Использование спектроскопии для мониторинга плазмы

Плазма используется во многих областях спектроскопии. Чаще всего это осаждение тонких пленок и травление фоторезиста для полупроводников и солнечных коллекторов, но плазма также находит применение в биомедицине и авиакосмической промышленности, а также в других отраслях промышленности. Плазменная диагностика требует высокого разрешения спектров и высокоскоростного сбора данных, которыми известна Avantes. Инструменты Avantes можно найти в исследованиях плазмы и в промышленных средах по всему миру.

Плазма - одно из четырех основных состояний материи, но она не существует на Земле в природе: это ионизированный газ под давлением, подвергающийся интенсивному нагреву или электромагнитным полям до такой степени, что электроны и положительные ионы не связаны. Что отличает плазму от других состояний материи, так это ее поведение. Скорость атомов в плазме выше, чем в газе. Это движение заряженных частиц создает электрический ток в магнитном поле, и хотя общий заряд плазмы обычно нейтрален, она также обладает высокой проводимостью.

Несмотря на то, что плазма редка при нормальных земных условиях, плазма считается преобладающим состоянием материи во всей Вселенной. Например, солнце и звезды являются примерами полностью ионизированной плазмы, в то время как неоновое освещение ионизировано лишь частично.

Приложения

Когда вещество превращается в плазму, это можно контролировать с помощью оптической эмиссионной спектроскопии (OES). Поскольку спектр излучения каждого атома уникален, можно измерить спектры и идентифицировать атомы, присутствующие в плазме. Мониторинг плазмы используется в различных отраслях промышленности для выявления и обнаружения добавок в процессе плазменной резки и во время нее или для управления процессом или последовательностью в целом. В полупроводниковой промышленности мониторинг плазмы используется для измерения процесса травления фоторезиста, светочувствительного материала, который используется для формирования узорчатого покрытия на поверхности. Мониторинг плазмы облегчает процесс, например, за счет обнаружения конечной точки. Оптическую эмиссионную спектроскопию можно использовать для контроля загрязнения и перемещения углеводородов из элементов стенок камеры. OES может также использоваться для мониторинга совместного осаждения дейтерия и трития. OES часто используется в биохимической промышленности для отслеживания модификаций поверхности с помощью плазменного травления для улучшения биосовместимости материалов. Тонкие слои углеродных примесей обнаруживаются на оптических компонентах как в термоядерных реакторах, так и в устройствах литографии, что снижает отражательную способность зеркал. Плазменное травление было предложено как метод удаления этих примесей без повреждения оптики. Оптическая эмиссионная спектроскопия - подходящий инструмент для мониторинга процесса травления в определенных местах.

Рисунок 1. Глубина травления и интенсивность спектрального пика 431 нм для мониторинга содержания CH

OES в производстве интегральных схем

Плазменная обработка - один из наиболее широко используемых методов в современном производстве электроники, особенно когда речь идет о производстве интегральных схем (ИС) и других типов микроэлектроники. Многие крупномасштабные ИС могут содержать до четырехсот различных отдельных слоев, и для создания таких сложных структур каждый слой обычно требует как эпитаксиального роста, так и стадии плазменного травления. Для правильной работы ИС во время процесса травления очень важно, чтобы материал из вновь нанесенного травимого слоя был полностью удален без повреждения последующего слоя ниже. Чтобы еще больше усложнить процесс, плазменное травление должно выполняться под вакуумом, чтобы предотвратить отложение нежелательных загрязнений. К счастью, в процессе ионизации ионизированному материалу передается огромное количество энергии, что приводит к высвобождению огромного количества света.

Использование изменений в энергетическом состоянии

Это излучение фотонов происходит из-за того, что атомы сначала возбуждаются до более высокого электронного состояния, а затем самопроизвольно опускаются обратно в основное состояние. Во время этого процесса, поскольку полная энергия сохраняется, испускаемые фотоны должны иметь энергию, равную разнице между состоянием возбуждения и основным состоянием. Количество энергии, передаваемой в этом процессе, является уникальным свойством конкретного вида атома, претерпевающего переход. Поскольку частота света и, следовательно, его длина волны прямо пропорциональны энергии фотона, собирая излучаемый свет и измеряя его спектр, можно определить, какие элементы присутствуют. Этот метод - оптическая эмиссионная спектроскопия - дает инженерам-технологам возможность контролировать процесс плазменного травления и определять конечную точку, когда слой полностью удален. Предоставляя возможность мониторинга в реальном времени, производители ИС могут полностью автоматизировать процесс травления, не опасаясь, что слой будет чрезмерно или недотравлен. На рис. 1 показан пример этого процесса, в котором линия CH 431 нм отслеживалась во время процесса травления путем сбора излучения и подключения его к одному из наших спектрометров через оптоволоконный кабель. Кроме того, OES имеет внутреннее преимущество, заключающееся в автоматическом уведомлении пользователя о достижении предыдущего слоя роста по появлению спектральных линий, соответствующих слою ниже.

