プラズマエッチングプロセスの応用と分光計によるエンドポイントモニタリング

1. 背景

プラズマエッチングは、半導体製造やその他のマイクロ/ナノ加工分野で広く使用されているドライエッチング技術です。プラズマ中の高エネルギーイオンとラジカルを利用して、材料表面を物理的に衝撃し、化学的に反応させることで、精密な材料エッチングを実現します。プラズマエッチングプロセスは、荷電粒子間の相互作用や化学反応の速度とメカニズムなど、複雑な物理的および化学的相互作用を含みます。これらのプロセスを理論的に完全にシミュレーションおよび分析することは困難であり、実験的手法によるリアルタイムモニタリングと制御が必要となります。

2. 方法

エッチングプロセスを監視する方法は、質量分析法、ラングミュアプローブ、インピーダンス法、光反射法、光発光分光法（OES）など、さまざまです。これらのうち、OESは広く使用されている主流のエンドポイント検出技術です。OESは、特定の条件下で放出されるスペクトルを測定することにより、物質の組成と特性を決定するリアルタイムのインシチュ分析技術です。プラズマエッチングプロセスを妨げることなく、エッチングプロセスにおけるエンドポイントの変化やパラメータの変動を検出できます。

3. OESモニタリングの原理

プラズマエッチングプロセスにおいて、OESによって検出される元素は、エッチングされる材料の組成と、エッチング中に形成される可能性のある反応生成物および揮発性基によって異なります。OESは、プラズマから放出されるスペクトルを分析することにより、元素の種類と濃度を決定し、それによってエッチングプロセスを監視します。

具体的には、OESは、金属元素（アルミニウム、銅、鉄など）、非金属元素（シリコン、酸素、窒素など）、およびエッチング中に形成される可能性のある揮発性化合物などの元素を検出できます。半導体製造では、プラズマエッチングがシリコンベースの材料によく使用されるため、OESはシリコンのスペクトル特性に焦点を当てます。さらに、フッ素または塩素含有ガス（SF6、Cl2など）がエッチング中に使用される場合、OESはフッ素または塩素のスペクトル信号も検出する可能性があります。

OESによって検出される元素と濃度は、プラズマ励起条件、分光計の分解能と感度、およびサンプルの特性などの要因によって影響を受けます。したがって、特定のエッチングプロセスと材料に基づいて、適切なOES検出条件とパラメータを選択する必要があります。

高度なモニタリング技術として、OESは半導体エッチングプロセス、特にエンドポイント検出において重要な役割を果たします。エッチングプロセスが進み、トップフィルムが徐々に除去され、基材が露出すると、プラズマ内のガス環境が大きく変化します。この変化は、基材から放出される揮発性エッチング副生成物によるものであり、プラズマ中の中性物質の濃度とその対応する発光スペクトル強度に直接影響します。OES信号の時間的変動を継続的に監視することにより、誘電体層のエッチングの進行状況を正確に追跡し、過剰エッチングを効果的に防止できます。

OESは、プラズマ内の不純物信号も検出できます。エッチングマシンの正常および異常な動作条件下では、OESスペクトルに大きな違いが見られ、潜在的なシステムの問題を診断するための強力なツールとなります。たとえば、スペクトルを比較することで、空気漏れ、質量流量コントローラー（MFC）の不適切な調整による補助ガス流量の異常、または不純物ガスによる汚染があるかどうかを迅速に特定できます。

OESは、プラズマとエッチングの均一性を評価でき、ウェーハ全体にプラズマと化学エッチャントを均一に分布させることで高品質のエッチングを実現するために不可欠です。マルチ光路測定方法を使用することで、OESは半径方向のエッチング均一性分布をマッピングし、プロセス最適化のための貴重なデータを提供できます。実験により、異なるウェーハ位置でのOES信号強度とエッチング均一性の密接な関係が示されています。プラズマパラメータを動的に調整することで、半径方向のエッチングの不均一性を効果的に制御し、低減できます。

OESは、線形発光スペクトルを介して、プラズマ内の中性粒子、イオン、およびラジカルの濃度を定量的に測定できます。既知の濃度を持つ不活性ガス（低濃度Arなど）を曝露ガスとして使用し、その特性発光線が測定対象の活性化学イオンのものに似ているため、プラズマ粒子の相対濃度を間接的に計算できます。

Cl2とAr混合ガスエッチング環境では、Cl2濃度とRF電力の関係は複雑です。実験データは、明視野モードでは、スペクトル強度がRF電力の増加とともに減少することを示しており、複雑なプラズマ環境におけるOESの感度と応用価値を強調しています。

OESは、コンポーネントの識別が容易で、エッチング装置との高い統合性があり、新しいプロセスの開発と分析を強力にサポートしているため、エンドポイント検出で好ましいツールです。ただし、データの解釈の複雑さと大量の生データは、実際のアプリケーションにおける課題となります。

4. システムコンポーネント

OES検出システムは、Jinsp SR100Q分光計のような機器を使用できます。これは、広い波長範囲（UV-可視-近IR）、高分解能、低迷光、高感度、低ノイズ、高信号対雑音比、および高速試験のための簡単なソフトウェア統合を提供します。アンチエイジングファイバーとコサインコレクターを使用してカスタマイズし、モニタリングシステムをセットアップできます。コサインコレクターは、反応チャンバーから窓を通してプラズマスペクトルを収集し、光ファイバーを介して分光計に信号を送信して処理し、分析用のモニタリングスペクトルを出力します。