臺灣博碩士論文加值系統

本研究於金屬銅離子電感耦合式電漿源系統中，引入脈衝的觀念，藉由對射頻功率做週期性調變，提高電漿離子化程度，並且達到降低電子溫度，改善因為電子累積於晶圓中溝槽(trenches)或引洞(vias)的側壁上，形成電位差，使離子在轟擊蝕刻過程中，因為電位差效應，改變垂直蝕刻方向，造成底部側向蝕刻，形成電漿傷害。
而銅離子電感耦合電漿源，由於銅原子游離化特性，可經由基材上加偏壓，吸引金屬離子沈積，達到沈積方向的控制，獲得良好的階梯覆蓋性。
本研究中，分別討論在射頻功率調變下，與傳統連續模式下，電漿特性隨操作參數之變化情形。在此，吾人將利用蘭牟爾探針及光譜儀進行量測與分析。在電感式耦合脈衝調變電漿源中，施予探針偏壓收集電漿中電子、離子電流，取得電流電壓特性曲線，分析電子溫度，電漿密度，及分析電子能量機率分佈函數。其中利用補償電子機率函數中，低能電子部分，重新計算有效電子溫度。
在光譜量測中，由銅原子與銅離子譜線光強度隨操作參數之變化，討論銅原子在電漿中之游離率與操作參數之關係。由實驗結果可知，射頻線圈下方的銅原子游離率高於靶材下方，而且射頻線圈下方的游離率隨射頻功率增加而提高，表示經過射頻功率輸入，確實可以提高銅原子電漿游離率。
在二維探針量測結果中，發現靶材上方環形磁鐵，對徑向的電子溫度與電漿密度影響很大，因為帶電粒子運動受到磁場束縛，所以在接近磁場強的位置，電子溫度會升高。電漿密度高的區域也是集中在中心位置。在軸向量測的結果中，可以看出電漿密度高的區域出現在射頻線圈中心位置。
最後由訊號產生器輸入10 kHz脈衝訊號至射頻功率源中，調變射頻功率，以探針量測脈衝調變下，電漿特性隨操作參數之變化，在分析結果中可以看出，脈衝調變下的電漿密度(1011 cm-3)，比連續模式電漿密度(1010 cm-3)高1個級數(order)，而且脈衝調變下的電子溫度也比連續模式電漿低。
在脈衝調變探針量測結果中，另外以補償低能電子方式，計算有效電子溫度，將計算有效電子溫度與量測電子溫度比較，相差範圍在0.3 eV之內，隨時間變化的趨勢上差異性不大。經由量測電子溫度與計算有效電子溫度比較，可以知道補償低能電子方式，是可行性高的分析方式。此外，藉由補償低能電子分析方式，也可以看出探針無法收集到的低能電子部分，在電漿中隨操作參數之變化情形。
而光譜的量測與探針量測中，也發現有待改進的地方。光譜量測銅離子譜線時，光譜儀接受到的銅離子譜線強度太弱，使得分析後的游離率趨勢不夠明顯，所以需要找尋譜線光強度高的銅離子譜線，替代量測的銅離子(213.6 nm)譜線。而在探針量測上，因為銅會濺鍍在探針上，尤其是直流功率輸入時，因為銅靶材受轟擊效果更強，探針遭濺鍍程度更明顯，當濺鍍到探針上的銅面積增大到一定程度之後，會使探針中的鎢絲與探針外殼接地部分形成短路，造成施於探針上的偏壓與接地短路，此時探針上的偏壓會全部落電壓電流轉換電阻上，使電壓電流轉換電阻超過所能承受之功率值而燒毀。
所以實驗過程中，電壓電流曲線上如出現異常大的電流值，必須取出探針做清潔，才可繼續進行量測，這是在探針量測時須特別注意的。

目錄
第一章 前言……………………………………..……….…………….1
第二章 文獻回顧……………………….……………………...……….3
2.1 PVD 技術改良相關文獻……….…….…………………...…..3
2.2 脈衝調變電漿源研究相關文獻…………………………….....11
2.3 電漿特性量測相關文獻……….……………..………………..13
2.4 金屬離子電漿光譜量測文獻….………………..……………..16
第三章 基本原理………………………………………………………...21
3.1 電感式耦合電漿源……………………………...……………..21
3.1.1 電感式耦合金屬離子電漿源原理……………………....21
3.2 脈衝調變理論……………………………………..…………...24
3.3 阻抗匹配………………………………………………….…....28
3.4 探針量測理論……………………………….………………....30
3.4.1 蘭牟爾(Langmuir)探針應用…………….……………...30
3.4.2 基本電壓-電流曲線………………………...………..…32
3.4.3 探針量測計算…………………………..…..…………..35
3.4.4 電子能量分佈函數(EEDF)………………..….………...38
