ﾓｼﾞｭｰﾙ式の高分解能分光法によるﾌﾟﾗｽﾞﾏﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞ

高分解能分光計は､各種のｶﾞｽが閉鎖的な反応ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾁｬﾝﾊﾞｰに追加された後のｱﾙｺﾞﾝ放出の変化を監視します｡これらの測定から得られたﾌﾟﾗｽﾞﾏ特性は､ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾌﾟﾛｾｽの監視に使用できます｡

背景

ﾌﾟﾗｽﾞﾏはｴﾈﾙｷﾞｰを与えられたｶﾞｽのような状態であり､その中には、原子の一部が励起又はｲｵﾝ化されて自由電子とｲｵﾝになっています｡励起された中性物質の電子が元の状態に戻ると､ﾌﾟﾗｽﾞﾏはﾌﾟﾗｽﾞﾏ内に存在する原子に特徴的な波長の光を放出します｡放出された光のｽﾍﾟｸﾄﾙﾌﾟﾛﾌｧｲﾙは､ﾌﾟﾗｽﾞﾏの組成を確定する為に使用されます｡ﾌﾟﾗｽﾞﾏは､熱､高出力ﾚｰｻﾞｰ､ﾏｲｸﾛ波､電気､無線周波数等､色々な高ｴﾈﾙｷﾞｰ源を使用して原子をｲｵﾝ化することで形成されます｡

ﾌﾟﾗｽﾞﾏは､元素分析､薄膜堆積､ﾌﾟﾗｽﾞﾏｴｯﾁﾝｸﾞ､表面洗浄等の半導体製造をはじめ工業の色々なアプリケーションで使用されています｡ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾍﾞｰｽのﾌﾟﾛｾｽを正確に監視することで､ｳｪｰﾊの汚染を最小限に抑え､品質を向上させ､生産効率を最適化することができます｡

ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞ

ﾌﾟﾗｽﾞﾏｻﾝﾌﾟﾙに対して測定された放出ｽﾍﾟｸﾄﾙでのﾌﾟﾗｽﾞﾏﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞは､詳細な元素分析結果とﾌﾟﾗｽﾞﾏﾍﾞｰｽﾌﾟﾛｾｽを制御する為に重要なﾌﾟﾗｽﾞﾏﾊﾟﾗﾒｰﾀを提供をすることができます｡輝線の波長は､ﾌﾟﾗｽﾞﾏに存在する要素を特定し､輝線強度はﾌﾟﾛｾｽ制御の為に粒子と電子の密度をﾘｱﾙﾀｲﾑで定量化する為に使用されます｡

ｶﾞｽ混合物､ﾌﾟﾗｽﾞﾏ温度､粒子密度等のﾊﾟﾗﾒｰﾀは､ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾌﾟﾛｾｽを制御する為に重要です｡ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾁｬﾝﾊﾞｰへの様々なｶﾞｽ又は粒子の投入によるこれらのﾊﾟﾗﾒｰﾀｰの変更は､ﾌﾟﾗｽﾞﾏ特性を変更し､ﾌﾟﾗｽﾞﾏと基材の相互作用に影響を与えます｡ﾌﾟﾗｽﾞﾏをﾘｱﾙﾀｲﾑで監視・制御する機能は､ﾌﾟﾛｾｽと結果の改善に繋がります｡

ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞは､例えばﾌﾟﾗｽﾞﾏﾍﾞｰｽｴｯﾁﾝｸﾞﾌﾟﾛｾｽのﾌﾟﾛｾｽ制御にとっては重要です｡半導体業界では､ﾘｿｸﾞﾗﾌｨｰ技術を使用してｳｪｰﾊを製造及び操作しています｡そして、ｴｯﾁﾝｸﾞはこのﾌﾟﾛｾｽの主要な部分であり､材料を非常に正確な厚さにﾗﾐﾈｰﾄすることができます｡各層がｳｪｰﾊ表面にｴｯﾁﾝｸﾞされると､ﾌﾟﾗｽﾞﾏ監視を使用して､ｳｪｰﾊ層でｴｯﾁﾝｸﾞを追跡し､ﾌﾟﾗｽﾞﾏが特定の層を完全にｴｯﾁﾝｸﾞして次の層に到達した時期を判断します｡ｴｯﾁﾝｸﾞ中にﾌﾟﾗｽﾞﾏによって放出された輝線を監視することにより､ｴｯﾁﾝｸﾞﾌﾟﾛｾｽを正確に追跡することができます｡ここでは､ｴﾝﾄﾞﾎﾟｲﾝﾄの検出は､ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾍﾞｰｽｴｯﾁﾝｸﾞﾌﾟﾛｾｽを使用した半導体材料の製造に不可欠です｡

ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞの仕様

ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞは､ｵｰｼｬﾝｲﾝｻｲﾄのHRｼﾘｰｽﾞやMaya2000 Pro等の高解像度分光計を使用した柔軟なﾓｼﾞｭｰﾙ式仕様で管理できます(後者はUVｶﾞｽの人気的なｵﾌﾟｼｮﾝです)｡ﾓｼﾞｭｰﾙ式の仕様では､HR分光計を耐分極光ﾌｧｲﾊﾞと組み合わせて､ﾁｬﾝﾊﾞｰ内で形成されたﾌﾟﾗｽﾞﾏから定性的な放出ﾃﾞｰﾀを取得できます｡定量測定が必要な場合､ﾕｰｻﾞｰはﾃﾞｰﾀを比較し､未知の輝線､ﾋﾟｰｸ､ﾊﾞﾝﾄﾞを素早く特定する為の第三者のｽﾍﾟｸﾄﾙﾗｲﾌﾞﾗﾘを追加できます｡

真空ﾁｬﾝﾊﾞｰの中に形成されるﾌﾟﾗｽﾞﾏを監視する際の重要な注意は､ﾁｬﾝﾊﾞｰへのｲﾝﾀｰﾌｪｰｽです｡ﾋﾞｭｰﾎﾟｰﾄからﾌﾟﾗｽﾞﾏを表示する為にせ設備を真空ﾁｬﾝﾊﾞｰに投入する又は設定することができます｡ﾁｬﾝﾊﾞｰ内の過酷な条件に耐えるように設計された真空ﾌｨｰﾄﾞｽﾙｰﾕﾆｯﾄ又はｶｽﾀﾑﾌｧｲﾊﾞｰは､コンポネントをﾌﾟﾗｽﾞﾏﾁｬﾝﾊﾞｰに接続することができます｡

ﾋﾞｭｰﾎﾟｰﾄでﾌﾟﾗｽﾞﾏを監視するには､測定するﾌﾟﾗｽﾞﾏﾌｨｰﾙﾄﾞのｻｲｽﾞに応じて､ｺｻｲﾝ･ｺﾚｸﾀやｺﾘﾒｰﾄﾚﾝｽﾞ等のｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞｱｸｾｻﾘが必要になる場合があります｡ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞｱｸｾｻﾘがない場合､ﾌｧｲﾊﾞからﾌﾟﾗｽﾞﾏまでの距離によって画像領域が決まります｡より局所的な観察領域にはｺﾘﾒｰﾄﾚﾝｽﾞ､180°の視野での光収集にはｺｻｲﾝｺﾚｸﾀを使用します｡

測定条件

HRｼﾘｰｽﾞの高分解能分光計を使用して､他のｶﾞｽがﾌﾟﾗｽﾞﾏﾁｬﾝﾊﾞｰに投入された時のｱﾙｺﾞﾝﾌﾟﾗｽﾞﾏの放出の変化は測定しました｡ｽﾍﾟｸﾄﾙﾃﾞｰﾀは､ﾁｬﾝﾊﾞｰの外側の小さな窓から放出ｽﾍﾟｸﾄﾙを収集した(図1)分光計､ﾌｧｲﾊﾞｰ及びｺｻｲﾝｺﾚｸﾀを備えたを取得されます｡閉鎖的な反応ﾁｬﾝﾊﾞｰのﾌﾟﾗｽﾞﾏから収集した

図1:ﾓｼﾞｭﾗｰ式分光計の仕様は､真空ﾁｬﾝﾊﾞｰ内のﾌﾟﾗｽﾞﾏ測定用に設定できます｡

200〜1100nm(ｸﾞﾚｰﾃｨﾝｸﾞHC-1､SLIT-25)の発光を測定する為のHR2000+高分解能分光計(〜1.1nmFWHM光学分解能)は､耐分極ﾌｧｲﾊﾞｰ(QP400-1-SR-BXﾌｧｲﾊﾞｰ)を使用してｺｻｲﾝｺﾚｸﾀ(CC-3-UV)に接続されます｡ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾁｬﾝﾊﾞｰからﾃﾞｰﾀを取得し､ﾌﾟﾗｽﾞﾏ強度の違いと測定窓の不均一な問題に対処する為に､CC-3-UVｺｻｲﾝｺﾚｸﾀのｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞｱｸｾｻﾘが選択されました｡その他のｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞｵﾌﾟｼｮﾝには､ｺﾘﾒｰﾄﾚﾝｽﾞと真空ﾌｨｰﾄﾞｽﾙｰがあります｡

