Resumen

Ahora está disponible una nueva metodología para monitorear la contaminación molecular en litografía. Recientes avances técnicos han hecho posible realizar un monitoreo continuo en tiempo real con progresos significativos en la sensibilidad y la estabilidad, al mismo tiempo que se reducen al mínimo los efectos del entubado de muestras. Estas mejoras se observan al utilizar un monitor pequeño de bajo costo, especialmente destinado para monitorear un sólo lugar. Un monitor de punto de uso especialmente destinado ofrece las siguientes ventajas respecto de un sistema de muestreo multipunto convencional: monitoreo continuo que no pasa por alto ningún evento de contaminación; la longitud de los tubos de muestras se reduce de 20 - 30 metros a 3 - 3 metros, en tanto que la sensibilidad aumenta entre 5 - 10x. Las mejoras en la sensibilidad y estabilidad se consiguen a través del concepto de un monitor especialmente destinado para monitorear la contaminación molecular. Debido a que el monitor realiza muestreos continuos en el mismo entorno, el promedio de muestras se puede emplear de una manera altamente eficaz para reducir el límite de detección. Esto resulta particularmente útil en entornos con filtrado químico en los cuales las concentraciones son por lo general bajas y estables. Un paquete de software de monitoreo automatizado puede graficar simultáneamente puntos de datos individuales de un minuto y un promedio de funcionamiento en el largo plazo. Las muestras de un minuto se emplean para detectar inmediatamente el comienzo de un evento de contaminación, en tanto que el promedio de funcionamiento en el largo plazo se utiliza para monitorear la contaminación de fondo en sus niveles más bajos.

Palabras clave: Contaminación molecular, espectrometría de movilidad iónica (IMS), AMC, amoníaco, NH3, dióxido de azufre, SO2

Introducción

Ahora está disponible una nueva metodología para monitorear la contaminación molecular en litografía. Recientes avances técnicos han hecho posible realizar un monitoreo continuo en tiempo real con progresos significativos en la sensibilidad y la estabilidad, al mismo tiempo que se reducen al mínimo los efectos del entubado de muestras. Estas mejoras se logran al utilizar un monitor pequeño de bajo costo, el AirSentry II, especialmente destinado para monitorear un sólo lugar. Anteriormente, era prohibitivo en cuanto al costo llevar a cabo el monitoreo continuo en gran escala de la contaminación molecular.

Los sistemas convencionales de monitoreo de la contaminación molecular emplean un dispositivo de muestreo del aire multipunto conectado a un analizador. Este método de monitoreo se ha convertido en una práctica regular, impulsada por la necesidad de monitorear una gran cantidad de lugares al menor costo que sea posiblemente razonable. Sin embargo, en el actual entorno de fabricación de semiconductores con longitud de onda de 193 nm surgen problemas significativos y las limitadas técnicas de monitoreo que hoy se utilizan empiezan a mostrar sus debilidades. Las mayores desventajas de un método convencional de monitoreo son:

• Lapso pequeño de mediciones reales y registradas por día en cada lugar
• Efecto de las longitudes grandes en los tubos de muestras
• Tiempos de respuesta y puesta a cero del analizador cuando las concentraciones de puntos de muestra contiguos indican una diferencia marcada
• Capacidad mínima para obtener el promedio de muestra a fin de aumentar la sensibilidad.

Por ejemplo, un sistema de muestreo de sesenta puntos con un ciclo de muestra de 10 minutos (purga de 9 minutos, muestra de un minuto) tardará 600 minutos o 10 horas para obtener muestras de todos los lugares. Cada lugar se monitorea durante un minuto cada 10 horas, quedando sin monitorear durante las 9 horas y 59 minutos restantes. Ciertamente, el control de la calidad no se puede mantener con esta metodología de monitoreo.

Un monitor de punto de uso especialmente destinado ofrece las siguientes ventajas respecto de un sistema de muestreo multipunto convencional:

• Monitoreo continuo
• No se pasan por alto eventos de contaminación
• Reducciones de longitud en los tubos de muestras de 20 - 30 metros a 2 - 3 metros. La reducción en la longitud del tubo de muestra reduce al mínimo las interacciones entre las moléculas contaminantes y la superficie de tubos.
• Mejoras de sensibilidad de 5-10x sobre la tecnología existente.