3.4.5 探針的適用性…………………………………..………..42
3.5 光譜量測理論……………………………………...…………..43
3.5.1 基本原理…………………………………..……………..43
3.5.2 電漿光譜量測………………………………..…………..44
第四章 量測系統架構…………………………………..…..….……..47
4.1 目的………………………………….…….…..……………...47
4.2 系統架構…………………………………………....………...47
4.2.1 探針量測…………………………………..…………...47
4.2.2 光譜量測………………………………..….…………..51
第五章 實驗步驟………………………………………………………...52
第六章 實驗結果與討論………………………………………………...56
6.1連續電漿光譜之量測(TRIAX 320 光譜儀量測)………........56
6.1.1 氬原子與銅原子解離率之光譜量測……………….....57
6.2 氬原子之游離率光譜量測…………………………….….....60
6.3 光譜量測銅原子游離率之結果與討論………………….......66
6.3.1 直流功率源對銅原子游離化之影響…………………....66
6.3.2 操作氣壓對銅原子游離化之影響………………….....69
6.4 蘭牟爾探針量測銅離子電漿源結果與分析（CW）……......72
6.4.1 電漿參數隨徑向之變化（一維探針量測）……….....72
6.4.2 二維探針量測電漿特性隨徑向、軸向之變化………...79
6.5 探針量測脈衝調變下銅離子電漿源之特性與分析…….......93
6.5.1電漿密度隨輸入調變射頻功率、氣體壓力之變化…......94
6.5.2電子溫度量測與有效電子溫度分析之結果與討論….....101
6.5.3量測電子溫度隨輸入射頻功率之變化……………….....105
6.5.4操作氣體壓力對電子溫度之影響…………………….....107
6.5.5 脈衝調變下有效電子溫度分析…………………..…....109
6.5.6 脈衝調變電漿電位分析與討論…………………..…....123
第七章 結論…………………………………………………………...126
參考文獻……………………………………………….….…………...130
附錄……………………………………………………………………...132
圖表目錄
(圖2-1)典型電感式耦合電漿機台架構[1]…………………..…………..4
(圖2-2)底覆蓋率與階梯覆蓋率SEM圖[5]……………….….…………...4
(圖2-3)準直器改善底覆蓋率[2]………………………....……………..5
(圖2-4)自我維持電漿的工作流程[4]………………….….……………..6
(圖2-5)有工作氣體與無工作氣體之比較………………..……...……..7
(圖2-6) PCM-PVD 系統構造圖[21]…………………………….…….....8
(圖2-7) 陣列磁極排列與磁場分佈[21]……….…………..…………….9
(圖2-8) PCM-PVD 沈積率、底覆蓋率、電子溫度與電漿密度隨操作參數之變化[21]……………………….…………………………….…..........9
(圖2-9)電感耦合式線圈輔助磁控濺鍍電漿源系統圖[25]…….……...10
(圖2-10)電荷堆積傷害機制圖[26]..……...……………………………11
(圖2-12a) TM Mode，功率300 Ｗ、5 mTorr、腔體中心位置，線圈下方20 cm，調變頻率10 kHz方波調變功率關閉時，電子能量函數隨時間變化。[26]…………………………………………………………….......14
(圖2-12b) 與(圖2-12a)相同條件下做電子能量機率函數分佈[26]…..14
(圖2-13) ICP 光譜量測機台架構[18]………….……………………...16
(圖2-14) 離子密度與射頻功率關係[18]………………………..……..17
(圖2-15) 光譜量測銅離子(213.5nm)與銅原子(216.5nm)譜[18]……..17
(圖2-16) 氬氣與銅離子波長/光強度關係圖[18]……………………...19
(圖2-17)經由光譜量測銅光譜強度得游離比關係圖[12]……………...19
