Aplicaciones del proceso de grabado de plasma y monitoreo de puntos finales con espectrómetros

1. Antecedentes

El grabado por plasma es una tecnología de grabado en seco ampliamente utilizada en la fabricación de semiconductores y otros campos de micro/nano procesamiento. Utiliza iones y radicales de alta energía en el plasma para bombardear físicamente y reaccionar químicamente con la superficie del material, logrando un grabado preciso del material. El proceso de grabado por plasma implica complejas interacciones físicas y químicas, incluidas las interacciones entre partículas cargadas y las velocidades y mecanismos de las reacciones químicas. Estos procesos son difíciles de simular y analizar completamente teóricamente, lo que requiere monitoreo y control en tiempo real a través de métodos experimentales.

2. Métodos

Existen varios métodos para monitorear el proceso de grabado, como la espectrometría de masas, las sondas de Langmuir, los métodos de impedancia, la reflectometría óptica y la espectroscopía de emisión óptica (OES). Entre estos, OES es una tecnología de detección de punto final convencional ampliamente utilizada. OES es una técnica de análisis en tiempo real e in situ que determina la composición y las características de las sustancias midiendo los espectros emitidos en condiciones específicas. No interfiere con el proceso de grabado por plasma y puede detectar cambios en el punto final y variaciones de parámetros en el proceso de grabado.

3. Principio del monitoreo OES

En el proceso de grabado por plasma, los elementos detectados por OES dependen de la composición del material grabado y de los posibles productos de reacción y grupos volátiles formados durante el grabado. OES determina los tipos y concentraciones de elementos analizando los espectros emitidos por el plasma, monitoreando así el proceso de grabado.

Específicamente, OES puede detectar elementos como elementos metálicos (por ejemplo, aluminio, cobre, hierro), elementos no metálicos (por ejemplo, silicio, oxígeno, nitrógeno) y compuestos volátiles que pueden formarse durante el proceso de grabado. En la fabricación de semiconductores, donde el grabado por plasma se utiliza a menudo para materiales a base de silicio, OES se centra en las características espectrales del silicio. Además, si se utilizan gases que contienen flúor o cloro (por ejemplo, SF6, Cl2) durante el grabado, OES también puede detectar señales espectrales de flúor o cloro.

Los elementos y concentraciones detectados por OES se ven influenciados por factores como las condiciones de excitación del plasma, la resolución y sensibilidad del espectrómetro y las propiedades de la muestra. Por lo tanto, es necesario seleccionar las condiciones y los parámetros de detección OES apropiados en función de los procesos y materiales de grabado específicos.

Como una técnica de monitoreo avanzada, OES juega un papel crucial en los procesos de grabado de semiconductores, particularmente en la detección del punto final. A medida que avanza el proceso de grabado y la película superior se elimina gradualmente, revelando el material subyacente, el entorno gaseoso dentro del plasma cambia significativamente. Este cambio, debido a los subproductos de grabado volátiles liberados por el material subyacente, afecta directamente la concentración de sustancias neutras en el plasma y la intensidad de sus espectros de emisión correspondientes. Al monitorear continuamente las variaciones temporales de la señal OES, se puede rastrear con precisión el progreso del grabado de la capa dieléctrica, evitando eficazmente el sobregrabado.

OES también puede detectar señales de impurezas dentro del plasma. En condiciones de funcionamiento normales y anormales de la máquina de grabado, el espectro OES muestra diferencias significativas, lo que proporciona una herramienta poderosa para diagnosticar posibles problemas del sistema. Por ejemplo, la comparación de espectros puede identificar rápidamente si hay fugas de aire, un ajuste incorrecto de los controladores de flujo de masa (MFC) que causa anomalías en el flujo de gas auxiliar o contaminación por gases de impurezas.

OES puede evaluar la uniformidad del plasma y el grabado, lo cual es crucial para lograr un grabado de alta calidad al garantizar una distribución uniforme del plasma y los grabadores químicos sobre la oblea. Mediante el uso de métodos de medición de múltiples trayectorias ópticas, OES puede mapear la distribución radial de la uniformidad del grabado, proporcionando datos valiosos para la optimización del proceso. Los experimentos han demostrado una estrecha relación entre la intensidad de la señal OES en diferentes ubicaciones de la oblea y la uniformidad del grabado. El ajuste dinámico de los parámetros del plasma puede controlar y reducir eficazmente la no uniformidad del grabado radial.

OES puede medir cuantitativamente las concentraciones de partículas neutras, iones y radicales dentro del plasma a través de espectros de emisión lineal. El uso de gases inertes con concentraciones conocidas (por ejemplo, Ar de baja concentración) como gases de exposición, cuyas líneas de emisión características se asemejan a las de los iones químicos activos que se están midiendo, permite el cálculo indirecto de las concentraciones relativas de partículas de plasma.

En entornos de grabado con mezcla de gas Cl2 y Ar, la relación entre la concentración de Cl2 y la potencia de RF es compleja. Los datos experimentales muestran que en el modo de campo brillante, la intensidad del espectro disminuye al aumentar la potencia de RF, lo que destaca la sensibilidad de OES y su valor de aplicación en entornos de plasma complejos.

OES, con su conveniencia en la identificación de componentes, alta integración con equipos de grabado y sólido soporte para el desarrollo y análisis de nuevos procesos, es una herramienta preferida en la detección del punto final. Sin embargo, la complejidad de la interpretación de datos y el gran volumen de datos sin procesar plantean desafíos en las aplicaciones prácticas.

4. Componentes del sistema

Un sistema de detección OES puede utilizar instrumentos como el espectrómetro Jinsp SR100Q, que ofrece una amplia cobertura de rango de longitud de onda (UV-visible-cercano IR), alta resolución, baja luz parásita, alta sensibilidad, bajo ruido, alta relación señal-ruido y fácil integración de software para pruebas de alta velocidad. Se puede personalizar con fibras antienvejecimiento y correctores de coseno para configurar un sistema de monitoreo. El corrector de coseno recopila espectros de plasma de la cámara de reacción a través de la ventana, transmitiendo señales a través de fibra óptica al espectrómetro para su procesamiento, emitiendo espectros de monitoreo para su análisis.