電漿薄膜沉積預測與應力分析模組技術

前言
電漿薄膜製程廣泛應用於光電、半導體、電路板產業，國內對應之設備供應商也不在少數，然而在生產操作端，雖有機台參數設定值可供參考，但腔體環境變化或電漿狀態改變等因素，若未能即時應變處理，仍會影響電漿薄膜製程穩定性。電漿薄膜製程種類之中，電漿輔助化學氣相沉積技術(Plasma-enhanced Chemical Vapor Depos-ition, PECVD)屬常見的成膜方法[1]，其電漿輸入功率(Input Power)、反射功率(Reflected Power)、阻抗(Impedance)，以及電漿光譜(Plasma Spectrum)之光學特性等物理量，皆可做為電漿診斷技術輸入值，建立薄膜沉積速率和成分預測模型並提供成膜資訊予使用者。而薄膜應力採用多重物理耦合技術搭配驗證分析，以獲得設定條件下的薄膜翹曲程度，皆可助於製程完成前預判薄膜沉積品質，以提升電漿製程良率。
為建立電漿薄膜沉積預測與應力分析模組技術，工研院機械所開發電漿輔助化學氣相薄膜沉積設備，外觀如圖1，其具備電漿表面處理、電漿輔助薄膜沉積能力，適宜做為分析模組開發之驗證平台。本文簡介電漿診斷技術和多重物理耦合模擬分析之原理，並以疏水性薄膜製程廣泛使用的碳氫氟化合物(Hydrofluorocarbons, HFCs)為前驅物材料，透過收集沉積製程中電漿物理量、量測樣品厚度、薄膜成分種類特性等性質，連結線上(In-line)和離線(Off-line)量測數據，建立電漿薄膜沉積預測模型，並以氮化矽(SiNx)薄膜展示應力分析模組建模技術，完善電漿鍍膜分析技術於實際製程設備之輔助應用。

圖1 機械所開發之電漿薄膜沉積設備外觀

電漿診斷及多重物理耦合技術簡介
1. 電漿診斷技術簡介
電漿品質影響電漿製程產品之良率，因此如何量測電漿物理特性以做為電漿診斷分析重要數據，成為電漿診斷技術核心。電漿診斷方法依探針或感測裝置是否直接接觸電漿量測其性質，區分為侵入式和非侵入式方法，侵入式電漿診斷法可獲得電子溫度、電漿密度、電漿電位等電漿特性狀態參數，蘭牟爾探針(Langmuir Probe)為此類最普遍的量測工具[2]，但會對電漿生成造成干擾，影響正在鍍膜之薄膜品質，因而有相對應的非侵入式電漿診斷法；非侵入式電漿診斷法包含微波干涉法、質譜法、以及光譜分析法，其中光譜分析法具備操作簡單、成本較低的優點，且其分辨率和靈敏度高、不影響電漿分布狀態的特性，使光譜分析成為常見的電漿分析診斷法。相關電漿診斷技術與方法分類如表1所示。

導入電漿診斷技術，目的在於將複雜且難以即時分析之物理性質，轉換為量化數值，利於建立資訊模型與分析預測，包括電漿沉積腔體設計上的幾何結構形狀、環境潔淨程度，流體力學方面的電漿成分、粒子種類、化學反應機制等，透過電漿密度、電子溫度、光譜強度、離子通量形式呈現，利於使用者分析並改善製程條件，取代舊有人為操作因素及試誤法，概念說明如圖2。
2. 多重物理耦合技術簡介
本技術綜合電漿薄膜沉積主要的物理量，包括電漿場、流場、以及流場結構電場耦合計算等，透過整合式的模擬分析技術，建構更為優化之薄膜應力預測模型。此技術所採用電腦模擬軟體係由美國CFD Research Corporation所發展的三維流體力學計算軟體CFDRC，該軟體由有限體積法(Finite Volume Method)為核心運算方程式所衍生出，軟體於問題處理流程之上，可分為三大部分：第一部分為前處理程式CFD-GEOM，包含建構幾何外型和網格(Mesh)；第二部分為CFD-ACE，亦即針對問題選擇適當條件，並配合實驗上的邊界限制進行計算工作；第三部分為後處理程式CFD-VIEW，將透過CFD-ACE計算獲得之結果，以可視化圖形輸出特定參數變化狀況並做歸納[3]。