表2-1 游離能與波長之對照表…………………………….……..…....20
(圖3-1)離子打在靶材上造成電流示意圖…………………..…………..21
(圖3-2)靶材轟擊圖……………………………………………………....22
(圖3-3)磁場改變電子與離子運動方向….……………………………...22
(圖3-4)靶材表面粒子運動軌跡[2]……………………………………...23
(圖3-5)射頻電漿源示意圖[25]………………….……….……………..23
(圖3-6)脈衝時序調變…………………………………………………....24
(圖3-7)電漿腔體與電漿體關係圖……………………………………....25
(圖3-8)阻抗匹配等效電路圖…………………………………………....28
(圖3-9)馬克斯威廉分佈[19]…..……………………….…...…………31
(圖3-10)探針量測圖……………………………………………………...32
(圖3-11)電壓電流特性曲線……………………………………………...32
(圖3-12)Sheath區邊緣粒子擾動示意圖[28]…………………………...38
(圖3-13)電子經過鞘區被探針收集到示意圖[28]….……..….……….39
(圖3-14)粒子撞擊探針入射角度圖[28]……….…………..…..………40
(圖3-15)定義積分上半球面[28]………………………………………...41
(圖3-16)能接轉換過程能量以光形式釋出[27]………………………...43
(圖3-17a)能量釋放與放出光譜[24]…………….…………….………..44
(圖3-17b)躍遷至介穩態釋出光[24]…………………………………....45
(圖3-17c)環境因素影響光譜強度[24]………….……………………...46
(圖4-1)基本探針量測架構……………………………………………....49
(圖4-2)光譜量測架構…………………………………………..………..51
(圖5-1)電漿系統架構[24]………………………………………..……..52
(圖5-2)電漿源主腔體結構[24]…………………………….…….……..53
(圖5-3)探針結構圖[24]………………………………….……….……..54
(圖5-4)脈衝調變電漿探針量測流程圖………………………………....55
(圖6-1)脈衝調變銅離子電漿源系統構造簡圖………………..………..57
(圖6-2)氬原子(Ar*)光譜量測結果……………………………..……...58
(圖6-3)氬離子(Ar＋)光譜量測結果……………………………..……..58
(圖6-4)銅原子(Cu*216.5 nm)、銅離子(Cu+)光譜量測結果……..……59
(圖6-5)光譜Gaussian 積分面積圖.………………………………..…..59
(圖6-6)Ar*(420.0 nm)距靶材下方2 cm處量測，光強度隨輸入射頻功率之變化，氬氣壓力為10∼40 mTorr。……………………………..….....60
(圖6-7) Ar+(480.6 nm)距靶材下方2 cm處量測，光強度隨輸入射頻功率之變化，氬氣壓力為10∼40 mTorr。……………………………….....61
(圖6-8) Ar*(420.0 nm)距射頻線圈下方2 cm處量測，光強度隨輸入射頻功率之變化，氬氣壓力為10∼40 mTorr。………………………….....61
(圖6-9) Ar+(480.6 nm)距射頻線圈下方2 cm處量測，光強度隨輸入射頻功率之變化，氬氣壓力為10∼40 mTorr。………………………….....62
(圖6-10) 氬原子游離率隨射頻功率之變化情形，氬氣壓力為10∼40mTorr。量測位置分別為靶材下方2 cm及線圈下方2 cm，二觀測點相距10 cm。…………………………………………………………..........63
(圖6-11) 在靶材輸入直流功率源0.5 kW下，氬原子游離率隨射頻功率變化之情形，量測位置距離靶材下方2 cm 處。……………………......64
(圖6-12) 在靶材輸入直流功率源0.5kW下，氬原子游離率隨射頻功率變化之情形，量測位置距離射頻線圈下方2 cm 處。………………........64
(圖6-13) 氬原子游離率在靶材下方及射頻線圈下方隨射頻功率變化之情形，直流功率0.5 kW，氬氣體壓力5∼20 mTorr。………………......65