Работа в вакууме

Когда это возможно, предпочтительно контролировать процесс через смотровое окно в вакуумной камере с использованием собирающей линзы, иногда называемой коллимирующей линзой, расположенной рядом с окном для передачи света в оптоволоконный кабель. К сожалению, для многих крупномасштабных промышленных реакторов эпитаксиального роста и установок плазменного травления это не всегда возможно, в этих случаях необходимо использовать оптоволоконные вводы с вакуумным уплотнением, чтобы приблизить волокно к пластине. Хотя более сложные, вакуумные проходные волоконно-оптические сборки представляют собой готовые технологии, которые коммерчески доступны.

Разрешение - это ключ

Как и большинство методов атомной спектроскопии, OES обычно требует очень точного спектрального разрешения, чтобы различать схожие атомные частицы. По этой причине компактные спектрометры являются идеальным выбором для этого приложения. Например, AvaSpec-ULS4096-EVO может обеспечить разрешение 0,05 нм в диапазоне от 200 до 400 нм с использованием решетки плотности 3600-Grove. Кроме того, этот спектрометр имеет матрицу детекторов CMOS, которая идеально подходит для приложений с высоким уровнем освещенности, таких как это, из-за его превосходной линейности и динамического диапазона по сравнению с более широко используемыми детекторами CCD. В сочетании с запатентованным высокоскоростным электронным запуском, скоростью передачи данных и возможностями аналогового и цифрового ввода / вывода серия AvaSpec обеспечивает бесшовную интеграцию в высокоскоростные системы травления пластин.

Спектральный диапазон в зависимости от разрешения

В то время как некоторые системы OES могут быть спроектированы как «приспособленные к определенному назначению» инструменты, которым требуется только ограниченный спектральный диапазон для идентификации избранного числа атомных разновидностей, подавляющее большинство приложений OES включают идентификацию широкого диапазона элементов. В результате этим системам требуются довольно большие спектральные диапазоны, что приводит к фундаментальному ограничению спектрометров с фиксированной решеткой - обратной зависимости между спектральным диапазоном и разрешением. Инструменты Avantes для OES имеют оптическую конструкцию, которая обеспечивает превосходный отклик, обеспечивая разрешение 0,5 нм во всем диапазоне от 200 до 1100 нм. Кроме того, эти спектрометры спроектированы так, чтобы их можно было мультиплексировать или объединять вместе, что позволяет работать в многоканальном режиме. Это позволяет оптимизировать каждый спектрометр в системе для получения спектрального разрешения в небольшом диапазоне, обычно от 200 до 300 нм. В этих мультиплексированных системах собранный сигнал OES может быть равномерно разделен между приборами с помощью многоканального волоконно-оптического пучка. Это обеспечивает более стабильную, быструю и менее дорогую альтернативу большому сканирующему спектрометру. В зависимости от предпочтений интегратора эти многоканальные спектрометрические системы доступны как в виде отдельных компонентов плат OEM, так и в виде нестандартных систем для монтажа в стойку под ключ, как показано на рис. 3.

Рисунок 2. Спектрометр AvaSpec-ULS4096CL-EVO

Рисунок 3. Многоканальные волоконно-оптические спектрометры AvaSpec

Другие приложения для оптической эмиссионной спектроскопии

Хотя обнаружение конечной точки травления полупроводниковой плазмой является наиболее популярным применением OES, используемым на сегодняшний день, эта технология также имеет множество научных и исследовательских приложений. Полный анализ каждого из этих вариантов выходит за рамки данной заметки по применению, но здесь стоит кратко упомянуть некоторые из них. Оптическая эмиссионная спектроскопия широко применяется на металлургических заводах для контроля чистоты стали, меди и алюминия путем измерения эмиссии этих металлов в мутантной форме. OES также может использоваться в лабораториях контроля качества в качестве недорогой альтернативы масс-спектрометрии (МС), особенно в сочетании с индуктивно связанной плазмой (ICP). ИСП-ОЭС обычно используется в автомобильной, авиационной и перерабатывающей промышленности для быстрого анализа с целью проверки содержания элементов там, где ИСП-МС будет излишним. OES также эффективно используется для мониторинга спектра лазерной абляции в процессах аддитивного производства металлов.

© Avantes

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Avantes на территории РФ