Las mejoras en la sensibilidad y estabilidad se consiguen a través de un monitor especialmente destinado a monitorear la contaminación molecular. Debido a que el monitor realiza muestreos continuos en el mismo entorno, el promedio de muestras se puede emplear de una manera altamente eficaz para reducir el límite de detección. En una única aplicación, por ejemplo, el límite de detección para muestras de un minuto es de 120 ppt (partes por millón de millón), en tanto que el límite de detección para un promedio móvil de 60 minutos es de 8,2 ppt (partes por millón de millón). Esto resulta particularmente útil en entornos con filtrado químico en los cuales las concentraciones son por lo general bajas y estables. Un paquete de software de monitoreo automatizado puede graficar simultáneamente puntos de datos individuales de un minuto y un promedio de funcionamiento en el largo plazo. Las muestras de un minuto se emplean para detectar inmediatamente el comienzo de un evento de contaminación, en tanto que el promedio de funcionamiento en el largo plazo se utiliza para monitorear la contaminación de fondo en sus niveles más bajos.

**Metodología**

La espectrometría de movilidad iónica (IMS) ha sido empleada durante décadas como una técnica sólida para medir trazas de productos químicos en el aire y en superficies. Si bien se la vincula por lo general a los sistemas de control de la seguridad en aeropuertos y sistemas de detección de armas químicas, la IMS también ha sido aplicada exitosamente para resolver los problemas de microcontaminación que enfrentan las industrias farmacéutica, petroquímica y productora de semiconductores, pantallas planas y unidades de disco rígido. En este documento se explican los resultados del sistema de monitoreo por IMS AirSentry II que ha sido optimizado como un sistema que puede atender las necesidades de los ingenieros en fotolitografía que monitorean contaminantes como amoníaco, aminas totales y ácidos totales.

El sistema de monitoreo por IMS contiene una célula IMS, un medio para introducir la muestra para análisis, capacidad para procesar la señal de salida de la célula y mezclar los reactivos de control de ionización selectiva con el caudal de muestra a fin de eliminar la formación de iones no analíticos. La mayoría de las células IMS contiene una fuente de ionización para generar iones, un obturador electrónico para controlar la entrada de iones a la región de separación o desplazamiento, un suministro de alto voltaje para generar un gradiente del campo eléctrico en toda la región de desplazamiento, y un colector de iones conectado a un amplificador para generar una señal como función de tiempo. El análisis ocurre a presión atmosférica y se puede lograr la exploración de un ion en un tiempo tan breve como 20 milésimas de segundo.

Cuando el obturador de iones recibe un impulso para abrirse, se descarga una muestra de iones en la región de desplazamiento donde son acelerados hacia el colector de iones por medio del campo eléctrico. Las especies iónicas con movilidad de iones diferente, K, llegan al colector en distintos tiempos de desplazamiento (td) característicos. La movilidad iónica se puede determinar empíricamente utilizando la longitud del tubo de desplazamiento, L, el potencial de voltaje a lo largo del tubo de desplazamiento, V, y el tiempo de desplazamiento (1).

De esa forma, los iones con un tiempo de desplazamiento largo tienen baja movilidad iónica y los iones con tiempo de desplazamiento corto tienen movilidad iónica alta. Suponiendo la transferencia del momento de colisión y poniendo por caso que los iones tienen una distribución de tipo Boltzmann, las colisiones son binarias, la energía de los iones es casi en su mayoría térmica y los iones se exponen a un campo eléctrico bajo, la movilidad iónica se puede estimar de la siguiente manera: (2)

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Donde K es movilidad iónica, q, carga electrónica, E, nivelación de campo eléctrico, N, densidad de cantidad total en el tubo de desplazamiento, área de sección transversal de colisión, m, masa de iones, M, masa de molécula neutral, k, constante de Boltzmann, y T, temperatura. Un análisis de las ecuaciones (1) y (2) muestran que, para un sistema IMS dado, el tamaño y la masa de iones o el conglomerado de iones es lo que les permite ser separados a tiempos de desplazamiento característicos. Estas dos propiedades exclusivas permiten que una célula IMS identifique y monitoree análisis de interés en particular.

La optimización del rendimiento del sistema de monitoreo incluye también el sistema de distribución de muestras. Dicho sistema debería diseñarse de modo tal que haya una interacción mínima entre el sistema de distribución y la muestra del aire en el punto de monitoreo. El uso de conductos de entrada lo más cortos posible y de materiales inertes como PFA o PTFE para los tubos y conectores ayudan a garantizar tiempos de respuesta rápidos y mediciones precisas. Las interacciones posibles de las superficies con la muestra se pueden reducir al mínimo eliminando todas las válvulas, múltiples y bombas de entrada de la célula IMS.

Se puede mejorar más la especificidad analítica a través del agregado de reactivos de control de ionización al caudal de muestra. Estos reactivos de control de ionización pueden eliminar la formación no deseada de picos iónicos no analíticos, mejorando la sensibilidad y reduciendo las posibles interferencias (2). En la figura 1 se muestra un ejemplo del uso de reactivos de control de ionización para medir amoníaco en el aire del laboratorio. Aún cuando muchas especies químicas estén presentes en el aire, sólo el pico de iones para el amoníaco y el pico de iones para el reactivo aparecerán en la exploración iónica.

