Resumo

Uma nova proposta no monitoramento da contaminação molecular na litografia é apresentada. Recentes avanços técnicos tornaram possível a execução do monitoramento continuo em tempo real, com significantes progressos na precisão e estabilidade, minimizando os efeitos das amostras de tubos. Esses progressos são obtidos com o uso de um monitor pequeno e barato que se dedica a monitorar um único local. Um monitor de ponto de uso dedicado oferece as seguintes vantagens em relação ao sistema convencional de amostragem de diversos pontos: monitoramento contínuo, nenhum evento de contaminação despercebido, comprimentos de amostras de tubos reduzidos de 20 - 30 metros para 2 - 3 metros e precisão 5 a 10 vezes melhor. Os progressos na precisão e na estabilidade são obtidos com a proposta de um monitor dedicado ao monitoramento de contaminação molecular. Como o monitor continuamente tira amostras do mesmo ambiente, a média de amostras pode ser usada de forma altamente eficaz para reduzir o limite de detecção. Isso é particularmente útil em ambientes quimicamente filtrados, nos quais as concentrações são geralmente baixas e estáveis. Um pacote de software de monitoramento automatizado pode plotar simultaneamente pontos relacionados aos dados por minuto e relacionados à média de operação de longa duração. As amostras de um minuto são usadas para detectar imediatamente o início de um evento de contaminação, e a média de operação de longa duração é usada para monitorar a contaminação de base nos níveis mais inferiores.

Palavras-chave: Contaminação molecular, espectrometria de mobilidade iônica (IMS), AMC, amônia, NH3, dióxido de enxofre, SO2

Introdução

Uma nova proposta no monitoramento da contaminação molecular em litografia é apresentada. Recentes avanços técnicos tornaram possível a execução do monitoramento continuo em tempo real com significantes progressos na precisão e estabilidade, minimizando os efeitos das amostras de tubos. Esses progressos são obtidos com o uso de um monitor pequeno e barato monitor, o AirSentry II, que se dedica a monitorar um único local. Anteriormente, era proibitivo, devido aos custos, realizar monitoramento contínuo da contaminação molecular em larga escala.

Os sistemas convencionais de monitoramento da contaminação molecular empregam um sistema de coleta de amostras de ar em vários pontos conectado a um analisador. Essa proposta de monitoramento evoluiu para uma prática normal, impulsionada pela necessidade de se monitorar vários locais com um custo razoavelmente menor. Entretanto, questões importantes surgem no ambiente atual de fabricação do semicondutor de 193 nm, e as técnicas restritivas de monitoramento atualmente em uso começam a mostrar suas fraquezas. As maiores desvantagens do uso do monitoramento convencional são:

• Período de tempo pequeno das medições reais e registradas por dia em cada local
• Efeitos dos longos comprimentos das amostras de tubos
• Tempos de resposta e de liberação do analisador quando as concentrações de um ponto de amostra adjacente difere significantemente
• Aptidão mínima para calcular média das amostras para aumentar a precisão.

Por exemplo, um sistema de amostragem com sessenta pontos com um ciclo de amostras de 10 minutos (9 minutos para purgar, um minuto para colher a amostra) levará 600 minutos, ou 10 horas, para colher amostras de todos os locais. Cada local será monitorado um 1 minuto a cada 10 horas, o que deixará cada local sem monitoramento pelas restantes nove horas e 59 minutos. Certamente, o controle de qualidade não pode ser mantido com essa metodologia de monitoramento.

O monitor de ponto de uso dedicado oferece as seguintes vantagens em relação ao sistema convencional de amostragem de diversos pontos:

• Monitoramento contínuo
• Nenhum evento de contaminação despercebido
• Redução do comprimento das amostras de tubo de 20 - 30 metros para 2 - 3 metros. A redução dos comprimentos de amostras de tubos minimiza interações entre as moléculas de contaminação e a superfície dos tubos.
• Precisão cinco a dez vezes maior em relação à tecnologia existente.

