RGA殘余氣體分析儀在半導體制程上的應用

  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
l        應用背景
  殘余氣體分析儀在傳統上除了應用于真空測漏以外，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。

 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[4]。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[5]。,

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。

l        應用摘要

 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 mTorr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[7]。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[8]。
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。

l        作用原理(

      RGA屬于四極管作正離子篩選的質譜儀。以傳統使用在高真空范圍的RGA來說，它主要包括了三大部份。第一是偵測頭(Sensor)，第二是電子控制箱(Electronic Box)，第三部份是控制顯示器-電腦。在第一部份的偵測頭中又包含了三部份:離子源( Ion Source)、四極式離子選擇管( Quadrupole Mass Filter)及離子電流接收器(Ion Current Detector)。其操作原理乃是將連接于偵測頭的真空室內所有中性氣體成份在離子源內經由從燈絲(Filament)中放射出的電子撞擊而產生的離子導進四極管的入口。電子所攜帶的能量對形成離子的分布有絕對性的影響，普遍RGA都選擇70 eV是因為美國國家中央標準局(NIST)的質譜資料庫乃以70 eV為主，但70eV的能量對氬氣而言卻足夠形成帶兩價的氬離子(Ar++)，這在質譜上會出現在m/e=20的位置，質譜本身的復雜性就因大分子會裂解而令人望而卻步。若在加上多價離子更是雪上加霜。因此在特定應用制程中，對特定氣體作偵控時必須特別注意多價離子的存在，以免錯誤判斷。而四極管本身乃以交錯相位的直流及交流電位而產生的共振電場對具不同質電比(m/e ratio)的正離子進行篩選。換言之當適當控制直流與交流電位比例時，所產生的電場僅與某單一質電比離子形成共振現象。而此種離子則以穩定螺旋軌跡順利通過篩選以進入接收器，其它所有質電比的離子則因通過軌跡不穩定而導致撞擊器壁中和后被真空幫浦抽走。至于接收器本身也大致分成兩類。第一類是靈敏度低但穩定性高的法拉第杯式( Faraday Cup)。第二類則是高靈敏度但穩定度較差的電子倍增式(Electron Multiplier)。不論那一類的接收器所偵測的直接訊號仍是離子電流。但一般可經軟體換算成分壓顯示。第二部份的電子控制箱仍多半采用插卡式組合。其中包括了中央處理器板(CPU Board)，RF產生板(RF Board)，電源供給板(Power Supply Board)及前置放大板(Preamp. Board)。至于第三部份的電腦則多半以RS232或RS485(一臺電腦可同時操作8套RGA)的界面連接到電子控制箱。以上簡單介紹的是最基本的RGA (圖二)，而其適用最大壓力則局限于10-4 Torr左右，這種基本型的RGA往往因制程壓力大于最大操作壓力而無法使用在制程中作線上同步偵控。另外離子源中用以產生電子的燈絲為了保持正常的使用期限，周遭壓力最好小于10-4 Torr。也因此對一般鍍膜制程壓力由1 mTorr到100 Torr或更高的情形下，這種基本型的RGA則無法使用在制程中作線上同步偵控。在將離子源結構作適當修改并配合使用一套RGA本身的幫浦系統后既可保持離子源燈絲，四極管及接收器皆處于小于10-4 Torr的壓力，又可以同時從1-10m Torr制程壓力的真空室中采樣偵控的一種"密封式離子源殘余氣體分析儀"便很快的引起使用者的注意及興趣(圖三)。這種密封式離子源RGA因本身背景壓力可維持在10-9 Torr，對濺鍍過程中產生的污染-譬如說水氣、氧氣，其偵測靈敏度可到<500 ppb (以5m Torr的氬氣為標準)。至于對使用高反應性及高侵蝕性的制程而言，RGA除了在真空幫浦本身的抗蝕性得特別要求外，也因不同制程壓力(由1 mTorr到100 Torr (甚至更高都有可能)，必須使用不同尺寸的節流裝置(Orifice) 。為了進一步保護侵蝕性氣體對離子源或四極管的損害，在RGA與待測反應室間的閥門處可引微量的氬氣或氮氣(與機臺上所使用氣體同)作所謂的"氣體保護"(Gas Shield) [6]。

l       分類介紹 

   工業用殘余氣體分析儀大致依其不同設計，適用壓力范圍，靈敏度及應用制程可分成四大類。而前文所介紹的基本型(或開放式離子源型)RGA及先進型(或密封式離子源型)之外，在RGA與待測反應室間的閥門處作所謂的"氣體保護"乃是第三大類(圖四)。至于最后一類乃是第一、第二類的混合版，其不但大小比第一類還小，不需要真空幫浦，適用壓力可達20m Torr左右。基本原理其實不外乎利用平均自由徑與壓力間的關系，以提高RF共振頻率及縮小四極管的尺寸即可符合高壓力下小平均自由徑的要求。甚至于加裝毛細管及輔助幫浦后，即使是最基本型RGA皆可適用于高達2 Atm的壓力。總而言之，在選擇適用的RGA之前，下列三點必須充分考慮評估，才不致選錯儀器徒勞無功。第一是應用制程壓力。因基本型RGA使用壓力需小于10-4 Torr，而一般制程除離子植入外壓力都介于10-3 Torr到100 Torr，甚至到大氣壓(APCVD) 。因此使用RGA時必須配合適當大小的節流孔(Orifice)及高真空幫浦所造成的differential pumping來維持RGA內四極管所需的壓力范圍。另一方面使用尺寸太大的節流孔，可能不能達到所需的壓力，而使用太小的節流孔卻可能影響取樣反應時間及靈敏度。第二點是偵測微量污染物要求的靈敏度，一般來說除在物理氣相沉積的超高真空環境下，所有污染物(譬如說水氣)與主要制程氣體(譬如說氬氣)的比例需小于10 ppm以下，其他制程對微量污染物要求較為寬松。不同方式組合成的RGA會具有從500 ppb到100 ppm的靈敏度，當然價錢上亦大大不同。所以在選購RGA之前最好先確定待測制程中對微量污染物的要求。最后一個必須考量的因素是RGA本身的可信度及穩定度。不論是將RGA使用在對真空腔的測漏或對制程作24小時的線上同步偵控，所量測到的質譜必需正確反映出真空室內不同殘余氣體之差異變化。除此而外日復一日的線上監控儀器更需具備高度的穩定性，否則使用一個本身都不穩定的儀器來期望監控制程之穩定性豈不如緣木求魚。另外對偵控生產的儀器而言，意外保護系統(Interlock system)非常重要。因為不論是機臺或是儀器本身有問題時(譬如壓力過高或溫度過高等等)，為了保護產品再度受影響，在機臺及分析儀器間的閥門必須立即關閉，其他相關安全動作也必須一一自動完成，才不致因使用同步偵控儀器反而造成使用者更大困擾。

l    在半導體工藝中應用RGA的結果
?改善質量&   ?提高流片量      ?減少停機時間:`.Z,?改進工藝     ?縮小工藝周期      ?降低成本