RGA殘余氣體分析儀在PVD/CVD中運用

                               
    制程鍍膜、蝕刻、微影、擴散/離子植入四大部份，其中除了微影部份較少用真空外，幾乎每個步驟都必須在真空室內完成。而由于產品尺寸越作越小，對空氣中微小塵粒所造成的污染容忍度就越來越低。換言之，對真空制程室內的潔凈度要求則越來越高。其中對真空要求最嚴格的制程為金屬物理沉積，其真空全壓力必需達到1x 10^-8 Torr左右，才能大幅降低背景水氣及氧氣對濺鍍金屬層電阻性的影響。對于沉積晶粒大小(Grain Size)及電移性(Electron Migration)而言，使用超高真空室及超高純度金屬靶材將比僅僅使用高真空室及高純度靶材相對上改善許多。至于可能造成晶圓污染的原因，不僅是真空室內的殘余氣體，尚有以下幾種可能的污染源：定期更換的金屬靶材，制程用的高純度氣體，輸送氣體管線及流量計，甚至于進出真空反應室的晶圓本身都是可能的污染源。因此殘余氣體分析儀，近年來已被廣為使用為線上同步偵控的儀器。透過半導體標準化的界面(SECS)與各式機臺連線，不但可以同步偵測可能缺失，更可以主動傳送錯誤或警告訊息，以防止更大更多因為錯誤而造成的損失。 

       殘余氣體分析儀在傳統上除了應用于真空檢漏以外，還可以用于測量真空室內真空度的好壞。舉例說，機臺經過周期性清洗保養后，利用RGA來取得真空室內殘余氣體分布，及建立完整的資料庫以便于日后比對。除了可以立即發現真空異常現象外，更能馬上判斷出問題之征結。近年來RGA更被使用在制程中作同步偵控，以期提早發現問題，避免浪費生產時間，并提高機臺之使用率。 

       在同為金屬鍍膜但使用化學沉積方式的制程中，因參與化學反應之反應物或生成物通常活性較高，并且反應過程遠比物理沉積復雜，所以對整個反應過程之了解并不完全。換言之，在化學沉積過程中當有問題發生時，能立即判斷并解決問題之能力比在物理沉積過程中判斷問題發生的能力差。殘余氣體分析儀則因此廣為使用于發生問題后，找尋原因之工具。蝕刻制程中，因多數被使用的氣體皆具高反應性，高侵蝕性，致使大家會擔心，儀器本身會因被氣體侵蝕而喪失正確性，甚至有所損壞。事實上當正確選用了鍍保護膜的真空幫浦及經過減壓過程后，所有具侵蝕性氣體對分析儀的損害，幾乎可以完全忽略。至于在利用電漿作干式蝕刻制程中，殘余氣體分析儀不但可隨時偵測各種氣體在電漿室內的變化，更可選擇以某種反應生成物的強度來作為蝕刻終點的偵控。至于在離子植入過程中異常的氣體分布或殘留氣體對植入層的均勻性會造成相當的影響。因此將殘余氣體分析儀安裝在離子植入機的高真空室內作線上同步偵控也逐漸在國外盛行起來。 

       RGA(殘余氣體分析儀器)- 四極桿質譜儀 使用真空分析偵控儀器逐漸形成一股趨勢，在制程技術層次不斷提高，復雜度不斷增加，單片成本提高的多種因素考量下，要維持低成本，高良率及高機臺使用效益，才能更增加本身的競爭優勢。而殘余氣體分析儀，則是一種非常有用的工具之一。未來趨勢已逐漸走向12吋晶圓，當晶圓成本不斷提高而因意外或異常現象造成的生產損失也相對地隨之提高。因此將RGA作線上同步制程偵控的必須性也被進一步地認可。

RGA(殘余氣體分析儀器)應用
一、對所有真空制程腔而言，定期地清理腔內壁或更換零件是個必須的過程。而每當恢復真空時難免遇到壓力抽不下去的問題，可能因素除外漏，主要還是內部零件的逸氣所造成，當然外漏可用氦氣測漏儀予以偵測，而對真空腔內部的逸氣源則只能用殘余氣體分析儀加以認定。對分秒必爭的半導體制造工業界，有效控制機臺的downtime乃一重要課題。若利用RGA將每個真空腔在恢復真空時各個壓力區間所量測的殘余氣體分析譜線予以記錄，而在每次預防保養后將測得質譜與正常狀況下所測之質譜作一比較，往往可以提早確定真空腔之正常與否而不致在等了一段時間后才發現問題，也因此能更有效率地減低downtime以提高機臺使用率。除此當RGA鎖定量測質量為氦氣時即相當于一個輕便簡單的測漏儀。所有外漏或逸氣皆逃不出其法眼。 

二、目前業界使用物理性氣相沉積法(PVD)來沉積的金屬層(Al,Cr或Cu)或阻障層(TiN)對一般水氣或氧氣污染的要求極高，因微量帶氧污染物即可能形成金屬氧化物而影響金屬層的電阻率，換句話說對所使用真空腔的真空度更是松懈不得。一般基本真空度起碼得在10^-8 Torr左右，但可能對制程有嚴重影響的污染物卻有太多機會進入真空腔造成損失。譬如說不純的氣體來源，更換靶材或Shield之逸氣，外漏的流量計或接頭，晶圓本身之逸氣...等等。而密閉式離子源的殘余氣體分析儀可以被使用在1-10 m Torr的制程壓力下對所有污染物作線上同步的偵控，在每片晶圓成本不斷提高的趨勢下，對主要制程的同步偵控不但可大幅減少意外損失更能因快速確認影響真空之問題所在。最常見的金屬物理氣相沉積-濺鍍，所使用的工作氣體是氬氣，而最常見的污染源則是水氣，水氣在RGA譜上所顯示的位置是m/e=18，但帶兩價的氬離子顯示的位置則是m/e=20。另外氬氣m=36的同位素若帶兩價則會顯示在m/e=18的位置。換言之，若不慎重選擇燈絲釋放電子能量，在質譜m/e=18的位置就可能是Ar++(36)或是H2O+(18)而因此對物理沉積金屬過程中的水氣偵控造成限制。 

三、至于對化學性氣相沉積法(CVD)的制程來說，雖然對基本真空度的要求不比PVD，但因使用氣體繁多而氣體純度及穩定度都會影響制程結果。殘余氣體分析儀往往被業界使用來深一層了解所使用的化學反應進而加以控制制程穩定度。尤其是當制程出了些問題時，業界手邊常無一樣可供其偵測分析的儀器。 RGA即是最常被使用的分析儀器。舉例來說，在鎢的沉積過程中若有過多含氧污染物(譬如水氣或氧氣)，則與六氟化鎢(WF6)反應行成氟氧化鎢(WOFx) ，而這個反應生成物將大大降低鎢本身的電阻率。 

四、一般對蝕刻制程來說，不論是對多晶矽，金屬層或氧化物所使用之氣體，都多少具腐蝕性及反應性，在使用殘余氣體分析儀時必須尤其注意制程氣體對儀器本身的破壞性。另外對容易產生particle的制程而言，往往節流孔的阻塞會造成意料之外的不便，也因此盡管理論上質譜儀可被用來作蝕刻終點偵測，但實際上業界真正使用RGA在蝕刻制程中作偵測的仍為少數。反而在真空度要求較高的離子植入制程中，使用基本型的RGA即可在制程過中，隨時偵測系統氣體分布，不但簡單而且成本較低，在最近頗受業界歡迎，實際使用效果反應也不錯。