تطبيقات عملية حفر البلازما ومراقبة النقاط النهائية باستخدام مقاييس الطيف

1. الخلفية

النقش بالبلازما هو تقنية نقش جاف تستخدم على نطاق واسع في تصنيع أشباه الموصلات وغيرها من مجالات المعالجة الدقيقة/النانوية. وهي تستخدم أيونات وجذور عالية الطاقة في البلازما للقصف المادي والتفاعل الكيميائي مع سطح المادة، مما يحقق نقشًا دقيقًا للمادة. تتضمن عملية النقش بالبلازما تفاعلات فيزيائية وكيميائية معقدة، بما في ذلك التفاعلات بين الجسيمات المشحونة ومعدلات وآليات التفاعلات الكيميائية. من الصعب محاكاة هذه العمليات وتحليلها بالكامل نظريًا، مما يتطلب مراقبة وتحكمًا في الوقت الفعلي من خلال الأساليب التجريبية.

2. الأساليب

هناك طرق مختلفة لمراقبة عملية النقش، مثل قياس الطيف الكتلي، ومجسات لانجمير، وطرق المعاوقة، وقياس الانعكاس البصري، وقياس طيف الانبعاث البصري (OES). من بين هذه الطرق، يعد OES تقنية رئيسية مستخدمة على نطاق واسع للكشف عن نقطة النهاية. OES هي تقنية تحليل في الموقع وفي الوقت الفعلي تحدد تكوين وخصائص المواد عن طريق قياس الأطياف المنبعثة في ظل ظروف معينة. لا يعطل عملية النقش بالبلازما ويمكنه اكتشاف تغييرات نقطة النهاية وتغيرات المعلمات في عملية النقش.

3. مبدأ مراقبة OES

في عملية النقش بالبلازما، تعتمد العناصر التي يكتشفها OES على تكوين المادة المنقوشة والمنتجات المحتملة للتفاعل والمجموعات المتطايرة المتكونة أثناء النقش. يحدد OES أنواع وتركيزات العناصر عن طريق تحليل الأطياف المنبعثة من البلازما، وبالتالي مراقبة عملية النقش.

على وجه التحديد، يمكن لـ OES اكتشاف عناصر مثل العناصر المعدنية (مثل الألومنيوم والنحاس والحديد) والعناصر غير المعدنية (مثل السيليكون والأكسجين والنيتروجين) والمركبات المتطايرة التي قد تتشكل أثناء عملية النقش. في تصنيع أشباه الموصلات، حيث غالبًا ما يستخدم النقش بالبلازما للمواد القائمة على السيليكون، يركز OES على الميزات الطيفية للسيليكون. بالإضافة إلى ذلك، إذا تم استخدام الغازات المحتوية على الفلور أو الكلور (مثل SF6 و Cl2) أثناء النقش، فقد يكتشف OES أيضًا إشارات طيفية للفلور أو الكلور.

تتأثر العناصر والتركيزات التي يكتشفها OES بعوامل مثل ظروف إثارة البلازما، ودقة المطياف وحساسيته، وخصائص العينة. لذلك، يجب تحديد ظروف ومعلمات الكشف المناسبة لـ OES بناءً على عمليات ومواد النقش المحددة.

باعتباره تقنية مراقبة متقدمة، يلعب OES دورًا حاسمًا في عمليات النقش لأشباه الموصلات، وخاصة في الكشف عن نقطة النهاية. مع تقدم عملية النقش وإزالة الفيلم العلوي تدريجيًا، مما يكشف عن المادة الأساسية، تتغير البيئة الغازية داخل البلازما بشكل كبير. هذا التغيير، بسبب نواتج النقش المتطايرة التي تطلقها المادة الأساسية، يؤثر بشكل مباشر على تركيز المواد المحايدة في البلازما وشدة الأطياف المنبعثة المقابلة لها. من خلال المراقبة المستمرة للتغيرات الزمنية لإشارة OES، يمكن تتبع تقدم النقش للطبقة العازلة بدقة، مما يمنع بشكل فعال النقش الزائد.

يمكن لـ OES أيضًا اكتشاف إشارات الشوائب داخل البلازما. في ظل ظروف التشغيل العادية وغير الطبيعية لآلة النقش، يُظهر طيف OES اختلافات كبيرة، مما يوفر أداة قوية لتشخيص مشكلات النظام المحتملة. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي مقارنة الأطياف إلى تحديد ما إذا كان هناك تسرب للهواء، أو تعديل غير صحيح لوحدات التحكم في التدفق الكتلي (MFC) مما يتسبب في حدوث تشوهات في تدفق الغاز المساعد، أو التلوث بغازات الشوائب.

يمكن لـ OES تقييم تجانس البلازما والنقش، وهو أمر بالغ الأهمية لتحقيق نقش عالي الجودة من خلال ضمان التوزيع الموحد للبلازما والمواد الكيميائية النقاشة على الرقاقة. باستخدام طرق قياس متعددة المسارات البصرية، يمكن لـ OES رسم توزيع تجانس النقش الشعاعي، مما يوفر بيانات قيمة لتحسين العملية. أظهرت التجارب وجود علاقة وثيقة بين شدة إشارة OES في مواقع مختلفة من الرقاقة وتجانس النقش. يمكن أن يؤدي تعديل معلمات البلازما ديناميكيًا إلى التحكم بفعالية في عدم التجانس الشعاعي للنقش وتقليله.

يمكن لـ OES قياس تركيزات الجسيمات المحايدة والأيونات والجذور داخل البلازما كميًا من خلال أطياف الانبعاث الخطية. باستخدام الغازات الخاملة ذات التركيزات المعروفة (مثل تركيز منخفض من Ar) كغازات تعرض، والتي تشبه خطوط الانبعاث المميزة لها تلك الخاصة بالأيونات الكيميائية النشطة التي يتم قياسها، يسمح بالحساب غير المباشر للتركيزات النسبية لجسيمات البلازما.

في بيئات النقش المختلطة بغاز Cl2 و Ar، تكون العلاقة بين تركيز Cl2 وقوة التردد اللاسلكي معقدة. تظهر البيانات التجريبية أنه في وضع المجال الساطع، تنخفض شدة الطيف مع زيادة قوة التردد اللاسلكي، مما يسلط الضوء على حساسية OES وقيمة تطبيقه في بيئات البلازما المعقدة.

OES، بفضل سهولة تحديد المكونات، والتكامل العالي مع معدات النقش، والدعم القوي لتطوير وتحليل العمليات الجديدة، هو أداة مفضلة في الكشف عن نقطة النهاية. ومع ذلك، فإن تعقيد تفسير البيانات والحجم الكبير للبيانات الأولية يمثلان تحديات في التطبيقات العملية.

4. مكونات النظام

يمكن لنظام الكشف عن OES استخدام أدوات مثل مطياف Jinsp SR100Q، والذي يوفر تغطية واسعة لنطاق الطول الموجي (UV-visible-near IR)، ودقة عالية، وإضاءة متجولة منخفضة، وحساسية عالية، وضوضاء منخفضة، ونسبة إشارة إلى ضوضاء عالية، وتكامل سهل للبرامج للاختبار عالي السرعة. يمكن تخصيصه بألياف مضادة للشيخوخة ومصححات جيب التمام لإعداد نظام مراقبة. يجمع مصحح جيب التمام أطياف البلازما من غرفة التفاعل من خلال النافذة، وينقل الإشارات عبر الألياف الضوئية إلى المطياف للمعالجة، وإخراج أطياف المراقبة للتحليل.