모듈 식 고분해능 분광기를 사용한 플라즈마 모니터링

고해상도 분광기는 다양한 가스가 폐쇄 반응 플라즈마 챔버에 추가 된 후 아르곤 방출의 변화를 모니터링했습니다. 이러한 측정에서 파생 된 플라즈마 특성은 플라즈마 프로세스 모니터링에 사용될 수 있습니다.

배경

플라즈마는 원자의 일부가 여기되거나 이온화되어 자유 전자와 이온을 형성하는 에너지가 공급되는 기체와 같은 상태입니다. 여기 된 중성자의 전자가 기저 상태로 돌아 가면 플라즈마는 플라즈마에 존재하는 원자에 특정한 파장에서 빛을 방출합니다. 방출 된 빛의 스펙트럼 프로파일은 플라즈마의 구성을 결정하는 데 사용됩니다. 플라즈마는 열, 고출력 레이저, 마이크로파, 전기 및 무선 주파수를 포함한 원자를 이온화하는 다양한 고 에너지 방법을 사용하여 형성됩니다.

플라즈마는 원소 분석, 필름 증착, 플라즈마 에칭 및 표면 세정을 포함한 응용 분야를위한 반도체 제조를 포함한 산업 분야에서 사용됩니다 . 플라즈마 기반 프로세스의 정밀 모니터링은 웨이퍼 오염을 최소화하고 품질을 개선하며 생산 수율을 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

플라즈마 모니터링

플라즈마 샘플에 대해 측정 된 방출 스펙트럼을 통한 플라즈마 모니터링은 플라즈마 기반 공정을 제어하는 ​​데 필요한 중요한 플라즈마 매개 변수의 상세한 원소 분석 및 결정을 제공 할 수 있습니다. 방출 선의 파장은 플라즈마에 존재하는 원소를 식별하며, 방출 선 강도는 공정 제어를 위해 실시간으로 입자 및 전자 밀도를 정량화하는 데 사용됩니다.

가스 혼합물, 플라즈마 온도 및 입자 밀도를 포함한 매개 변수는 플라즈마 공정을 제어하는 ​​데 중요합니다. 다양한 가스 또는 입자를 플라즈마 챔버에 도입하여 이러한 매개 변수를 변경하면 플라즈마 특성이 변경되어 플라즈마 기판 상호 작용에 영향을줍니다. 플라즈마를 실시간으로 모니터링하고 제어 할 수있는 기능은 프로세스와 결과를 개선합니다.

예를 들어, 플라즈마 모니터링은 플라즈마 기반 에칭 공정에서 공정 제어에 중요합니다. 반도체 산업에서 웨이퍼는 리소그래피 기술을 사용하여 제조 및 조작됩니다. 에칭은 재료를 매우 특정한 두께로 적층 할 수있는이 공정의 주요 부분입니다. 층이 웨이퍼 표면에 에칭 될 때, 플라즈마 모니터링은 웨이퍼 층을 통한 에칭을 추적하고 플라즈마가 특정 층을 완전히 에칭하고 다음 층에 도달 한시기를 결정하는 데 사용됩니다. 에칭 중에 플라즈마에 의해 생성 된 방출 선을 모니터링함으로써 에칭 프로세스를 정확하게 따를 수 있습니다. 이 엔드 포인트 검출은 플라즈마 기반 에칭 공정을 사용하는 반도체 재료 생산에 중요합니다.

플라즈마 모니터링 설정

플라즈마 모니터링은 HR 시리즈 또는 Ocean Insight의 Maya2000 Pro 와 같은 고해상도 분광기를 사용하여 유연한 모듈 식 설정으로 관리 할 수 ​​있습니다 (후자는 UV 가스에 널리 사용되는 옵션 임). 모듈 식 설정의 경우 HR 분광기를 태양 광화 저항성 광섬유 와 결합 하여 챔버에서 형성된 플라즈마에서 정 성적 방출 데이터를 수집 할 수 있습니다 . 정량적 측정이 필요한 경우 사용자는 데이터를 비교하고 알려지지 않은 방출 선, 피크 및 밴드를 신속하게 식별 할 수있는 타사 스펙트럼 라이브러리를 추가 할 수 있습니다.

진공 챔버에서 형성된 플라즈마를 모니터링 할 때 중요한 고려 사항은 챔버에 대한 인터페이스입니다. 기기 구성 요소를 진공 챔버에 삽입하거나 뷰포트를 통해 플라즈마를 볼 수 있도록 설정할 수 있습니다. 챔버의 가혹한 조건을 견디도록 설계된 진공 피드 스루 어셈블리 또는 맞춤형 섬유를 사용하여 구성품을 플라즈마 챔버에 연결할 수 있습니다.

뷰포트를 통해 플라즈마를 모니터링하려면 측정 할 플라즈마 필드의 크기에 따라 코사인 보정기 또는 시준 렌즈와 같은 샘플링 액세서리가 필요할 수 있습니다. 샘플링 액세서리가 없으면 섬유에서 플라즈마까지의 거리가 이미지 영역을 결정합니다. 보다 국지적 인 수집 ​​영역에는 시준 렌즈를 사용하고 180 ° 시야각 이상의 집광에는 코사인 보정기를 사용합니다.

