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機械工業雜誌

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摘要

目前半導體製程中對電漿參數的即時監測仍依賴機台端感測器與製程後的檢測分析,無法直接掌握 製程中晶圓表面的實際電漿條件。晶圓式電漿感測系統可直接模擬實際晶圓,在製程環境中即時收集電 漿參數,有效彌補目前缺乏「製程原位感測」的技術缺口,有助於提高製程控制精度與產品良率。本晶 圓式電漿感測系統採用與12 吋製程晶圓相同尺寸與材質之感測晶圓,具備高度相容性,能直接進入製程 反應腔體中,不影響原有設備運作,其透過內建多點感測元件,可即時量測電漿製程中的電漿特性參數, 如:電漿電位、浮動電位、電漿密度等關鍵參數。相較於傳統診斷系統於腔體外部侵入進行單點感測方式, 本系統能快速透過感測晶圓多點蒐集的數據,提供更接近實際製程條件下的真實量測資訊,並可完整反 映製程腔體中不同位置的電漿行為,將有效協助製程優化、故障診斷與設備維護。此技術將能應用於先 進半導體製程中的電漿蝕刻與薄膜沉積設備,能大幅提升製程控制精度、穩定性與最終產品良率,並有 助於縮短製程開發週期與降低生產成本。

Abstract

Current real-time monitoring of plasma parameters in semiconductor manufacturing relies on toolbased sensors and post-process inspection, making it impossible to directly ascertain the actual plasma conditions at the wafer surface during processing. Wafer-based plasma sensing systems can directly simulate actual wafers to collect plasma parameters in real-time within the processing environment; this effectively bridges the gap in “insitu process sensing” capabilities and helps improve process control precision and product yield. The wafer-based plasma sensing system utilizes a sensor wafer that matches the size and material of a 12-inch process wafer, ensuring high compatibility and allowing it to enter the process chamber without affecting existing equipment operations. Equipped with built-in multi-point sensors, the system can perform real-time measurements of key plasma parameters such as plasma potential, floating potential, and plasma density during plasma processes. Compared to traditional diagnostic systems that rely on intrusive, single-point measurements from outside the chamber, this system rapidly collects data from multiple points across the sensor wafer, providing accurate and representative measurements under actual process conditions. It enables comprehensive monitoring of plasma behavior across different locations in the chamber, which significantly aids in process optimization, fault diagnosis, and equipment maintenance. This technology is particularly suited for advanced semiconductor processes such as plasma etching and thin-film deposition, offering substantial improvements in process control precision, stability, and final product yield. Additionally, it helps shorten process development cycles and reduce manufacturing costs.

前言

半導體產業持續朝向先進製程節點、高深寬比結構及異質整合封裝技術發展,電漿製程(Plasma Processing)已成為蝕刻(Etching)、薄膜沉積(Deposition)、原子層沉積(ALD)、電漿增強化學氣相沉積(PECVD)及先進封裝等關鍵製程的重要核心技術。製程過程中,電子密度(Electron Density)、電子溫度(Electron Temperature)、離子通量(Ion Flux)及離子能量分布(Ion Energy Distribution)等電漿參數將直接影響蝕刻速率、薄膜均勻性、臨界尺寸控制及最終產品良率,因此如何即時掌握電漿狀態,一直是半導體設備與製程控制的重要研究課題。

電漿診斷技術的理論基礎可追溯至 1990 年代。Hopwood 於 1992 年發表之「Review of Inductively Coupled Plasmas for Plasma Processing」[1]系統性建立感應耦合電漿(ICP)於半導體製程中的應用理論,詳細說明射頻(Radio Frequency,RF)能量耦合機制、電子加熱模式及電漿均勻性形成原理,奠定現代 ICP 蝕刻與 PECVD 設備的理論基礎。由於 ICP 具有高電漿密度(10¹¹-10¹² cm⁻³)、低離子能量及優異均勻性等特性,目前已成為先進半導體蝕刻設備的主流架構,而其製程穩定度亦高度仰賴電漿診斷技術的支援。

在電漿診斷理論方面,Hutchinson 於 2002 年出版之「Principles of Plasma Diagnostics」[2]被視為電漿診斷領域最具代表性的經典教科書之一。該書完整建立探針診斷(Probe Diagnostics)、光學診斷(Optical Diagnostics)、微波診斷(Microwave Diagnostics)及質譜分析(Mass Spectrometry)等技術架構,並提出接觸式(Contact)與非接觸式(Non-contact)量測之分類方法,成為全球電漿研究及半導體製程監測的重要理論依據。隨後,Chen 於 2003 年發表「Lecture Notes on Langmuir Probe Diagnostics」[3],進一步建立 Langmuir Probe、Double Probe 及 Triple Probe 等探針診斷技術之理論基礎,完整推導電子密度、電子溫度、電漿電位及浮動電位等重要電漿參數的求解方法。該文獻至今仍是電漿探針診斷領域最常被引用之經典文獻,其建立之 I-V 曲線分析方法及電子能量分布函數(EEDF)分析理論,已廣泛應用於半導體設備、核融合及低溫電漿研究領域。

在半導體電漿製程理論方面,Lieberman 與 Lichtenberg 於 2005 年出版「Principles of Plasma Discharges and Materials Processing」[4],被譽為電漿製程領域的經典教材。該書系統性建立 CCP、ICP、ECR 及磁控濺鍍等電漿源理論模型,並完整推導 Bohm Criterion、Debye Length、Plasma Sheath 及 Ion Flux 等重要理論,成為目前蝕刻、PECVD、ALD 及 HDP-CVD 設備設計與製程開發的重要依據。現今多數電漿診斷系統中電子密度、離子通量及離子能量之計算方法,均建立於此理論基礎之上。

DOI:10.30256/JIM.202609_(522).0006

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