RGA残余气体分析仪在PVD/CVD中运用

                               
    制程镀膜、蚀刻、微影、扩散/离子植入四大部份，其中除了微影部份较少用真空外，几乎每个步骤都必须在真空室内完成。而由于产品尺寸越作越小，对空气中微小尘粒所造成的污染容忍度就越来越低。换言之，对真空制程室内的洁净度要求则越来越高。其中对真空要求最严格的制程为金属物理沉积，其真空全压力必需达到1x 10^-8 Torr左右，才能大幅降低背景水气及氧气对溅镀金属层电阻性的影响。对于沉积晶粒大小(Grain Size)及电移性(Electron Migration)而言，使用超高真空室及超高纯度金属靶材将比仅仅使用高真空室及高纯度靶材相对上改善许多。至于可能造成晶圆污染的原因，不仅是真空室内的残余气体，尚有以下几种可能的污染源：定期更换的金属靶材，制程用的高纯度气体，输送气体管线及流量计，甚至于进出真空反应室的晶圆本身都是可能的污染源。因此残余气体分析仪，近年来已被广为使用为线上同步侦控的仪器。透过半导体标准化的界面(SECS)与各式机台连线，不但可以同步侦测可能缺失，更可以主动传送错误或警告讯息，以防止更大更多因为错误而造成的损失。 

       残余气体分析仪在传统上除了应用于真空检漏以外，还可以用于测量真空室内真空度的好坏。举例说，机台经过周期性清洗保养后，利用RGA来取得真空室内残余气体分布，及建立完整的资料库以便于日后比对。除了可以立即发现真空异常现象外，更能马上判断出问题之征结。近年来RGA更被使用在制程中作同步侦控，以期提早发现问题，避免浪费生产时间，并提高机台之使用率。 

       在同为金属镀膜但使用化学沉积方式的制程中，因参与化学反应之反应物或生成物通常活性较高，并且反应过程远比物理沉积复杂，所以对整个反应过程之了解并不完全。换言之，在化学沉积过程中当有问题发生时，能立即判断并解决问题之能力比在物理沉积过程中判断问题发生的能力差。残余气体分析仪则因此广为使用于发生问题后，找寻原因之工具。蚀刻制程中，因多数被使用的气体皆具高反应性，高侵蚀性，致使大家会担心，仪器本身会因被气体侵蚀而丧失正确性，甚至有所损坏。事实上当正确选用了镀保护膜的真空帮浦及经过减压过程后，所有具侵蚀性气体对分析仪的损害，几乎可以完全忽略。至于在利用电浆作干式蚀刻制程中，残余气体分析仪不但可随时侦测各种气体在电浆室内的变化，更可选择以某种反应生成物的强度来作为蚀刻终点的侦控。至于在离子植入过程中异常的气体分布或残留气体对植入层的均匀性会造成相当的影响。因此将残余气体分析仪安装在离子植入机的高真空室内作线上同步侦控也逐渐在国外盛行起来。 

       RGA(残余气体分析仪器)- 四极杆质谱仪 使用真空分析侦控仪器逐渐形成一股趋势，在制程技术层次不断提高，复杂度不断增加，单片成本提高的多种因素考量下，要维持低成本，高良率及高机台使用效益，才能更增加本身的竞争优势。而残余气体分析仪，则是一种非常有用的工具之一。未来趋势已逐渐走向12吋晶圆，当晶圆成本不断提高而因意外或异常现象造成的生产损失也相对地随之提高。因此将RGA作线上同步制程侦控的必须性也被进一步地认可。

RGA(残余气体分析仪器)应用
一、对所有真空制程腔而言，定期地清理腔内壁或更换零件是个必须的过程。而每当恢复真空时难免遇到压力抽不下去的问题，可能因素除外漏，主要还是内部零件的逸气所造成，当然外漏可用氦气测漏仪予以侦测，而对真空腔内部的逸气源则只能用残余气体分析仪加以认定。对分秒必争的半导体制造工业界，有效控制机台的downtime乃一重要课题。若利用RGA将每个真空腔在恢复真空时各个压力区间所量测的残余气体分析谱线予以记录，而在每次预防保养后将测得质谱与正常状况下所测之质谱作一比较，往往可以提早确定真空腔之正常与否而不致在等了一段时间后才发现问题，也因此能更有效率地减低downtime以提高机台使用率。除此当RGA锁定量测质量为氦气时即相当于一个轻便简单的测漏仪。所有外漏或逸气皆逃不出其法眼。 

二、目前业界使用物理性气相沉积法(PVD)来沉积的金属层(Al,Cr或Cu)或阻障层(TiN)对一般水气或氧气污染的要求极高，因微量带氧污染物即可能形成金属氧化物而影响金属层的电阻率，换句话说对所使用真空腔的真空度更是松懈不得。一般基本真空度起码得在10^-8 Torr左右，但可能对制程有严重影响的污染物却有太多机会进入真空腔造成损失。譬如说不纯的气体来源，更换靶材或Shield之逸气，外漏的流量计或接头，晶圆本身之逸气...等等。而密闭式离子源的残余气体分析仪可以被使用在1-10 m Torr的制程压力下对所有污染物作线上同步的侦控，在每片晶圆成本不断提高的趋势下，对主要制程的同步侦控不但可大幅减少意外损失更能因快速确认影响真空之问题所在。最常见的金属物理气相沉积-溅镀，所使用的工作气体是氩气，而最常见的污染源则是水气，水气在RGA谱上所显示的位置是m/e=18，但带两价的氩离子显示的位置则是m/e=20。另外氩气m=36的同位素若带两价则会显示在m/e=18的位置。换言之，若不慎重选择灯丝释放电子能量，在质谱m/e=18的位置就可能是Ar++(36)或是H2O+(18)而因此对物理沉积金属过程中的水气侦控造成限制。 

三、至于对化学性气相沉积法(CVD)的制程来说，虽然对基本真空度的要求不比PVD，但因使用气体繁多而气体纯度及稳定度都会影响制程结果。残余气体分析仪往往被业界使用来深一层了解所使用的化学反应进而加以控制制程稳定度。尤其是当制程出了些问题时，业界手边常无一样可供其侦测分析的仪器。 RGA即是最常被使用的分析仪器。举例来说，在钨的沉积过程中若有过多含氧污染物(譬如水气或氧气)，则与六氟化钨(WF6)反应行成氟氧化钨(WOFx) ，而这个反应生成物将大大降低钨本身的电阻率。 

四、一般对蚀刻制程来说，不论是对多晶矽，金属层或氧化物所使用之气体，都多少具腐蚀性及反应性，在使用残余气体分析仪时必须尤其注意制程气体对仪器本身的破坏性。另外对容易产生particle的制程而言，往往节流孔的阻塞会造成意料之外的不便，也因此尽管理论上质谱仪可被用来作蚀刻终点侦测，但实际上业界真正使用RGA在蚀刻制程中作侦测的仍为少数。反而在真空度要求较高的离子植入制程中，使用基本型的RGA即可在制程过中，随时侦测系统气体分布，不但简单而且成本较低，在最近颇受业界欢迎，实际使用效果反应也不错。