Figura 1: El uso de reactivos de control de ionización mejora la sensibilidad y reduce las posibles interferencias. En el aire limpio, sólo está presente el pico iónico del reactivo. Cuando hay amoníaco en el caudal de muestra del aire, se detecta un pico iónico de amoníaco.

Datos y resultados

Comparación entre monitoreo continuo y no continuo

Un monitor de contaminación molecular en muestras de un múltiple característico seleccionará una línea de muestra, la purgará durante 9 minutos, realizará una medición de la concentración durante un minuto y obtendrá un punto de medida cada 10 minutos. La comparación de la cobertura de monitoreo de un sistema múltiple de 60 puntos, de 16 puntos y de un monitor de punto de uso se muestra en el Cuadro 1. A medida que la cantidad de puntos de muestra aumenta, la cantidad de tiempo de cada día para monitorear puntos de muestra individuales disminuye. En el caso extremo de un sistema múltiple de 60 puntos de muestra, cada punto de muestra se monitorea durante un promedio de sólo 2,4 minutos por día. Tal como aparece en la figura 2 y en la figura 3, los cambios de la contaminación molecular en el largo plazo se observarán con un método de monitoreo por múltiple, si bien muchos eventos de contaminación más breves que se observan en un monitoreo continuo no serán detectados por el mismo.

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Cuadro 1: Ventajas de implementar una estrategia de monitoreo de punto de uso continuo.

Figura 2: El procedimiento simultáneo de hacer el seguimiento de datos en tiempo real y de procesar los datos promedio permite la detección de eventos en tiempo real y una sensibilidad muy alta para detectar tendencias en plazos más largos. El monitoreo continuo con un monitor de punto de uso garantiza que no se pase por alto ningún evento. Con los sistemas múltiples no se observan muchos eventos transitorios.

Figura 3: El monitoreo continuo detecta eventos de contaminación transitoria y hace seguimientos en niveles de contaminación bajos. En este caso, los niveles de amoníaco aumentan de 0,075 ppb (partes por mil millón) a 0,170 ppb a lo largo de un período de 7 días. Se detectan dos eventos en el día uno. Los datos simulados obtenidos de un sistema de monitoreo múltiple de 60 puntos se muestra para la comparación. Se sugiere un aumento en la concentración de amoníaco durante el período de monitoreo, pero debido a que hay muchas menos mediciones, el ruido de las mediciones dificulta mucho determinar con exactitud la magnitud del cambio en la concentración.

Tiempo de respuesta y puesta a cero

Los tiempos de respuesta y puesta a cero del analizador son consideraciones importantes cuando se evalúa un sistema de monitoreo. Los tres factores más importantes que influyen en los tiempos de respuesta y puesta a cero son: la extensión del tubo de muestra, la compatibilidad química de los materiales humedecidos y la edad o el historial de exposición del tubo de muestra. Como aparece en el cuadro 2, la extensión del tubo de muestra puede afectar los tiempos de respuesta. Los datos que aparecen en el cuadro 2 se obtuvieron utilizando un tubo PFA nuevo de ｼ" diámetro. El efecto observado puede ser mucho más pronunciado en tubos más antiguos que hayan estado expuestos a niveles de contaminación elevados. Por ejemplo, si los ácidos de baja presión volátil, como los ácidos sulfúrico y fosfórico, se absorben en las paredes interiores de un tubo de muestreo largo, los tiempos de respuesta pueden ser muy deficientes debido a que se miden bajos niveles de amoníaco. Los tiempos de respuesta y puesta a cero del monitor de amoníaco AirSentry II se muestran en la figura 4.

Cuadro 2: La extensión del conducto de entubado puede afectar los tiempos de respuesta del analizador. Estos datos se obtuvieron con un tubo PFA nuevo.

Figura 4: La respuesta y puesta a cero rápidas se puede obtener reduciendo al mínimo las extensiones de los tubos de muestra y escogiendo con cuidado los materiales "mojados" en el sistema.

**Consideraciones relacionadas con los ruidos y límites de detección**

Este ejemplo ilustra un tema importante para considerar cuando se evalúan los sistemas de monitoreo. El límite de detección de un sistema de monitoreo casi siempre se determina por el nivel de ruidos, no por la respuesta del monitor a la contaminación o la resolución de la salida de datos. Debido a que casi todas las herramientas de fotolitografía son muy limpias y están cerca o por debajo del límite de detección de la mayoría de los sistemas de monitorización, el ruido es un factor importante en el monitoreo de esos entornos. Una métrica útil del ruido en un sistema de monitoreo es el nivel de ruido cuando se monitorea un caudal de aire limpio o cero. Un ejemplo de esta medición de ruido aparece en la figura 5. Un sistema de monitoreo con bajo nivel de ruido tendrá un límite de detección bajo. Generalmente, el límite de detección se define como 3*x, donde x es la desviación normal del ruido de medición.

