21 Методы контроля параметров плазмы и процессов плазменного травления.

Метод зондов Лангмюра

Зондовый метод, разработанный Лангмюром и Мотт-Смитом, применяется для измерения параметров плазмы на протяжении полувека. Метод основан на анализе вольт-амперной характеристики (ВАХ) зонда, погружённого в плазму. Принципиальная схема зондовых измерений и типичный вид зондовой характеристики приведены на рис.

Рассмотрим кратко общие соображения, относящиеся к применению зондов в стационарной незамагниченной плазме. В общем случае ток на зонд является алгебраической суммой токов, обусловленных потоками отрицательных и положительных зарядов. В зависимости от знака потенциала зонда относительно плазмы электрическое поле препятствует попаданию на зонд частиц того или иного знака. Практически вся разность потенциалов между плазмой и зондом сосредоточена в двойном электрическом слое - тонкой области на границе «плазма - поверхность зонда», - и лишь небольшая часть её (порядка e kTe 2 ) проникает в объем плазмы. Теория зондов Лангмюра основана на предположении, что внутри двойного слоя заряженные частицы движутся под действием электрического поля без столкновений. Поэтому применимость теории зондов ограничивается значениями давлений, при которых длина свободного пробега частиц превышает толщину двойного слоя.

Одним из значительных ограничений зондовой методики является немаксвелловское распределение энергий электронов в большинстве реальных условий разрядов. Но даже при этих ограничениях зондовый метод является наиболее распространённым при исследовании плазмы, техника и теория его непрерывно развиваются и усовершенствуются. В частности, можно отметить, что разработаны системы двойных, тройных и многоэлектродных зондов, позволяющие измерять параметры плазмы в безэлектродных разрядах, термоэлектронные зонды для надёжного измерения потенциала плазмы, в том числе в импульсных разрядах и т.д. Одним из важнейших достижений диагностики плазмы явилось создание зондовых методов измерения ФРЭЭ.

Масс-спектрометрия

Масс-спектрометрический метод контроля (МС) основан на разделении ионизованных атомов и молекул в зависимости от отношения e/m и последующем измерении соответствующих ионных токов. Величина ионного тока определяет интенсивность пика в масс-спектре, которая, в свою очередь, пропорциональна концентрации в плазме регистрируемого компонента с данным значением e/m. В зависимости от типа регистрируемых частиц данный метод позволяет получать богатую информацию как о составе активных частиц плазмы, так и о протекании процесса травления. Контроль процессов травления с помощью МС базируется на положении химической кинетики о том, что скорость реакции пропорциональна либо концентрации реагентов, либо продуктов реакции. Таким образом характер изменения интенсивностей пиков ХАЧ и продуктов взаимодействия отражает кинетику процесса, при этом появление в спектре пика продукта указывает на начало травления, а его исчезновение – на полное удаление слоя подвергаемого травлению материала.

К аппаратному обеспечению МС предъявляются следующие требования:

· диапазон масс и разрешающая способность, достаточные для регистрации реагентов, продуктов реакции и промежуточных соединений, а также остаточных газов и примесей с массой до 300 а.е.м;

· высокая чувствительность, поскольку даже следы некоторых веществ могут играть важную роль в процессе травления;

· высокое быстродействие (~ 0.1 сек), позволяющее регистрировать изменения концентраций компонентов плазмы в реальном масштабе времени;

· невосприимчивость к значительному разбросу энергии анализируемых ионов;

· способность работать при сравнительно высоких давлениях в ионном источнике;

· минимальное влияние на плазму.

Перечисленным требованиям в наилучшей степени удовлетворяют квадрупольные и времяпролетные масс-спектрометры, позволяющие фиксировать малейшие изменения концентраций частиц.

Оптико-спектральные методы

Оптико-спектральные методы включают группу методов, основанных на регистрации изучения плазмы, либо на эффектах взаимодействия с частицами плазмы электромагнитного излучения видимого и ближнего УФ диапазонов. Привлекательность и широкая распространенность этих методов обусловлены двумя основными факторами. Во-первых, эти методы являются невозмущающими, то есть не требуют введения в плазму зондирующих устройств, организации систем отбора газа из реакционной зоны и т.д. Это, с одной стороны, снимает ограничения контактных методов, возникающие при исследовании химически активной плазмы (коррозия диагностического оборудования, изменение состояния поверхности зондов и т.д.) и, с другой стороны, позволяет получать информацию, отражающую истинные параметры плазмы или процесса. Во-вторых, оптико-спектральные методы отличаются относительной простотой аппаратной реализации и хорошо развитой теорией обработки результатов измерений. Последнее предоставляет возможность контроля не только за относительными изменениями концентраций частиц и скоростей процессов, но и за их абсолютными величинами, что в ряде случаев представляет значительный интерес.

Абсорбционная спектроскопия

В основе метода лежит избирательное поглощение электромагнитного излучения оптического диапазона молекулярными компонентами плазмы. Зондирующее излучение из внешнего источника проходит через зону плазмы и регистрируется монохроматором (рис.).

Схема реализации метода абсорбционной спектроскопии: 1 - разрядная трубка, 2 - источник зондирующего излучения, 3 и 5 - источники питания, 4 - монохроматор, 6 - фотоэлектронный умножитель, 7 - усилитель, 8 - регистрирующее устройство

Ограниченность числа диагностируемых систем и низкая чувствительность в области малых давлений в настоящее время остаются основными сдерживающими факторами для более широкого использования абсорбционной спектроскопии для контроля технологических процессов плазменной обработки материалов.

Эмиссионная спектроскопия

Эмиссионный спектральный анализ является одним из самых распространенных методов исследования как массового состава активных частиц ННГП, так и гетерогенных плазменных процессов. В основе метода лежит регистрация собственного излучения возбужденных частиц плазмы и установление корреляций между интенсивностью излучения, концентрациями активных частиц и гетерогенных процессов с их участием.

Наиболее простым и получившим широкое распространение является первый из перечисленных вариантов, часто используемый для регистрации моментов начала и окончания процессов травления.

Контроль по изменению электрофизических параметров плазмы

Контроль моментов начала и окончания процессов травления в плазме может проводиться по изменению электрофизических параметров плазмы. Эти изменения имеют место вследствие изменения состава газовой фазы разряда за счет газификации продуктов гетерогенного взаимодействия.

Для регистрации момента окончания удаления фоторезиста в водородной плазме можно контролировать уровень отраженной ВЧ мощности, при этом окончание процесса соответствует установившемуся низкому уровню отраженной мощности. Для контроля момента окончания травления металлических диэлектрических пленок может быть использовано измерение тока датчика, выполненного в виде двух введенных в реактор электродов, подключенных к внешнему источнику постоянного напряжения.

Фактически такая система представляет двойной зонд Лангмюра, поэтому любое изменение состава плазмы при изменении концентрации продуктов травления в газовой фазе вызовет изменение тока в цепи зондов.

Тут ещё надо про отражённое лазерное излучение для контроля травления поверхности, но у меня ничего нет.