O documento discute a técnica de espectrometria de massa e seu uso para analisar a corrosão de silício em plasma de SF6. Ele explica como o espectrômetro de massas separa íons por razão massa-carga e como o processo de corrosão por íon reativo libera produtos voláteis de silício. O documento também analisa como a pressão, potência e adição de oxigênio ou argônio afetam a taxa e perfil de corrosão.
1. Sistemas Micro eletromecânicos
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Candido Neves dos S. Júnior
Williarde A. Souza
Eng. de Automação e Controle
FASB – Faculdade
do Sul da Bahia
Análise de Espectrometria de Massa em Plasma de SF6
Aplicado para Corrosão de Silício
2. Espectrometria de Massa
A técnica de espectrometria de massas (MS) é de grande importância e abrangência na
Química Analítica. Físicos, químicos e biólogos tem participado do seu desenvolvimento e de
suas aplicações atuais. Com o emprego da MS tem sido pesquisadas até mesmo biomoléculas
de grande massa molecular e organismos individuais, como os vírus (Borman et al., 2003).
O espectrômetro de massas é um
instrumento analítico, no qual íons,
produzidos a partir de elementos
presentes em uma amostra, são
separados por campos elétricos e/ou
magnéticos de acordo com a razão
massa-carga (m/z) destas espécies.
3. “Corrosão por Íon Reativo” (RIE).
Neste sistema o plasma é gerado por potência a uma frequência de RF de 13,56 MHz
Diagrama esquemático do sistema de corrosão RIE
4. No processo de corrosão, os íons de flúor encontram a superfície de Si
atravessando a camada fluorinada, ao chegar à superfície do Si rompem as
ligações Si-Si, liberando dois produtos voláteis o SiF2 reativo e o produto
estável SiF4.
5.
6.
7. Efeito da pressão
Sabe-se que com o aumento da pressão ocorre uma diminuição do livre caminho médio dos
íons no plasma resultando na perda de direcionalidade e consequentemente num perfil de
corrosão isotrópico.
Estudos realizados por Mansano et. al. verificaram que com o aumento da pressão ocorre um
aumento da taxa de corrosão até 100 mTorr, onde a partir deste valor esta permanece
constante ou diminui Mansano, 1998).
8. Efeito da potência
Após verificado a melhor condição de pressão para que o sistema RIE pudesse operar
com alta taxa de corrosão de baixo consumo de gás SF6, foi feito um teste de variação de
potencia para se verificar o grau de fragmentação das partículas de plasma.
9. Efeito da adição do oxigênio
Devido ao SF6 ser muito eletronegativo, ocorre uma grande captura de elétrons de baixa
energia. Isso reduz a dissociação do flúor.
Para isso, diversos estudos recomendam a adição de um outro gás, normalmente N2, Ar ou
O2 para aumentar a dissociação. Neste trabalho verificamos a influência dos gases O2 e Ar,
10. Efeito da adição de argônio
Gases nobres como argônio e hélio são frequentemente usados para estabilizar
plasmas ou para objetivos de refrigeração.
Notas do Editor
A câmara de reação é feita em alumínio e tem 230 mm de diâmetro interno e 130 mm de altura, com distância entre os eletrodos de 52 mm. O catodo é de alumínio e apresenta a possibilidade de ser coberto com outros materiais. O eletrodo é refrigerado com um sistema autônomo de refrigeração que possibilita variar a temperatura entre -10°C e 40°C, usando água como líquido refrigerante. Nos nossos processos, o eletrodo será mantido entre 10 °C e 20 °C.
O gás de processo (SF6) é admitido na câmara de reação através de um distribuidor em forma de “crivo” com 150 mm de diâmetro (com furos de 0,8 mm), situado na tampa superior da câmara e sua vazão é controlada por meio de controladores de fluxo de massa (mass flow controller - MKS) e a pressão na câmara é medida com um manômetro capacitivo (Baratron - MKS).
Como se pode observar, o principal elemento reativo na corrosão do Si é o flúor atômico (F) e o principal mecanismo é a corrosão química que tem a característica de gerar perfis de corrosão isotrópicos. Além disso, observa-se que durante o processo de corrosão do Si o plasma passa a ser constituído em sua maioria por espécies SiF4.
Acima temos a comparação de dois estudos um feito com injeção de gás de hexafluoreto de silício (Plasma) sobre um substrato de wafer de silício.
Na segunda imagem temos apenas a injeção de hexafluero de silício
Este efeito é confirmado neste estudo onde as medições de espectrometria de massa, mostra um pico da espécie SiF3+, foi monitorado para um aumento de pressão de 7,5 mTorr a 60 mTorr
Entretanto, o aumento da pressão na câmara provoca uma elevação do sinal de SiF3 + até uma pressão de 35,7 mTorr onde, a partir deste valor, sofre uma saturação.
Com o aumento na potência da descarga ouve uma maior fragmentação das espécies provenientes da molécula SF6 ocasionando num aumento dos átomos de flúor (F+) e da molécula de SiF4 (SiF3+).
Observou-se também que a partir de 80 W os sinais das espécies tendem a estabilizar, indicando que para estas condições otimizadas de processo não é necessário o uso de potências elevadas para se obter uma maior taxa de corrosão.
Neste estudo foi verificado o efeito proporcionado pela adição de argônio no gás SF6 em função da potência e fluxo de gases.
Para isto foi realizado dois experimentos para uma pressão de trabalho fixada em 35 mTorr e potência RF variada entre 10 e 70 W: variação da % de argônio na mistura Ar + SF6 e variação do fluxo de argônio na mistura Ar + SF6.