측정 조건

HR 시리즈 고분해능 분광기는 다른 가스가 플라즈마 챔버로 유입 될 때 아르곤 플라즈마 방출의 변화를 측정하는 데 사용되었습니다. 챔버 외부의 작은 창을 통해 방출 스펙트럼을 수집하는 분광기, 섬유 및 코사인 보정기를 사용하여 닫힌 반응 챔버에 포함 된 플라즈마에 대한 스펙트럼 데이터를 수집했습니다 (그림 1).

그림1. 진공 챔버에서 플라즈마 측정을 위해 모듈 식 분광기 설정을 구성 할 수 있습니다.​

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200-1100nm (Grating HC-1, SLIT-25)에서 방출을 측정하도록 구성된 HR2000 + 고해상도 분광기 (~ 1.1nm FWHM 광학 해상도)는 태양 광 저항을 사용하여 코사인 보정기 (CC-3-UV)에 연결되었습니다. 섬유 (QP400-1-SR-BX 섬유). CC-3 UV 코사인 보 샘플링 액세서리 플라즈마 챔버에서 플라즈마 농도 및 측정 윈도의 불균일 오염의 어드레스 차이 취득 데이터를 선택 하였다. 다른 샘플링 옵션에는 시준 렌즈와 진공 피드 스루가 포함됩니다.

결과

플라즈마 챔버의 창을 통해 아르곤 플라즈마에 대해 측정 된 스펙트럼은 그림 2에 나와 있습니다. 690-900 nm의 강력한 스펙트럼 라인은 중성 아르곤 (Ar I)의 방출 라인이며 400-650 nm의 낮은 강도 라인은 단일 이온화 된 아르곤 원자 (Ar II). 그림 2에 표시된 방출 스펙트럼은 플라즈마 방출에 대해 측정 된 풍부한 스펙트럼 데이터의 좋은 예입니다. 이 스펙트럼 정보는 반도체 제조 과정에서 플라즈마 기반 공정을 모니터링하고 제어하기위한 중요한 매개 변수의 범위를 결정하는 데 사용할 수 있습니다.

그림2. 아르곤 플라즈마의 방출은 진공 챔버 창을 통해 측정됩니다.

수소 가스는 특성을 변경하기 위해 아르곤 플라즈마에 추가 할 수있는 2 차 가스입니다. 그림 3에서 아르곤 플라즈마에 수소 가스를 추가하는 효과는 챔버에 수소 가스의 농도가 증가함에 따라 표시됩니다. 아르곤 플라즈마의 특성을 변화시키는 수소 가스의 능력은 700-900 nm 사이의 아르곤 라인의 강도가 감소하는 반면, 수소 가스의 농도 증가는 350- 사이의 수소 라인의 출현에 반영됩니다. 450nm. 이 스펙트럼은 플라즈마 특성에 대한 2 차 가스의 영향을 평가하기 위해 실시간으로 플라즈마 방출을 측정하는 힘을 보여줍니다. 관찰 된 스펙트럼 변화는 원하는 플라즈마 특성을 달성하기 위해 최적의 양의 2 차 가스를 챔버에 추가하는 데 사용할 수 있습니다.

그림3. 아르곤 플라즈마에 수소 가스를 추가하면 스펙트럼 특성이 변경됩니다.

그림 4 - 5, 발광 스펙트럼은 전 실로 시스 가스의 첨가 후 도시 플라즈마 측정. 시스 가스는 샘플 주입기와 샘플 사이의 접촉을 감소시켜 샘플 증착 및 캐리 오버로 인한 문제를 줄이는 데 사용됩니다. 그림 4에서 아르곤 플라즈마 방출 스펙트럼은 외장 가스를 추가하기 전에 표시됩니다. 외장 가스를 추가 한 후 측정 된 방출 스펙트럼은 그림 5에 나와 있습니다. 외장 가스를 추가하면 400 nm 바로 아래에서 ~ 520 nm에서 넓은 스펙트럼 라인의 손실에서 볼 수 있듯이 아르곤 방출 스펙트럼이 변경됩니다.

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그림4. 아르곤 플라즈마 방출은 외장 가스를 추가하기 전에 진공 챔버에서 측정됩니다.

그림5. 외장 가스를 추가하면 아르곤 방출 특성이 400nm 이하와 ~ 520nm에서 눈에 띄게 다릅니다.

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결론

UV-Vis-NIR 분광법은 플라즈마 방출을 측정하는 강력한 방법으로 플라즈마 기반 공정의 원소 분석 및 정밀 제어를 가능하게합니다. 여기에 표시된 데이터는 플라즈마 모니터링을위한 모듈 식 분광법 접근 방식의 힘을 보여줍니다. HR2000 + 고해상도 분광기 및 모듈 식 분광법 접근법은 챔버 조건이 조정될 때 플라즈마 챔버의 창을 통해 플라즈마 방출 스펙트럼을 측정하는 데 잘 작동했습니다.

UV에서 탁월한 반응을 보이는 Maya2000 Pro를 포함하여 추가 플라즈마 모니터링 옵션을 사용할 수 있습니다. 또한 분광기와 하위 시스템을 다른 장치에 통합하고 기계 학습 도구와 결합하여 플라즈마 챔버 조건을 더욱 정교하게 제어 할 수 있습니다.

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