RGA残余气体分析仪在半导体制程上的应用

  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
l        应用背景
  残余气体分析仪在传统上除了应用于真空测漏以外，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。

 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[4]。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[5]。,

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。

l        应用摘要

 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 mTorr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[7]。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[8]。
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。

l        作用原理(

      RGA属于四极管作正离子筛选的质谱仪。以传统使用在高真空范围的RGA来说，它主要包括了三大部份。第一是侦测头(Sensor)，第二是电子控制箱(Electronic Box)，第三部份是控制显示器-电脑。在第一部份的侦测头中又包含了三部份:离子源( Ion Source)、四极式离子选择管( Quadrupole Mass Filter)及离子电流接收器(Ion Current Detector)。其操作原理乃是将连接于侦测头的真空室内所有中性气体成份在离子源内经由从灯丝(Filament)中放射出的电子撞击而产生的离子导进四极管的入口。电子所携带的能量对形成离子的分布有绝对性的影响，普遍RGA都选择70 eV是因为美国国家中央标准局(NIST)的质谱资料库乃以70 eV为主，但70eV的能量对氩气而言却足够形成带两价的氩离子(Ar++)，这在质谱上会出现在m/e=20的位置，质谱本身的复杂性就因大分子会裂解而令人望而却步。若在加上多价离子更是雪上加霜。因此在特定应用制程中，对特定气体作侦控时必须特别注意多价离子的存在，以免错误判断。而四极管本身乃以交错相位的直流及交流电位而产生的共振电场对具不同质电比(m/e ratio)的正离子进行筛选。换言之当适当控制直流与交流电位比例时，所产生的电场仅与某单一质电比离子形成共振现象。而此种离子则以稳定螺旋轨迹顺利通过筛选以进入接收器，其它所有质电比的离子则因通过轨迹不稳定而导致撞击器壁中和后被真空帮浦抽走。至于接收器本身也大致分成两类。第一类是灵敏度低但稳定性高的法拉第杯式( Faraday Cup)。第二类则是高灵敏度但稳定度较差的电子倍增式(Electron Multiplier)。不论那一类的接收器所侦测的直接讯号仍是离子电流。但一般可经软体换算成分压显示。第二部份的电子控制箱仍多半采用插卡式组合。其中包括了中央处理器板(CPU Board)，RF产生板(RF Board)，电源供给板(Power Supply Board)及前置放大板(Preamp. Board)。至于第三部份的电脑则多半以RS232或RS485(一台电脑可同时操作8套RGA)的界面连接到电子控制箱。以上简单介绍的是最基本的RGA (图二)，而其适用最大压力则局限于10-4 Torr左右，这种基本型的RGA往往因制程压力大于最大操作压力而无法使用在制程中作线上同步侦控。另外离子源中用以产生电子的灯丝为了保持正常的使用期限，周遭压力最好小于10-4 Torr。也因此对一般镀膜制程压力由1 mTorr到100 Torr或更高的情形下，这种基本型的RGA则无法使用在制程中作线上同步侦控。在将离子源结构作适当修改并配合使用一套RGA本身的帮浦系统后既可保持离子源灯丝，四极管及接收器皆处于小于10-4 Torr的压力，又可以同时从1-10m Torr制程压力的真空室中采样侦控的一种"密封式离子源残余气体分析仪"便很快的引起使用者的注意及兴趣(图三)。这种密封式离子源RGA因本身背景压力可维持在10-9 Torr，对溅镀过程中产生的污染-譬如说水气、氧气，其侦测灵敏度可到<500 ppb (以5m Torr的氩气为标准)。至于对使用高反应性及高侵蚀性的制程而言，RGA除了在真空帮浦本身的抗蚀性得特别要求外，也因不同制程压力(由1 mTorr到100 Torr (甚至更高都有可能)，必须使用不同尺寸的节流装置(Orifice) 。为了进一步保护侵蚀性气体对离子源或四极管的损害，在RGA与待测反应室间的阀门处可引微量的氩气或氮气(与机台上所使用气体同)作所谓的"气体保护"(Gas Shield) [6]。

l       分类介绍 

   工业用残余气体分析仪大致依其不同设计，适用压力范围，灵敏度及应用制程可分成四大类。而前文所介绍的基本型(或开放式离子源型)RGA及先进型(或密封式离子源型)之外，在RGA与待测反应室间的阀门处作所谓的"气体保护"乃是第三大类(图四)。至于最后一类乃是第一、第二类的混合版，其不但大小比第一类还小，不需要真空帮浦，适用压力可达20m Torr左右。基本原理其实不外乎利用平均自由径与压力间的关系，以提高RF共振频率及缩小四极管的尺寸即可符合高压力下小平均自由径的要求。甚至于加装毛细管及辅助帮浦后，即使是最基本型RGA皆可适用于高达2 Atm的压力。总而言之，在选择适用的RGA之前，下列三点必须充分考虑评估，才不致选错仪器徒劳无功。第一是应用制程压力。因基本型RGA使用压力需小于10-4 Torr，而一般制程除离子植入外压力都介于10-3 Torr到100 Torr，甚至到大气压(APCVD) 。因此使用RGA时必须配合适当大小的节流孔(Orifice)及高真空帮浦所造成的differential pumping来维持RGA内四极管所需的压力范围。另一方面使用尺寸太大的节流孔，可能不能达到所需的压力，而使用太小的节流孔却可能影响取样反应时间及灵敏度。第二点是侦测微量污染物要求的灵敏度，一般来说除在物理气相沉积的超高真空环境下，所有污染物(譬如说水气)与主要制程气体(譬如说氩气)的比例需小于10 ppm以下，其他制程对微量污染物要求较为宽松。不同方式组合成的RGA会具有从500 ppb到100 ppm的灵敏度，当然价钱上亦大大不同。所以在选购RGA之前最好先确定待测制程中对微量污染物的要求。最后一个必须考量的因素是RGA本身的可信度及稳定度。不论是将RGA使用在对真空腔的测漏或对制程作24小时的线上同步侦控，所量测到的质谱必需正确反映出真空室内不同残余气体之差异变化。除此而外日复一日的线上监控仪器更需具备高度的稳定性，否则使用一个本身都不稳定的仪器来期望监控制程之稳定性岂不如缘木求鱼。另外对侦控生产的仪器而言，意外保护系统(Interlock system)非常重要。因为不论是机台或是仪器本身有问题时(譬如压力过高或温度过高等等)，为了保护产品再度受影响，在机台及分析仪器间的阀门必须立即关闭，其他相关安全动作也必须一一自动完成，才不致因使用同步侦控仪器反而造成使用者更大困扰。

l    在半导体工艺中应用RGA的结果
•改善质量&   •提高流片量      •减少停机时间:`.Z,•改进工艺     •缩小工艺周期      •降低成本