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電漿薄膜沉積預測與應力分析模組技術

刊登日期：2024/09/02

摘要

近年來由於人力資源運用以及製造業升級議題，如何導入智慧製造概念，並提高生產品質和效率，已成為製造業關注重點。本文將介紹工研院機械所之電漿薄膜沉積建模分析技術，以機械所開發之電漿鍍膜設備作為測試驗證平台，採用電漿診斷手法，監測製程中射頻電漿源輸入功率、反射功率、以及電漿光譜強度等參數，對應薄膜厚度、成分之關係，建立薄膜沉積預測模型；另透過多重物理耦合技術，生成薄膜表面溫度與壓力分布值，將數值作為應力模型邊界條件，再以實驗資料驗證模擬分析生成曲面擬合法經驗公式，預測薄膜應力及翹曲量，其準確度可達≥ 90 %，滿足電漿薄膜智慧製造之產業應用目標。

Abstract

Due to the issues of human resource utilization and manufacturing industry upgrading in recent years. Introducing the smart manufacturing and improving production efficiency have become an important point for the manufacturing industry. This article will introduce the plasma thin film deposition modeling and analysis technology developed by the MMSL in ITRI. Using the plasma deposition equipment developed by the MMSL as a testing and verification platform, parameters such as RF plasma source input power, reflected power, and plasma spectrum intensity during the process are monitored to establish a thin film deposition prediction model corresponding to the film thickness and composition by plasma diagnostic method. Additionally, through multiple physical coupling technology to generate the values of film surface temperature and pressure distribution. These values are used as boundary conditions for the film stress model to validate the simulation analysis by experimental data. The accuracy of film stress and warpage prediction will be ≥ 90%, to meet the industrial application criteria of smart manufacturing for plasma thin film process.

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]。

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