к.ф.-м.н. Ю.C. Кравченко, к.т.н. О.О. Селецька

Вінницький національний технічний університет

Підвищення ефективності

емісійно-спектрального контролю в плазмовій технології

Ефективність контролю в мікроелектронній плазмохімічній технології, яка на даний час практично безальтернативно забезпечує точність відтворення функціонального рельєфного рисунку на кремнієвих пластинах до Ø300 мм на рівні £ 0,13 мкм [1] пов’язана з суттєвим зменшенням розмірів функціональних елементів інтегральних мікросхем і їх ущільненням в межах самої мікросхеми. В основу розробок сучасних систем контролю за ходом технологічного процесу при плазмохімічному травленні мікроструктур здебільшого покладено емісійно-спектральний метод дослідження параметрів нерівноважної плазми [2], сутність якого полягає в реєстрації та дослідженні оптичного спектру власного випромінювання збуджених атомів та молекул [3]. Перевагами такого методу є можливість відносно простого оперативного отримання інформації про хід цільового технологічного процесу і його безконтактність.

При достатньо великому співвідношенні сигнал/шум відносно прості задачі управління, наприклад, визначення моменту закінчення цільового процесу травлення, вирішуються на основі візуальної інтерпретації кінетичних кривих сигналу реального часу і порівнянням зі зразковими записом сигналу. Однак, із зменшенням площі пластини, яка піддається плазмовому травленню складова шуму у співвідношенні сигнал/шум збільшується і визначення моменту закінчення цільового процесу травлення на основі візуальної інтерпретації кінетичних кривих сигналу реального часу та порівнянням зі зразковими записом сигналу є утрудненим [1].

Підвищення ефективності емісійно-спектрального контролю за таких умов можливе за рахунок спрощення структури контролюючих приладів і використання в якості інформаційного сигналу інтегрального власного випромінювання декількох спектральних ліній або смуг продуктів розкладання основної молекули плазмоутворюючого газу.

Як приклад, розглянемо використання в якості плазмоутворюючого газу чотирихлористого вуглецю або тетрахлорметану (CCl₄), який широко використовується при плазмохімічному травленні мікроструктур з арсеніду галію, металевих плівок (Al, Cu), інших матеріалів, що знайшли застосування в сучасній мікро- та наноелектроніці.

Дослідження плазми чотирихлористого вуглецю [4, 5] показали, що в первинних актах розкладання в плазмі основної молекули утворюються радикали CCl₃, CCl₂, атоми та молекули хлору. Радикали CCl утворюються лише у вторинних хімічних реакціях і їх концентрація в плазмі не є значною (приблизно 1-2 %). В той же час найбільшу концентрацію в такій плазмі мають радикали CCl₂, які є достатньо хімічно активними, і атоми хлору [6].

Логічно було б передбачити, що інтенсивність випромінювання цих частинок повинна бути найбільшою і придатною для використання відповідних спектральних ліній або смуг в якості інформаційних сигналів при організації емісійно-спектрального контролю за ходом цільового технологічного процесу, оскільки інтенсивність спектральних ліній і смуг напряму залежить від концентрації відповідних збуджених частинок плазми [5-6], а зміна цієї концентрації внаслідок взаємодії хімічно активних частинок плазми з поверхнею твердого тіла буде опосередковано відображати в часі хід процесу травлення тої чи іншої структури.

Аналіз спектру випромінювання нерівноважної плазми [4], що збуджується в газовій суміші на основі чотирихлористого вуглецю (рис. 1) показує, що використання в якості джерел інформаційного сигналу для здійснення емісійно-спектрального контролю випромінюючих переходів збуджених радикалів CCl₂ є недоцільним, оскільки відповідні спектральні смуги не є достатньо інтенсивними на фоні континууму і не вирізняються хорошою роздільною здатністю. Використання ж спектральних смуг радикалів CCl₃ та CCl недоцільне крім того внаслідок малої відносної концентрації цих радикалів в плазмі.