(圖6-14) 銅原子游離率隨射頻功率變化之情形，直流功率源為0.5~2 kW，量測位置於靶材下方2 cm處，氬氣體壓力10 mTorr………….....67
(圖6-15) 銅原子游離率隨射頻功率變化之情形，直流功率輸入
0.5 ~2 kW，量測位置於射頻線圈下方2 cm處，氬氣體壓力10 mTorr
………..………..…………………………………………………….…..67
(圖6-16) 銅原子游離率隨射頻功率變化之情形，輸入直流功率為0.5~2 kW，氬氣壓力10 mTorr。………………………………….. …........68
(圖6-17) 銅原子游離率，在不同壓力下隨射頻功率之變化，直流功率0.5 kW，射頻功率為20∼200 W，量測位置於靶材下方2 cm處。
………………………………………………………………………….....69
(圖6-18) 銅原子游離比，在不同壓力下隨射頻功率之變化，直流功率0.5 kW，射頻功率為20∼200 W，量測位置於射頻線圈下方2 cm處。………………………………………………………………………...70
(圖6-19) 一維探針電漿系統中量測位置圖…………………………....73
(圖6-20) 改變輸入不同射頻功率RF power 100~300 W，電子溫度隨徑向之變化，氣體壓力為15 mTorr。………………………………….......74
(圖6-21) 改變輸入不同射頻功率RF power 100~300 W，電子溫度隨徑向之變化，氣體壓力為30 mTorr。………………………………….......74
(圖6-22) 射頻功率 100∼300 W，電漿電位隨徑向之變化，15 mTorr。
………………………………………………………………………….....75
(圖6-23) 射頻功率 100∼300 W，浮動電位隨徑向之變化，15 mTorr。
………………………………………………………………………….....75
(圖6-24) 射頻功率 100∼300 W，電漿電位隨徑向之變化，操作壓力30 mTorr。………………………………………………………………......76
(圖6-25) 射頻功率 100∼300 W，浮動電位隨徑向之變化，操作壓力30 mTorr。………………………………………………………………......76
(圖6-26) 電漿密度隨射頻功率在徑向之分佈情形，操作壓力15 mTorr
..…………………………………………………………………………...77
(圖6-27) 電漿密度隨徑向分佈情形，操作壓力30 mTorr。………....78
(圖6-28) 二維探針量測相關位置簡圖………………………………....79
(圖6-29) 座標軸取自然對數後EEPF分佈……………………….….....80
(圖6-30) 座標軸取自然對數後EEPF分佈，以填補低能電子方式作圖分析。…………………………………………………………………….....81
(圖6-31) 在直流功率與射頻功率輸入下，電漿密度隨徑向之變化（厚鞘分析）。……………………………………………………………….....82
(圖6-32) 在直流功率與射頻功率輸入下，電漿密度隨徑向之變化（EEDF分析）。………………………………………………………….........83
(圖6-33) 氣體壓力為30 mTorr，在直流功率與射頻功率輸入下，電漿密度隨徑向之變化（厚鞘分析）。…………………………………….....84
(圖6-34) 改變輸入功率下，電漿密度隨徑向之變化，30 mTorr。……85
(圖6-35) 在直流功率與射頻功率輸入下，有效電子溫度隨徑向之變化，操作氣壓 15 mTorr。………………………………………………......86
(圖6-36) 不同射頻功率及直流功率輸入下，有效電子溫度隨徑向之變化，操作氣體壓力15 mTorr。……………………………………….....86
(圖6-37) 直流功率、射頻功率與壓力的變化，造成有效電子溫度在徑向的變化。…………………………………………………………….......87
(圖6-38) 氣體壓力為15 mTorr，在直流功率與射頻功率輸入下，電漿密度隨軸向之變化（厚鞘分析）。…………………………………….....88
(圖6-39) 射頻功率對電漿密度的影響在軸向上的變化。……………..89