Figura 5: La desviación normal del ruido de medición determina el límite más bajo de detección de un monitor de contaminación. Generalmente, se considera que el límite de detección es tres veces la desviación normal del ruido.

Cuando se considere monitorear de forma continua en el punto de uso o con un sistema múltiple, es importante evaluar los datos desde una perspectiva estadística. Se producen errores de medición o ruidos asociados con cualquier medición. Entre algunas causas de este error se incluyen: ruido electrónico, ruido ambiental y efectos químicos de superficie. Cuando el ruido es ocasional, el nivel de ruido se reduce haciendo el promedio de mediciones múltiples. La desviación normal de una serie de mediciones se reduce por la raíz cuadrada del número de mediciones cuando las variaciones de medición son ocasionales. En este caso, el error de medición para una sola medición puede ser 10 veces superior que el error medio de 100 mediciones. El impacto de la estadística promedio sobre la determinación de la concentración de la contaminación molecular en una superficie se muestra en las figuras 6 y 7. Cuando se emplea el monitoreo de punto de uso, se proporciona un número mayor de mediciones por unidad de tiempo, reduciendo los errores de medición y ofreciendo una determinación más precisa de los niveles de contaminación en un tiempo más corto de lo que es posible hacer mediante un sistema de monitoreo múltiple.

Figura 6: Con el monitoreo continuo de punto de uso, el promedio de señal permite contar con una sensibilidad significativamente mayor.

Figura 7: Ejemplo de las mejoras en la sensibilidad que se pueden obtener a través del promedio de muestras.

**Desafíos a futuro**

Recientemente, se han hecho avances significativos en las tecnologías y productos químicos del analizador de IMS. En tanto esto ha mejorado los límites de detección y la estabilidad de la medición, también es cierto que se ha abierto un nuevo desafío. En el futuro, a fin de utilizar las capacidades del nuevo sistema de análisis, deberán generarse gases de calibración de niveles bajos de ppb y ppb (partes por mil millón/millón de millón). En los gases reactivos, puede ser muy difícil crear niveles estables de gases en ppt (partes por millón de millón). En la figura 9 se muestra un intento preliminar de nivel de gas de baja concentración para el amoníaco. Compare la estabilidad de los datos en cero, una ppb (parte por mil millón) y dos ppb (partes por mil millón). Los datos son significativamente menos estables en una y dos ppb (partes por mil millón) que en cero. Eso sugiere que la falta de estabilidad no se debe al analizador, sino a la generación de gas de calibración y al sistema de distribución en concentraciones bajas. Se anticipa que las interacciones de superficies serán más importantes en las concentraciones a nivel de ppt (partes por millón de millón). Se está proyectando una nueva calibración de gas de calibración y sistema de distribución que será optimizado para la calibración y prueba de baja concentración.

Figura 9: La generación de concertaciones estables de niveles de calibración de gases reactivos a bajo nivel de ppb y ppt (partes por mil millón/millón de millón) es el nuevo desafío en el monitoreo de contaminación molecular.

**Conclusión**

La metodología óptima para el monitoreo de la contaminación molecular en áreas críticas de litografía es contar con analizadores especiales que permitan obtener datos continuos en tiempo real para cada necesidad del lugar de que se trate. Este método garantiza que los eventos de contaminación no se pasen por alto y permite mejoras en la sensibilidad a través del promedio de muestras. Al localizar el analizador en el punto de uso, los efectos del entubado de muestras se reducen al mínimo. La nueva tecnología de IMS con alta sensibilidad y bajo costo permite la implementación de esta estrategia de monitoreo continuo. Al utilizar un software para simultáneamente hacer el seguimiento de los datos de contaminación en tiempo real y calcular la contaminación media, un solo monitor puede identificar de inmediato los eventos de contaminación y detectar cambios de plazos más largos en los niveles de contaminación de fondo, en el orden de 10 ppt (partes por millón de millón).

Autor

Dan Rodier, Particle Measuring Systems

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Referencias

1. G. A. Eiceman and Z. Karpas, Ion Mobility Spectrometry (Espectrometría de movilidad iónica), CRC Press, Boca Raton, 1994.
2. A. G. Harrison, Chemical Ionization Mass Spectrometry (Espectrometría de masa ionización química), CRC Press, Boca Raton, 1992

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