gli elementi rilevati dall'OES dipendono dalla composizione del materiale inciso e dai possibili prodotti di reazione e gruppi volatili formati durante l'incisione. L'OES determina i tipi e le concentrazioni degli elementi analizzando gli spettri emessi dal plasma, monitorando così il processo di incisione.

Nello specifico, l'OES può rilevare elementi come elementi metallici (ad esempio, alluminio, rame, ferro), elementi non metallici (ad esempio, silicio, ossigeno, azoto) e composti volatili che possono formarsi durante il processo di incisione. Nella produzione di semiconduttori, dove l'incisione al plasma è spesso utilizzata per materiali a base di silicio, l'OES si concentra sulle caratteristiche spettrali del silicio. Inoltre, se durante l'incisione vengono utilizzati gas contenenti fluoro o cloro (ad esempio, SF6, Cl2), l'OES può anche rilevare segnali spettrali di fluoro o cloro.

Gli elementi e le concentrazioni rilevati dall'OES sono influenzati da fattori quali le condizioni di eccitazione del plasma, la risoluzione e la sensibilità dello spettrometro e le proprietà del campione. Pertanto, è necessario selezionare condizioni e parametri di rilevamento OES appropriati in base a specifici processi di incisione e materiali.

Come tecnica di monitoraggio avanzata, l'OES svolge un ruolo cruciale nei processi di incisione dei semiconduttori, in particolare nel rilevamento del punto finale. Man mano che il processo di incisione progredisce e il film superiore viene gradualmente rimosso, rivelando il materiale sottostante, l'ambiente gassoso all'interno del plasma cambia in modo significativo. Questo cambiamento, dovuto ai sottoprodotti di incisione volatili rilasciati dal materiale sottostante, influisce direttamente sulla concentrazione di sostanze neutre nel plasma e sulla loro corrispondente intensità degli spettri di emissione. Monitorando continuamente le variazioni temporali del segnale OES, è possibile tracciare con precisione l'avanzamento dell'incisione dello strato dielettrico, prevenendo efficacemente la sovra-incisione.

L'OES può anche rilevare segnali di impurità all'interno del plasma. In condizioni operative normali e anomale della macchina di incisione, lo spettro OES mostra differenze significative, fornendo un potente strumento per la diagnosi di potenziali problemi di sistema. Ad esempio, il confronto degli spettri può identificare rapidamente se vi è una perdita d'aria, una regolazione impropria dei controllori di flusso di massa (MFC) che causa anomalie nel flusso di gas ausiliario o contaminazione da gas di impurità.

L'OES può valutare l'uniformità del plasma e dell'incisione, fondamentale per ottenere un'incisione di alta qualità garantendo una distribuzione uniforme del plasma e degli agenti di incisione chimici sul wafer. Utilizzando metodi di misurazione a percorso ottico multiplo, l'OES può mappare la distribuzione radiale dell'uniformità di incisione, fornendo dati preziosi per l'ottimizzazione del processo. Gli esperimenti hanno dimostrato una stretta relazione tra l'intensità del segnale OES in diverse posizioni del wafer e l'uniformità di incisione. La regolazione dinamica dei parametri del plasma può controllare e ridurre efficacemente la non uniformità di incisione radiale.

L'OES può misurare quantitativamente le concentrazioni di particelle neutre, ioni e radicali all'interno del plasma attraverso spettri di emissione lineari. L'utilizzo di gas inerti con concentrazioni note (ad esempio, Ar a bassa concentrazione) come gas di esposizione, le cui linee di emissione caratteristiche assomigliano a quelle degli ioni chimici attivi in fase di misurazione, consente il calcolo indiretto delle concentrazioni relative delle particelle di plasma.

In ambienti di incisione con gas misti Cl2 e Ar, la relazione tra la concentrazione di Cl2 e la potenza RF è complessa. I dati sperimentali mostrano che in modalità campo chiaro, l'intensità dello spettro diminuisce all'aumentare della potenza RF, evidenziando la sensibilità dell'OES e il suo valore applicativo in ambienti plasma complessi.

L'OES, con la sua praticità nell'identificazione dei componenti, l'elevata integrazione con le apparecchiature di incisione e il robusto supporto per lo sviluppo e l'analisi di nuovi processi, è uno strumento preferito nel rilevamento del punto finale. Tuttavia, la complessità dell'interpretazione dei dati e l'elevato volume di dati grezzi pongono delle sfide nelle applicazioni pratiche.

4. Componenti del Sistema

Un sistema di rilevamento OES può utilizzare strumenti come lo spettrometro Jinsp SR100Q, che offre un'ampia copertura della gamma di lunghezze d'onda (UV-visibile-vicino IR), alta risoluzione, bassa luce diffusa, alta sensibilità, basso rumore, alto rapporto segnale-rumore e facile integrazione software per test ad alta velocità. Può essere personalizzato con fibre anti-invecchiamento e correttori del coseno per impostare un sistema di monitoraggio. Il correttore del coseno raccoglie gli spettri del plasma dalla camera di reazione attraverso la finestra, trasmettendo i segnali tramite fibra ottica allo spettrometro per l'elaborazione, emettendo spettri di monitoraggio per l'analisi.