Рис. 1. Спектр випромінювання плазми постійного струму в CCl₄, в області 400 - 800 нм;

р = 60 Па, j = 4 мА/см²

В той же час, в області довжин хвиль 725,6 – 754,4 нм спостерігаються спектральні лінії атомарного хлору (перша позитивна система), які є достатньо інтенсивними і відокремленими від інших спектральних ліній або смуг. Атоми хлору при розкладанні в плазмі основної молекули плазмоутворюючого газу мають одну з найбільших концентрацій, хімічно дуже активні при взаємодії такої плазми з поверхнею твердого тіла, а значить, вступаючи в хімічні реакції з матеріалом поверхні напівпровідникової пластини, змінюють свою відносну концентрацію, що безперечно змінить інтенсивність випромінюючих переходів для збуджених атомів хлору. Крім того, розташування цих спектральних ліній на спектральній характеристиці і їх відокремленість і в той же час компактність дозволяє використовувати для організації спектрального контролю не одну з цих ліній, а їх сукупність, тобто, використовувати сумарне інтегральне випромінювання кількох спектральних ліній, що безумовно суттєво підвищить чутливість відповідних фотоперетворювальних сенсорів.

Крім підвищення чутливості, використання в якості джерела інформаційного сигналу спектральні лінії збуджених атомів хлору в діапазоні довжин хвиль 725,6 – 754,4 нм для чотирихлористого вуглецю як плазмоутворюючого газу [7] дає можливість відмовитись від використання спектральних приладів - оптичних інтерференційних фільтрів, які, зазвичай використовуються для виділення певної спектральної лінії або смуги, придатної для застосування в якості джерела інформаційного сигналу, оскільки максимум спектральної чутливості деяких фотодетекторів на основі кремнію або селеніду кадмію [8] як раз і знаходиться у вказаному діапазоні, а область чутливості таких детекторів практично співпадає з зазначеним діапазоном довжин хвиль.

Література

1. Орликовский А.А. Диагностика in situ плазменных технологических процессов микроэлектроники: Современное состояние и ближайшие перспективы. Часть IV / А.А. Орликовский, К.В.Руденко, Я.Н.Суханов // Микроэлектроника. – 2001. – Т.30. – № 6. – С.403 – 433.

2. Методы исследования плазмы: Пер. с англ. /Под ред. В.Лохте-Хольдгревена. – М.: Мир, 1971. – 552 с.

3. Данилин В.С. Контроль процессов травления материалов в низкотемпературной газоразрядной плазме / В.С.Данилин, В.Ю.Киреев, В.А.Каплин, Э.А.Лебедев, Н.Н.Федоров // Приборы и техника эксперимента. – 1982. – № 1. – С. 13 –28.

4. Кравченко Ю.С. Начальные стадии разложения тетрахлорметана в неравновесных электрических разрядах / Ю.С. Кравченко, B.C.Осадчук, Д.И.Словецкий, В.Н.Коровянко // Химия высоких энергий. - 1989. - Т.23. - № 5. - С.444 - 449.

5. Кравченко Ю.С. Релаксаційний метод дослідження плазмохімічних процесів / Ю.С. Кравченко, B.C.Осадчук, С.Ю.Кравченко // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2006. - № 1 (11). - С.215 - 121.

6. Кравченко Ю.С. Кинетика образования и гибели атомов и молекул хлора, хлоруглеродных радикалов в тлеющем разряде в тетрахлорметане / Ю.С. Кравченко, B.C.Осадчук, Д.И.Словецкий, С.В.Таранов // Химия высоких энергий. - 1989. - Т.23. - № 6. - С.539 - 544.

7. Патент України № 95442, Н01L 21/306 (2006.01). Спосіб визначення моменту закінчення процесу плазмохімічного травлення мікроструктур в хлорвуглецевій плазмі / Кравченко Ю. С., Коломієць В. І. – 2014. – Бюл. 24.

8.Справочник по приемникам оптического излучения / В.А.Волков, В.К.Гассанов, и др. – К.: Техніка, 1985. – 216 с.