Os progressos na precisão e na estabilidade são obtidos com a proposta de um monitor dedicado ao monitoramento de contaminação molecular. Como o monitor continuamente tira amostras do mesmo ambiente, a média de amostras pode ser usada de forma altamente eficaz para reduzir o limite de detecção. Em uma aplicação, por exemplo, o limite de detecção para amostras de um minuto é 120 ppt e o limite de detecção para a média dos valores de 60 minutos é 8,2 ppt. Isso é particularmente útil em ambientes quimicamente filtrados, nos quais as concentrações são geralmente baixas e estáveis. Um pacote de software de monitoramento automatizado pode plotar simultaneamente pontos relacionados aos dados por minuto e relacionados à média de operação de longa duração. As amostras de um minuto são usadas para detectar imediatamente o início de um evento de contaminação, e a média de operação de longa duração é usada para monitorar a contaminação de base nos níveis mais inferiores.

Metodologia

A espectrometria de mobilidade iônica tem sido usada há décadas como uma técnica eficiente para medir vestígios de componentes químicos no ar e em superfícies. Embora esteja mais comumente associada aos sistemas de rastreamento de segurança de aeroportos e aos sistemas de detecção de armas químicas, a IMS também tem sido usada com sucesso em questões de microcontaminação enfrentadas em semicondutores, telas planas, unidades de disco rígido e nas indústrias farmacêuticas e petroquímicas. Este documento apresenta os resultados do sistema de monitoramento por IMS do AirSentry II, que foi otimizado como sistema para atender às necessidades de engenheiros de fotolitografia no monitoramento de contaminantes, como amônia, total de aminas e de ácidos.

Os sistemas de monitoramento por IMS contêm uma célula de IMS, um meio que conduz a amostra para a análise, a capacidade de processar o sinal de saída da célula e a capacidade de misturar reagentes de controle de ionização seletivos com o fluxo da amostra para suprimir formações iônicas não-analitas. A maioria das células de IMS contém uma fonte de ionização para gerar íons, uma válvula eletrônica para controlar a introdução dos íons na área de separação ou de depósito, uma fonte de alta tensão para criar uma gradiente de campo elétrico na área de depósito e um coletor de íons conectado a um amplificador para gerar um sinal como função de tempo. A análise é realizada à pressão atmosférica e um exame de íons pode ser obtido em 20 milisegundos.

Quando a válvula de íons pulsa aberta, uma amostra de íons é liberada na área de depósito, onde eles são acelerados na direção do coletor de íons pelo campo elétrico. Íons com diferentes mobilidades, K, chegarão ao coletor com tempos de depósito característicos diferentes, td. A mobilidade iônica pode ser empiricamente determinada usando-se o comprimento do tubo de depósito, L, o potencial de voltagem pelo tubo de depósito, V, e o tempo de depósito (1).

Por isso, os íons com um longo tempo de depósito têm mobilidade iônica baixa, e os íons com curto tempo de depósito têm mobilidade iônica alta. Se forem feitas suposições relativas à transferência da quantidade de movimento colisional, e se for suposto que os íons têm distribuição Boltzmann, as colisões são binárias, a energia dos íons é principalmente térmica e os íons são expostos a um campo elétrico baixo, a mobilidade iônica poderá ser estimada assim: (2)

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Onde K é a mobilidade iônica; q, a carga elétrica; E, a gradiente do campo elétrico; N, a densidade total no tubo de depósito; a colisão na área da seção; m, massa do íon; M, massa da molécula neutra; k, constante de Boltzmann; e T, temperatura. O exame das equações (1) e (2) mostra que, em um determinado sistema de IMS, o tamanho e a massa dos íons ou do agrupamento de íons são o que os permite serem separados em tempos de depósito característicos. Essas duas propriedades exclusivas permitem que uma célula de IMS identifique e monitore os analitos desejados especificamente.

A otimização do desempenho do sistema de monitoramento também inclui o sistema de fornecimento de amostras. O sistema de fornecimento de amostras deve ser projetado para que haja interação mínima entre o sistema de fornecimento e a amostra de ar no momento do monitoramento. O uso de linhas de entrada as mais curtas possíveis e de materiais inertes, como PFA (Alcano perfluoroalcóxico) ou PTFE (politetrafluoroetileno) nas tubulações e conexões, ajuda a garantir tempos rápidos de resposta e medições precisas. As possíveis interações de superfícies com a amostra podem ser minimizadas com a eliminação de todas as válvulas, tubos de distribuição e montantes de bombas da célula de IMS.