結果

ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾁｬﾝﾊﾞｰの窓を通して測定されたｱﾙｺﾞﾝﾌﾟﾗｽﾞﾏのｽﾍﾟｸﾄﾙを図2に示します｡690〜900nmの強いｽﾍﾟｸﾄﾙ線と400〜650nmの低強度の線は､それぞれ中性ｱﾙｺﾞﾝ(ArI)と単一ｲｵﾝ化されたｱﾙｺﾞﾝ原子(ArII)からの輝線です｡図2に示す放出ｽﾍﾟｸﾄﾙは､ﾌﾟﾗｽﾞﾏ放出について測定された豊富なｽﾍﾟｸﾄﾙﾃﾞｰﾀの明確な例です｡このｽﾍﾟｸﾄﾙ情報を使用して､半導体製造中にﾌﾟﾗｽﾞﾏﾍﾞｰｽのﾌﾟﾛｾｽを監視及び制御する為の複数の重要なﾊﾟﾗﾒｰﾀを特定できます｡

図2:ｱﾙｺﾞﾝﾌﾟﾗｽﾞﾏの放出は､真空ﾁｬﾝﾊﾞｰの窓から測定されます｡

水素ｶﾞｽは､ｱﾙｺﾞﾝﾌﾟﾗｽﾞﾏに添加してその特性を変えることができる二次ｶﾞｽです｡図3では､ｱﾙｺﾞﾝﾌﾟﾗｽﾞﾏに水素ｶﾞｽを追加した場合の効果が､ﾁｬﾝﾊﾞｰに追加される水素ｶﾞｽの濃度の増加として示されています｡ｱﾙｺﾞﾝﾌﾟﾗｽﾞﾏの特性を変化させる水素ｶﾞｽの能力は､700〜900nmのｱﾙｺﾞﾝ線の強度の減少によって明確になりますが､水素ｶﾞｽの濃度の増加は､350-450nm間の水素線の外観に反映されます｡これらのｽﾍﾟｸﾄﾙは､ﾌﾟﾗｽﾞﾏ特性に対する二次ｶﾞｽの影響を評価する為に､ﾌﾟﾗｽﾞﾏ放出をﾘｱﾙﾀｲﾑで測定する能力を示しています｡観測されたｽﾍﾟｸﾄﾙ変化を使用して､ﾁｬﾝﾊﾞｰに追加される二次ｶﾞｽの量を最適化して､要求のﾌﾟﾗｽﾞﾏ特性を実現することができます｡

図4:ｼｰｽｶﾞｽを追加する前に､真空ﾁｬﾝﾊﾞｰ内でｱﾙｺﾞﾝﾌﾟﾗｽﾞﾏ放出を測定する

図5:ｼｰｽｶﾞｽを追加すると､ｱﾙｺﾞﾝ放出特性は､400nm未満と約520nmで著しく変わりました｡

結論

UV-Vis-NIR分光法は､ﾌﾟﾗｽﾞﾏ放出を測定する為の強力な方法であり､ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾍﾞｰｽのﾌﾟﾛｾｽの元素分析と正確な制御を可能にします｡ここに示されているﾃﾞｰﾀは､ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞの為のﾓｼﾞｭﾗｰ式分光法ｱﾌﾟﾛｰﾁの能力を示しています｡HR2000+高分解能分光計とﾓｼﾞｭﾗｰ式分光法は､ﾁｬﾝﾊﾞｰの状態が調整された時に､ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾁｬﾝﾊﾞｰの窓を通してﾌﾟﾗｽﾞﾏ放出ｽﾍﾟｸﾄﾙを測定する為にうまく機能しました｡

紫外線(UV)で優れた応答を示すMaya2000 Pro等､追加のﾌﾟﾗｽﾞﾏ監視ｵﾌﾟｼｮﾝがあります｡又､分光計とｻﾌﾞｼｽﾃﾑを他のﾃﾞﾊﾞｲｽに統合し､機械学習ﾂｰﾙと組み合わせて､ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾁｬﾝﾊﾞｰの状態をさらに高度に制御することもできます｡