(圖6-40) 直流功率、射頻功率、直流和射頻功率，三種功率輸入下，有效電子溫度在軸向的變化。………………………………………….....90
(圖6-41) 直流功率與壓力變化、有效電子溫度隨軸向的變化。……..91
(圖6-42) 壓力變化下，有效電子溫度隨軸向的變化，直流功率0.2 kW。…………………………………………………………………….....92
(圖6-43) 射頻功率變化下，有效電子溫度隨軸向的變化，直流功率
0.2 kW，壓力15 mTorr。………………………………………………...92
(圖6-44) 電漿密度隨射頻功率之變化，氣體壓力15 mTorr，沒有靶材偏壓。………………………………………………………………….......95
(圖6-45) 電漿密度隨射頻功率之變化，氣體壓力20 mTorr，沒有靶材偏壓。………………………………………………………………….......95
(圖6-46) 電漿密度隨射頻功率之變化，氣體壓力30 mTorr，沒有靶材偏壓。………………………………………………………………….......96
(圖6-47) 電漿密度隨氣體壓力之變化，射頻功率250W，沒有靶材偏壓。………………………………………………………………………...96
(圖6-48) 直流功率0.5 kW輸入，氣體壓力15 mTorr，電漿密度隨射頻功率之變化。………………………………………………………….......97
(圖6-49) 直流功率0.5 kW輸入，氣體壓力20 mTorr，電漿密度隨射頻功率之變化。………………………………………………………….......98
(圖6-50) 直流功率0.5 kW輸入，氣體壓力30 mTorr，電漿密度隨射頻功率之變化。………………………………………………………….......98
(圖6-51) 直流功率0.5 kW輸入，射頻功率100 W，電漿密度隨氣體壓力之變化。…………………………………………………………….........99
(圖6-52) 直流功率0.5 kW輸入，氣體壓力15 mTorr，浮動電位隨射頻功率之變化。………………………………………………………….......99
(圖6-53) 直流功率0.5 kW輸入，氣體壓力20 mTorr，浮動電位隨射頻功率之變化。…………………………………………………….….......100
(圖6-54) 直流功率0.5 kW輸入，氣體壓力30 mTorr，浮動電位隨射頻功率之變化。……………………………………………………..…......100
(圖6-55a) 電壓電流特性曲線。…………………………………..…..101
(圖6-55b) 近似馬克斯威廉分佈。………………………………..…..101
(圖6-55c) EEPF取自然對數之後，電子能量機率函數分佈。………..102
(圖6-56a) 電壓電流特性曲線。…………………………………...….102
(圖6-56b) 非馬克斯威廉分佈。………………………………………..102
(圖6-56c) EEPF取自然對數之後，電子能量機率函數分佈。…….….103
(圖6-57) 在電子能量機率函數分佈曲線上，fit直線補償低能電子。
…………………………………………………………………………....104
(圖6-58) 補償低能電子之後的電子能量機率函數分佈。………..….105
(圖6-59) 脈衝調變下，電子溫度隨輸入射頻功率之變化，與連續模式電漿電子溫度之比較。氣體壓力15 mTorr，直流功率0.2 kW。…......106
(圖6-60) 脈衝調變下，電子溫度隨輸入射頻功率之變化，與連續模式電漿電子溫度之比較。氣體壓力20 mTorr，直流功率0.2 kW。
…………………………………………………………………….….....106
(圖6-61) 電子溫度隨操作氣體壓力之變化，直流功率0.2 kW，射頻功率150 W，操作壓力為15、20、30 mTorr。…………………….........107
(圖6-62) 電子溫度隨操作氣體壓力之變化，直流功率0.2 kW，射頻功率250W，操作壓力為15、20、30 mTorr。……………………..........108
(圖6-63a) 射頻功率關時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為0、5、10 microsec，RF150 W、10 mTorr。…..