A especificidade analítica pode ser maior com a adição de reagentes de controle de ionização ao fluxo das amostras. Os reagentes de controle de ionização podem suprimir a formação de picos indesejados de íons não-analitos, aumentando a precisão e reduzindo possíveis interferências (2). A Figura 1 mostra um exemplo do uso de reagentes de controle de ionização para a medição de amônia no ar do laboratório. Embora muitas espécies de substâncias químicas estejam presentes no ar, apenas o pico de íons da amônia e do reagente são identificados no exame de íons.

Figura 1: O uso de reagentes de controle de ionização aumenta a precisão e reduz possíveis interferências. No ar limpo, existe apenas o pico dos íons do reagente. Quando existe amônia na amostra de ar, um pico de íons de amônia é detectado.

Dados e resultados

1. 1 Comparação entre o monitoramento contínuo e não-contínuo

Um monitor típico de contaminação molecular de várias amostras selecionará uma linha de amostras, purgará nove minutos, executará uma medição de concentração por um minuto e obterá um ponto de medição a cada 10 minutos. A comparação da abrangência do monitoramento de um sistema múltiplo com 60 pontos, um sistema múltiplo com 16 pontos e um monitor de ponto de uso é exibida na Tabela 1. A medida que o número de pontos de amostra aumenta, o número de vezes do monitoramento diário dos pontos de amostra diminui. No caso extremo de um sistema múltiplo com 60 pontos de amostra, cada ponto de amostra é monitorado em média apenas 2,4 minutos por dia. Como mostrado na Figura 2 e na Figura 3, as mudanças de longa duração na contaminação molecular será observada com a proposta de monitoramento múltiplo, mas muitos eventos com contaminação mais rápida observados no monitoramento contínuo não são detectados por um sistema múltiplo.

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Tabela 1: Vantagens da implementação de uma estratégia de monitoramento contínuo de ponto de uso.

Figura 2: Rastrear dados em tempo real e calcular a média dos dados simultaneamente proporciona a detecção de eventos em tempo real e maior precisão na detecção de tendências de duração mais longa. O monitoramento contínuo com um monitor de ponto de uso garante que nenhum evento fique despercebido. Em sistemas múltiplos, muitos eventos temporários não são observados.

Figura 3: O monitoramento contínuo detecta eventos de contaminação temporários e rastreia tendências nos níveis baixos de contaminação. Nesse caso, os níveis básicos de amônia aumentam de 0,075 ppb para 0,170 ppb em um período de sete dias. Dois eventos foram detectados no primeiro dia. Dados simulados de um sistema de monitoramento múltiplo com 60 pontos são exibidos para que se faça comparação. Isso sugere um aumento na concentração de amônia durante o período de monitoração, mas como há muito menos medições, a interferência na medição torna muito difícil determinar precisamente a magnitude da mudança de concentrações.

Tempo de resposta e de liberação

Os tempos de resposta e de liberação do analisador são considerações importantes quando se avalia um sistema de monitoramento. Os três maiores fatores que influenciam os tempos de resposta e de liberação são: o comprimento da linha de amostras, a compatibilidade química dos materiais úmidos e a idade ou histórico de exposição da linha de amostras. Como mostrado na Tabela 2, o comprimento da linha de amostras pode influenciar os tempos de resposta. Os dados exibidos na Tabela 2 foram obtidos com o uso dos novos tubos de PFA com ¼” de diâmetro. O efeito observado pode ser muito mais evidente em tubos mais antigos que estiveram expostos a altos níveis de contaminação. Por exemplo, se ácidos com baixa pressão de vapor, como ácidos sulfúricos e fosfóricos, adsorvem às paredes internas de uma linha de amostras, os tempos de resposta poderão se tornar muito improdutivos na medição de níveis baixos de amônia. Os tempos de resposta e de liberação do monitor de amônia do AirSentry II são mostrados na Figura 4.

Tabela 2: O comprimento da linha de amostras pode influenciar os tempos de resposta do analisador. Estes dados foram obtidos com tubos de PFA.

Figura 4: A resposta e liberação rápidas podem ser obtidas minimizando-se os comprimentos da linha de amostras e com a seleção cuidadosa de materiais "úmidos" no sistema.

