Риск загрязнения металлами в испарителях ТМА
Испарители триметилалюминия (ТМА) для атомно-слоевого осаждения (ALD) при 50 градусах и 500 мбар требуют предельной чистоты. Нагреватели PFA могут выщелачивать следы металлов (Al, Fe, Cu) в пары ТМА, загрязняя осажденные пленки. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) измеряет уровни остатков катализатора на поверхностях PFA. Количественный анализ, проведенный 10 производителями инструментов ALD, показывает, что PFA с содержанием металла XPS ниже 0,1 ат.% выщелачивается.<0.5 ppb metals after 3000 hours, while PFA with >0.5 at% leaches >5 частей на миллиард, что приводит к дефектам пленки ALD.
Механизм выщелачивания металлов и XPS-обнаружение
PFA содержит остатки катализатора полимеризации (хром, никель, железо) и алюминий со стенок реактора. Эти металлы со временем диффундируют к поверхности и экстрагируются парами ТМА (который действует как сильный восстановитель). XPS измеряет поверхностную концентрацию металла (атомный %). Скорость выщелачивания коррелирует с содержанием металла на поверхности, а не с объемом.
| Класс ПФА | Содержание металла на поверхности XPS (в %) | Эл Личед (ppb) | Выщелоченное железо (ppb) | Выщелоченная медь (ppb) | Увеличение удельного сопротивления пленки ALD (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| Сверхчистый-(фторированный) | <0.05 | 0.2 | 0.1 | 0.05 | <0.5% |
| Высокая-чистота (малый остаток) | 0.1-0.2 | 0.8 | 0.4 | 0.2 | 1% |
| Стандартный рекламный ролик | 0.3-0.5 | 3 | 1.5 | 0.8 | 3-5% |
| Эконом класс | 0.5-1.0 | 8 | 4 | 2 | 10-15% |
| Переработано/перешлифовать | >1.0 | 20 | 10 | 5 | >25% |
Протокол измерений XPS для сертификации нагревателей
XPS-анализ поверхностей нагревателей из PFA после очистки растворителем (для удаления поверхностного загрязнения) должен измерять:
| Элемент | Приемлемый уровень (ат%) для класса ALD | Обнаруживается с помощью XPS? | Типичный источник |
|---|---|---|---|
| Алюминий (Ал 2п) | <0.05 | Да | Стены реактора |
| Железо (Fe 2p) | <0.02 | Да | Катализатор |
| Хром (Cr 2p) | <0.02 | Да | Катализатор |
| Никель (Ni 2p) | <0.02 | Да | Катализатор |
| Медь (Cu 2p) | <0.01 | Да | Загрязнение |
Эволюция поверхностного металла с течением времени
Свежий PFA имеет низкое содержание металлов на поверхности. В течение 3000 часов воздействия ТМА металлы диффундируют на поверхность. Для стандартного PFA:
| Время контакта | Поверхностный металл XPS (в %) | Суммарное содержание выщелоченного Al (ppb) | Приемлемо для ALD? |
|---|---|---|---|
| 0 часов | 0.08 | 0 | Да (начальный) |
| 500 часов | 0.15 | 1 | Да |
| 1000 часов | 0.25 | 2 | Маргинальный |
| 2000 часов | 0.40 | 4 | Нет |
| 3000 часов | 0.60 | 8 | Нет |
Для сверх-чистого PFA содержание металла XPS остается ниже 0,1 ат. % в течение 5000+ часов.
Чистота ТМА и ускорение выщелачивания
Более высокая чистота ТМА (более низкое содержание стабилизатора) увеличивает выщелачивание, поскольку стабилизаторы (триэтиламин) могут пассивировать поверхности. Для ТМА электронного класса (чистота 6N, без аминов) скорость выщелачивания в 2 раза выше, чем для ТМА более низкой чистоты с аминами. Для приложений ALD, использующих 6N TMA, указывайте только сверх-чистый PFA.
Толщина стенки и скорость выщелачивания
Выщелачивание – это поверхностное явление; увеличение толщины стенки не снижает извлечение металла. Для стандартного PFA со стенками 2,0 мм и . 3.0 мм скорость выщелачивания на единицу площади одинакова, поскольку источником металла является поверхностная концентрация, а не объемная диффузия. Более толстые стенки не способствуют чистоте; вместо этого используйте сверх-чистый PFA с тонкими стенками (1,5–2,0 мм), чтобы уменьшить площадь поверхности и связанное с ней выщелачивание.
Процедура предварительного-выщелачивания (прижигания-)
Чтобы уменьшить первоначальное выделение металла, выполните предварительное-выщелачивание: заполните нагреватель ТМА при температуре 60 градусов на 100 часов, выбросьте ТМА, затем установите. Это снижает последующее выщелачивание на 80 % для стандартного PFA и на 50 % для сверх-чистого PFA. Для инструментов ALD укажите сертифицированные нагреватели предварительного выщелачивания.
Руководство по техническим характеристикам испарителей ALD TMA
Для испарителей ТМА при 50 градусах и давлении 500 мбар укажите сверх-чистый PFA с содержанием металла на поверхности XPS ниже 0,1 ат% (суммарное количество Al+Fe+Cr+Ni+Cu). Требовать от поставщика сертификации XPS-анализа образцов производственных партий. Укажите предварительное-выщелачивание ТМА при температуре 60 градусов в течение 100 часов. Для толщины стенки достаточно 1,5 мм, чтобы минимизировать площадь поверхности. Для критически важных приложений ALD (DRAM, логические устройства) требуется ежеквартальный отбор проб ТМА для анализа металлов ICP-MS, заменяя нагреватели, когда содержание Al превышает 1 ppb. Надбавка за сверх-чистый PFA (на 50-100 % выше стандартного) оправдана предотвращением загрязнения пленок ALD в производстве полупроводников, где одна загрязненная партия стоит 100 000 -1 000 000 долларов США. Для систем НИОКР ALD может быть приемлемым PFA высокой чистоты с предварительным выщелачиванием.
