在原子层沉积（ALD）系统中整合质谱仪

如今，原子层沉积（ALD）已成为半导体部门的必不可少的工具，因为它正迅速成为广泛薄膜材料的标准技术。欧洲杯足球竞彩为了获得对薄膜的厚度和融合性的亚纳米控制，即使在具有复杂3D几何形状的底物上，ALD也依赖于在顺序模式下两个气态反应物的自限制表面反应。

瑞士的本·本索拉·杜（Ben Bensaoula Thun）。图片来源：Tofwerk

表面分解反应和生长机制是对沉积膜的理化特性的关键影响。因此，至关重要的是要充分表征和理解这些过程并利用计量工具，这些工具可以在生产环境中提供实时监视和控制并缩短过程优化周期。

pgatof for ald

在本文中，提出并利用了原子层沉积系统（SC-1，来自瑞士集群AG，瑞士Thun）中的新型飞行时间质谱仪Tofwerk Pgatof的整合并用于实时监控薄膜制造过程。同时，PGATOF可以检测所有同位素分辨率大于10的电离分子⁵dynamic range, as well as mass spectral acquisition rates up to 1 kHz.

可以立即监视应用沉积参数的结果，因为化学数据采集是在原位进行的，这允许立即修改过程实验条件（例如脉冲/清除时间和温度）。

此外，还检测到从最佳条件或设备故障的任何过程偏移。2020欧洲杯下注官网与PGATOF相比，这种原位的习得比验尸后（静脉）结构和化学表征方法具有显着优势，两者均具有显着延迟。

实验装置

A novel compact cluster system, SC-1, which combines PVD and ALD, was used to perform the ALD process. This study solely used the SC-1’s ALD module, and the substrate temperature was set at 120 °C. In this study, Trimethylaluminium, Al(CH₃）₃（TMA，纯度为98％，来自Strem）和Di H₂o被使用。通常，这两个气体前体用于沉积₂o₃, amodel ALD system。

大量研究已广泛分析了该过程的化学反应，该过程已用于评估本研究中提出的结果。两个前体均在室温下传递到沉积室和99.9995％的纯度氩气（来自液化空气）

该实验由20个ALD循环组成。TMA的50毫秒脉冲和30毫秒的H₂o在每个周期中都包括没有AR载气的o，目的是仅引入感兴趣的气体。在气体前体脉冲之间提供了30 s以上的50 SCCM氩气清除。

Results

如图1所述，在ALD中，表面与顺序引入的气体前体之间的反应产生了副产品的释放。此类副产品的数量和化学为我们提供了有关基本反应机制的宝贵信息，并为开发监视协议以在工业范围内为可再现和可靠过程提供了有用的见解。

图1。TMA+H的示意图₂odeposition process and the parallel detection of all the molecules involved in the process. In this example, TMA reacts with OH sites at the surface, forming CH₄, and after a purging step, the H₂o与甲基表面反应，主要形成CH₄除了辅助产品（例如Aloh）（CH）₃）₂。图片来源：Tofwerk

It has been shown by this study that the Al₂o₃使用TMA和H的沉积₂ocan be characterized on the basis of the signal distributions measured mainly atm/q= 16 Th, 18 Th, 27 Th, and 40 Th, corresponding to the TMA Al (27 Th), H₂o（18 th），副产品CH₄（第16）和AR载气（40次）。

但是，如图2所示，同时检测所有质量的能力促进了观察到以前未检测到的额外副产品的观察，并且在没有高质量分辨率和准确性的情况下很难识别出来pgatof。

图2。在整个ALD过程中获得的质谱由20个随后的TMA和H组成₂o周期：a）全质量光谱：在具有m/q <290 th的过程反应物的情况下观察到最强的信号，但也检测到较重的离子，b）质谱的选定区域，具有分配的电位反应底物和副产品。注意对数刻度。图片来源：Tofwerk

The ability to monitor the time variation of all species present in the reactor is another important feature afforded by the pgaTOF capabilities, as can be seen in Figure 3. Figure 4 shows the²⁷Al信号分布的测量特性值，即²⁷当TMA阀打开时，Al信号峰幅度幅度及其全宽度，最大宽度（FWHM）。

这两个值的变化表明，循环之间传递的TMA量变化的事实表明。尽管ALD过程是自限制的，并且TMA前体的过量不会引起层厚度的增加，但可以优化前体消耗。相反，较低的前体量将产生部分单层沉积，并导致粗糙的表面形态和比理想的界面较小，而目标是异源结构的沉积。

因此，在过程优化（R＆D）和生产中，使用PGATOF使周期到周期ALD过程的实时量化是至关重要的。

图3。An in situ pgaTOF integrated within an ALD chamber gives a unique opportunity of monitoring the time evolution of all elements and molecules participating in an ALD process, including products and by-products. The H₂O（蓝线）和AL（红线）信号表示气体前体，而N（绿线）和AR（紫色线）信号提供了有关沉积室真空状态的信息。20周期沉积过程（a）的时间演变以及前三个TMA和H的放大率₂显示o周期（b）。将PGATOF数据标准化为1，以更好地可视化。图片来源：Tofwerk

Figure 4.Comparison of Al signal peaks measured during successive TMA injections. The variations of peak height, SAl,max,[电子邮件保护]和宽度，Sal，Max，[电子邮件保护]，值提供了传递的气体前体变化量的指示，因此提供了循环到周期的ALD过程可重复性。图片来源：Tofwerk

Conclusion

总而言之，正如本文强调的那样，通过在ALD系统中掺入PGATOF，可以促进对所有电离分子和片段的同时实时检测。这意味着可以在早期阶段检测到任何故障或过程偏差。因此，可以立即纠正沉积参数，例如脉冲持续时间，压力和前体温度，以确保预期的薄膜化学结构的沉积。

There are numerous advantages of原位PGATOF分析for this ALD process which naturally extend to other deposition techniques, like chemical vapor deposition and etch applications for process optimization, monitoring and control.

对于复杂的接口，例如涉及二进制，三元和第四纪合金的过渡，可以实现终点检测。此外，对于涉及沉积和纳米层堆栈蚀刻的脉冲模式和过程运行的来源，这种高采集速度至关重要。如果需要准确地分配复杂气态环境中的化学物种并测量其时间变化，则可以在其他半导体过程中广泛应用PGATOF作为监测工具。

致谢

Tofwerk要感谢Empa Eidg（Thun）和瑞士集群（Thun）对本文的数据收集和分析贡献。

This information has been sourced, reviewed and adapted from materials provided by TOFWERK.

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