…………………………………………………………………………....109
(圖6-63b) 射頻功率關時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為20、30、40、50 microsec，RF150 W、10 mTorr。…………………………………………………………………...110
(圖6-64) 射頻功率開時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為50.4∼100 microsec，RF150 W、10 mTorr。..
…………………………………………………………………………....110
(圖6-65a) 射頻功率關時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為0、5、10 microsec，RF250 W、10 mTorr。
…………………………………………………………………………....111
(圖6-65b) 射頻功率關時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為20、30、40、50 microsec，RF150 W、10 mTorr。…………………………………………………………………...111
(圖6-66) 射頻功率開時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為50.4∼100 microsec，RF250 W、10 mTorr。
…………………………………………………………………………....112
(圖6-67a) 射頻功率關時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為0、5、10 microsec，RF 100 W、15 mTorr。….
…………………………………………………………………………....112
(圖6-67b) 射頻功率關時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為20、30、40、50 microsec，RF100 W、15 mTorr。……………………………………………………………….....113
(圖6-68) 射頻功率開時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為50.4∼100 microsec，RF100 W、15 mTorr。
…………………………………………………………………………....113
(圖6-69a) 射頻功率關時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為0、5、10 microsec，RF 150 W、15 mTorr。…
…………………………………………………………………………....114
(圖6-69b) 射頻功率關時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為20、30、40、50 microsec，RF150 W、15 mTorr。
……………………………………………………………………...…...114
(圖6-70) 射頻功率開時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為50.4∼100 microsec，RF150 W、15 mTorr。
…………………………………………………………………………....115
(圖6-71a) 射頻功率關時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為0、5、10 microsec，RF 250 W、15 mTorr。
…………………………………………………………………………....115
(圖6-71b) 射頻功率關時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為20、30、40、50 microsec，RF250 W、15 mTorr。
…………………………………………………………………………....116
(圖6-72) 射頻功率開時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為50.4∼100 microsec，RF250 W、15 mTorr。
…………………………………………………………………………....116
(圖6-73a) 射頻功率關時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為0、5、10 microsec，RF 150 W、20 mTorr。
…………………………………………………………………………....117
(圖6-73b) 射頻功率關時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為20、30、40、50 microsec，RF150 W、20 mTorr。
…………………………………………………………………………....117
(圖6-74) 射頻功率開時，補償低能電子後，電子能量機率函數分佈隨時間變化。取樣時間為50.4∼100 microsec，RF150 W、20 mTorr。..
…………………………………………………………………………....118
(圖6-75) 補償後有效電子溫度與量測電子溫度之比較。RF100 W、10 mTorr。…………………………………………………………….......119
(圖6-76) 補償後有效電子溫度與量測電子溫度之比較。RF250 W、10 mTorr。…………………………………………………………….......119
(圖6-77) 補償後有效電子溫度與量測電子溫度之比較。RF 100 W、15 mTorr。…………………………………………………………….......120
(圖6-78) 補償後有效電子溫度與量測電子溫度之比較。RF 150 W、15 mTorr。…………………………………………………………….......120
(圖6-79) 補償後有效電子溫度與量測電子溫度之比較。RF 250 W、15 mTorr。…………………………………………………………….......121
(圖6-80) 補償後有效電子溫度與量測電子溫度之比較。RF 100 W、20 mTorr。…………………………………………………………….......121
(圖6-81) 補償後有效電子溫度與量測電子溫度之比較。RF 250 W、20 mTorr。…………………………………………………………….......122
(圖6-82) 電漿電位隨射頻功率之變化，氣體壓力15 mTorr。……...124
(圖6-83) 電漿電位隨射頻功率之變化，氣體壓力10 mTorr。……….124
(圖6-84) 脈衝調變下，電漿電位隨時間的變化。…………………….125

參 考 文 獻
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