Das Risiko einer Metallkontamination in TMA-Verdampfern
Trimethylaluminium (TMA)-Verdampfer für die Atomlagenabscheidung (ALD) bei 50 Grad und 500 mbar erfordern extreme Reinheit. PFA-Heizungen können Spurenmetalle (Al, Fe, Cu) in den TMA-Dampf auslaugen und so abgeschiedene Filme verunreinigen. Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) misst den Gehalt an Katalysatorrückständen auf PFA-Oberflächen. Quantitative Analysen von 10 ALD-Werkzeugherstellern zeigen, dass PFA mit einem XPS-Metallgehalt unter 0,1 Atom-% auslaugt<0.5 ppb metals after 3000 hours, while PFA with >0.5 at% leaches >5 ppb, was zu ALD-Filmdefekten führt.
Metallauslaugungsmechanismus und XPS-Erkennung
PFA enthält Reste des Polymerisationskatalysators (Chrom, Nickel, Eisen) und Aluminium von den Reaktorwänden. Diese Metalle diffundieren im Laufe der Zeit an die Oberfläche und werden durch TMA-Dampf (der als starkes Reduktionsmittel wirkt) extrahiert. XPS misst die Oberflächenmetallkonzentration (Atom-%). Die Auslaugungsrate korreliert mit dem Metallgehalt an der Oberfläche, nicht mit der Masse.
| PFA-Qualität | XPS-Oberflächenmetallgehalt (in %) | Al ausgelaugt (ppb) | Ausgelaugtes Fe (ppb) | Cu ausgelaugt (ppb) | Anstieg des ALD-Filmwiderstands (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| Ultra-rein (fluoriert) | <0.05 | 0.2 | 0.1 | 0.05 | <0.5% |
| Hohe-Reinheit (geringer Rückstand) | 0.1-0.2 | 0.8 | 0.4 | 0.2 | 1% |
| Standard-Werbespot | 0.3-0.5 | 3 | 1.5 | 0.8 | 3-5% |
| Economy-Klasse | 0.5-1.0 | 8 | 4 | 2 | 10-15% |
| Recycelt/nachgemahlen | >1.0 | 20 | 10 | 5 | >25% |
XPS-Messprotokoll für die Heizungszertifizierung
Die XPS-Analyse von PFA-Heizoberflächen nach der Lösungsmittelreinigung (zur Entfernung von Oberflächenverunreinigungen) sollte Folgendes messen:
| Element | Akzeptabler Wert (at%) für die ALD-Klasse | Durch XPS erkennbar? | Typische Quelle |
|---|---|---|---|
| Aluminium (Al 2p) | <0.05 | Ja | Reaktorwände |
| Eisen (Fe 2p) | <0.02 | Ja | Katalysator |
| Chrom (Cr 2p) | <0.02 | Ja | Katalysator |
| Nickel (Ni 2p) | <0.02 | Ja | Katalysator |
| Kupfer (Cu 2p) | <0.01 | Ja | Kontamination |
Entwicklung von Oberflächenmetallen im Laufe der Zeit
Frisches PFA hat einen geringen Oberflächenmetallgehalt. Während einer 3000-stündigen TMA-Exposition diffundieren Metalle an die Oberfläche. Für Standard-PFA:
| Expositionszeit | XPS-Oberflächenmetall (at%) | Kumulativ ausgelaugtes Al (ppb) | Akzeptabel für ALD? |
|---|---|---|---|
| 0 Stunden | 0.08 | 0 | Ja (anfänglich) |
| 500 Stunden | 0.15 | 1 | Ja |
| 1000 Stunden | 0.25 | 2 | Randständig |
| 2000 Stunden | 0.40 | 4 | NEIN |
| 3000 Stunden | 0.60 | 8 | NEIN |
Für ultra-reines PFA bleibt XPS-Metall 5000+ Stunden lang unter 0,1 Atom-%.
TMA-Reinheit und Auslaugungsbeschleunigung
Eine höhere TMA-Reinheit (geringerer Stabilisatorgehalt) erhöht die Auswaschung, da Stabilisatoren (Triethylamin) Oberflächen passivieren können. Bei TMA in elektronischer Qualität (6N-Reinheit, kein Amin) ist die Auslaugungsrate doppelt so hoch wie bei TMA mit geringerer Reinheit und Aminen. Geben Sie für ALD-Anwendungen mit 6N TMA nur ultrareines PFA an.
Wandstärke und Auslaugungsrate
Auswaschung ist ein Oberflächenphänomen; Eine zunehmende Wandstärke verringert nicht die Metallextraktion. Bei Standard-PFA mit 2,0 mm gegenüber . 3.0 mm Wänden ist die Auslaugungsrate pro Flächeneinheit identisch, da die Metallquelle in der Oberflächenkonzentration und nicht in der Massendiffusion liegt. Dickere Wände bringen keinen Vorteil für die Reinheit; Geben Sie stattdessen ultrareines PFA mit dünnen Wänden (1,5–2,0 mm) an, um die Oberfläche und die damit verbundene Auslaugung zu reduzieren.
Verfahren vor-Auslaugung (Einbrennen-).
Um die anfängliche Metallfreisetzung zu reduzieren, führen Sie eine Vorlaugung durch: Füllen Sie den Heizer 100 Stunden lang mit TMA bei 60 Grad, entsorgen Sie das TMA und installieren Sie es dann. Dadurch wird die anschließende Auswaschung bei Standard-PFA um 80 % und bei ultrareinem PFA um 50 % reduziert. Geben Sie für ALD-Werkzeuge vor-ausgelaugte Heizgeräte mit Zertifizierung an.
Spezifikationsleitfaden für ALD TMA-Verdampfer
Geben Sie für TMA-Verdampfer bei 50 Grad und 500 mbar ultra-reines PFA mit einem XPS-Oberflächenmetallgehalt unter 0,1 Atom-% (insgesamt Al+Fe+Cr+Ni+Cu) an. Verlangen Sie vom Lieferanten eine Zertifizierung der XPS-Analyse an Produktionschargenproben. Geben Sie eine Vorlaugung mit TMA bei 60 Grad für 100 Stunden an. Bei der Wandstärke sind 1,5 mm ausreichend, um die Oberfläche zu minimieren. Für kritische ALD-Anwendungen (DRAM, Logikgeräte) ist eine vierteljährliche TMA-Probenahme für die ICP-MS-Metallanalyse erforderlich und die Heizungen auszutauschen, wenn Al 1 ppb überschreitet. Der Aufpreis für ultrareines PFA (50 -100 % über dem Standard) wird durch die Verhinderung einer ALD-Filmkontamination in der Halbleiterfertigung gerechtfertigt, wo eine einzelne kontaminierte Charge 100.000 -1.000.000 US-Dollar kostet. Für F&E-ALD-Systeme kann hochreines PFA mit Vorlaugung akzeptabel sein.
