脈衝調變金屬離子電漿源之研製與電漿特性量測分析

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研究生：	施銘洲 M. J. Shih
論文名稱：	脈衝調變金屬離子電漿源之研製與電漿特性量測分析 Pulsed Metal (Cu) Ion Plasmas (ICP Enhanced Magnetron Sputtering)
指導教授：	柳克強 K. C. Leou
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	原子科學院 - 工程與系統科學系 Department of Engineering and System Science
論文出版年：	2001
畢業學年度：	89
語文別：	中文
論文頁數：	110
中文關鍵詞：	脈衝調變、濺鍍、電漿
外文關鍵詞：	pulse, sputtering, plasma, ion
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在半導體製程中，PVD技術被廣泛地使用。而PVD技術主要是用來進行薄膜沈積，大致可分為蒸鍍(Evaporation)及濺鍍(Sputtering)二種。PVD技術被用來鍍Ti/TiN(Titanium Nitride)，當作阻障層(Barrier Layer)的導電材料。由於半導體製程技術不斷地發展，晶圓(wafer)上溝槽(trenches)或引洞(vias)之深寬比(aspect ratios)不斷地提高，傳統的PVD技術已不敷使用，階梯覆蓋性(Step Coverage)很差。故須將舊有的PVD技術加以研究改良，以符合製程上的需求。而使用脈衝調變金屬離子電漿源來代替傳統的PVD技術，能夠將電漿密度提升二個數量級，且金屬原子的解離率提高，有助於離子垂直沈積的方向性，以改善階梯覆蓋性(Step Coverage)。
本研究之首要目的，是利用自行設計的靶材、磁控環、置於製程腔中之螺線形無氧銅線圈及電漿腔(附錄4)，來完成一套脈衝調變金屬離子電漿源系統。日後更可藉由此系統來完成薄膜製程的量測工作。引入Pulsed mode的觀念，可自由調整功率調變週期(period)以及工作比例(duty cycle)，多了二個製程參數，將使製程的操作上更具彈性。實驗研究中，首先將完成脈衝調變金屬離子電漿源系統之製作與測試，再利用靜電探針和光譜儀來量測，不同氬氣壓力、輸入功率，調變週期，工作比例等等條件下，電漿特性隨著時間變化的情形。其中靜電探針可求得電漿密度、電子溫度、浮動電位與電漿電位的變化情形，而光譜儀可得到金屬原子的解離率隨著軸向的變化情形。

第一章  前言 …………………………………………………………1
第二章       文獻回顧 …………………………………………………3

  2-1 PVD技術相關文獻回顧 ………………………………………3

  2-2 脈衝調變式電漿源相關文獻回顧 …………………………10

第三章  基本原理 …………………………………………………13

3-1 電漿的產生與維持的機制 ……………………………………13

3-2 脈衝調變金屬離子電漿源的基本原理 ………………………16

3-3 濺鍍(Sputtering Deposition)的原理  ……………………21

3-4 阻抗匹配原理 …………………………………………………23

第四章  實驗系統裝置 ……………………………………………25

4-1 脈衝調變金屬離子電漿源系統 ………………………………25

4-1-1系統設備主體 ………………………………………………25

4-1-2電漿源主體 …………………………………………………27

4-1-3永久磁鐵環 …………………………………………………29

4-1-4感應線圈 ……………………………………………………30

4-1-5分氣環 ………………………………………………………31

4-1-6真空系統 ……………………………………………………32

4-1-7氣體供應系統 ………………………………………………32

4-1-8射頻功率供應系統 …………………………………………33

4-1-9直流電源供應系統 …………………………………………34

  4-2電漿特性量測系統 …………………………………………35

     4-2-1靜電探針量測系統(CW 模式)…………………………36

     4-2-2靜電探針量測系統(TM 模式)…………………………39

     4-2-3電漿光譜量測系統………………………………………42

第五章       實驗方法與步驟…………………………………………47

第六章       實驗結果與討論…………………………………………48

  6-1 阻抗匹配網路之最佳化………………………………………49

  6-2 永久磁鐵環、ICP線圈對DC濺鍍放電的影響………………51

  6-3 蘭牟爾探針量測結果…………………………………………56

     6-3-1 電漿特性量測，磁鐵環距靶材2.5cm…………………57

  6-4 光譜儀量測之Cu離子解離率之結果與討論…………………67

     6-4-1 SQ2000光譜儀量測……………………………………67

     6-4-2 TRIAX550光譜儀量測…………………………………71

  6-5 脈衝調變模式之探針量測結果與討論………………………78

     6-5-1 電漿參數隨時間變化的情形……………………………78

     6-5-2 改變脈衝工作比例對電漿參數時變趨勢的影響………81

     6-5-3 改變操作氣壓對電漿參數時變趨勢的影響……………95

第七章 結論……………………………………………………………98

附錄1 …………………………………………………………………100

A.   真空及氣體輸送系統 ……………………………………100

B.    冷卻水系統 ………………………………………………101

附錄2 真空系統之操作步驟及注意事項 ……………………………102

    I. 真空抽氣操作步驟……………………………………………102

    II. 關閉真空抽氣系統步驟………………………………………105

    III. 真空腔放氣(Vent)步驟……………………………………105

    IV. 真空系統注意細節…………………………………………106

附錄3 磁控環磁場分佈圖……………………………………………107

附錄4  AutoCAD系統設計圖…………………………………………108

參考文獻  ……………………………………………………………110

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