Considerações sobre interferências e limites de detecção

Este exemplo mostra uma questão importante que deve ser considerada quando se avalia os sistemas de monitoramento. O limite de detecção de um sistema de monitoramento é quase sempre determinado pelo nível de interferências, não pela resposta do monitor à contaminação ou pela resolução de dados fornecidos. Como a maioria das ferramentas da fotolitografia são muito limpas, perto ou abaixo do limite de detecção da maioria dos sistemas de monitoramento, a interferência é um fator importante no monitoramento desses ambientes. Uma métrica útil da interferência em um sistema de monitoramento é o nível de interferência quando se monitora um fluxo de gás limpo ou zero. Um exemplo da medição dessa interferência é apresentado na Figura 5. Um sistema de monitoramento com nível baixo de interferência terá limite baixo de detecção. Geralmente, o limite de detecção é definido como 3x, onde x é o desvio padrão da interferência da medição.

Figura 5: O desvio padrão da interferência de medição determina o menor limite de detecção de um monitor de contaminação. Geralmente, o limite de detecção é considerado o triplo do desvio padrão da interferência.

Quando se considera o monitoramento contínuo no ponto de uso ou o monitoramento com sistema múltiplo, é importante avaliar os dados pela perspectiva estatística. Há erros de medição ou interferência associados a todas as medição. Algumas origens desses erros podem ser: interferência eletrônica, interferência ambiental e efeitos químicos de superfície. Quando a interferência é aleatória, o nível de interferência é reduzido pelo cálculo da média de diversas medições. O desvio padrão de uma série de medições é reduzido pela raiz quadrada do número de medições, quando as variações de medições são aleatórias. Nesse caso, o erro de uma única medição pode ser 10 vezes maior do que a média de erros de 100 medições. O impacto do cálculo de estatísticas na determinação da concentração de contaminação molecular em uma área é mostrado na Figura 6 e 7. Com o uso do monitoramento de ponto de uso, um maior número de medições por unidade de tempo é fornecido, resultando uma redução de erros de medições e proporcionando uma determinação mais precisa dos níveis de contaminação em um tempo mais curto do que é possível em um sistema de monitoramento múltiplo.

Figura 6: Com o monitoramento contínuo do ponto de uso, a média de sinais fornece precisão significantemente maior.

Figura 7: Exemplos dos ganhos de precisão que podem ser obtidos com a média das amostras.

Futuros desafios

Recentemente, houve avanços significativos nas químicas e nas tecnologias do analisador de IMS. Embora tenha melhorado os limites de detecção e a estabilidade das medições, isso também criou um novo desafio. No futuro, para se usar plenamente os recursos do novo sistema analisador, gases de calibragem com níveis de baixo ppb e de ppt precisarão ser produzidos. Pode ser muito difícil criar padrões de gases de níveis de ppt estáveis para gases reativos. Uma tentativa preliminar de se produzir padrões de gases com baixa concentração de amônia é exibida na Figura 9. Compare a estabilidade dos dados em zero, um ppb e dois ppb. Os dados são notavelmente menos estáveis em um e dois ppb do que em zero. Isso sugere que a instabilidade não ocorre por causa do analisador, mas por causa da produção do gás de calibragem e do sistema de distribuição em baixas concentrações. Espera-se que as interações de superfícies sejam mais significativas em concentrações de níveis de ppt. A produção de um novo gás de calibragem e de um novo sistema de distribuição está sendo planejada e será otimizada para calibragem de baixas concentrações e testes.

Figura 9: Produzir concentrações estáveis de padrões de calibragem de gases reativos em níveis baixos de ppb e de ppt é o novo desafio para o monitoramento de contaminação molecular.

Conclusão

A proposta ideal para o monitoramento de contaminação molecular nas áreas críticas da litografia é ter analisadores de ponto de uso dedicados que forneçam dados contínuos e em tempo real de cada local importante. Essa proposta garante que os eventos de contaminação não passarão despercebidos e permite progressos fundamentais na precisão através da média das amostras. Quando se localiza o analisador no ponto de uso, os efeitos das amostras de tubos são minimizados. Uma nova tecnologia de IMS barata e de alta precisão permite a implementação dessa estratégia de monitoramento contínuo. Com o uso de software para rastrear simultaneamente dados de contaminação em tempo real e dados de médias de contaminações, um único monitor pode imediatamente identificar eventos de contaminação e detectar períodos mais longos nos níveis de contaminação básica na ordem de 10 ppt.

Autor

Dan Rodier, Particle Measuring Systems

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Referências

1. G. A. Eiceman e Z. Karpas, Ion Mobility Spectrometry, CRC Press, Boca Raton, 1994.
2. A. G. Harrison, Chemical Ionization Mass Spectrometry, CRC Press, Boca Raton, 1992

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