先進半導體薄膜設備智慧製程系統：材料世界網

王慶鈞、黃智勇、張家豪 / 工研院機械所

本研究所建構之獨創先進半導體薄膜設備智慧製程系統，係整合多重物理關聯耦合模擬分析及製程參數診斷回饋技術，用以精準預測薄膜製程鍍率及膜厚均勻性。透過電腦模擬分析、驗證載台及電漿診斷技術，以實際監測診斷製程與模擬資料比對，進行回饋修正，提高系統預測準確性，除了可提升元件鍍膜品質，更可加速製程研發及節省製程調機所需時間。

【內文精選】

先進半導體薄膜設備智慧製程系統

本研究所建構之「先進半導體薄膜設備智慧製程系統」技術，首創虛實整合數位雙生技術應用於半導體真空鍍膜製程。首先透過多重物理耦合(Multiphysics Coupling)模擬分析方法，找出複雜化學反應關聯性，快速調整表面化學反應速率常數；同時，藉由流場可視化及電漿診斷(Plasma Diagnostic)所得到的實質參數，回饋修正模擬運算結果，以提升系統預測準確性。導入此智慧製程(Smart Process)系統，薄膜製程業者除了能快速找到最佳化參數外，還能提高薄膜製程的精準性；設備業者能大幅縮短關鍵模組設計開發時間，並可提高機台產能與良率。以下分別介紹本系統兩項關鍵重要技術。

1. 多重物理耦合模擬分析方法

模擬系統結合熱流、電/磁、電漿及化學反應等多重物理量數值計算分析，以建立薄膜沉積製程數據資料庫。並且透品質特性預測建模及模型調適等技術，提升整體模擬分析及預測系統的準確度。為了建立化學反應模型，會參考相關文獻所提出的反應機構，先建立出化學反應機構後，再利用軟體進行模擬分析，最後將模擬結果與實驗數據比對，以確定模型精準度。一般而言，求解空間維度越高越可詳細模擬整個MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)製程，但計算所需的時間也越長，尤其當模擬大型反應腔體及複雜的氣、固相反應，更會耗費過多時間且難以收斂。

2. 製程參數實質診斷分析技術

由於薄膜製程反應極為複雜，參數之間存在各式各樣的交互作用，因此，利用數值模擬分析方法進行參數預測的過程，為節省運算資源與時間，會適度地簡化部分腔體結構以及邊界條件，以近乎理想的條件進行計算，但這會導致運算結果與實際狀況存在誤差。於本研究中，團隊導入製程參數診斷技術，透過實際量測所得之數據資料用以回饋修正模擬計算結果，藉以提高預測準確度。

(1) 流場可視化驗證平台

流場可視化技術，可以提升高溫熱流/旋轉耦合模擬分析技術的準確度，以往傳統的分析模擬並沒有可視化流場的驗證，而是透過實驗Try and Error的方式來回饋校正模擬分析準確度，此方法不僅費時、成本高，且開發出來的產品需長時間調整才可上市。有鑑於此，本研究建置一套可視化流場設計驗證平台來提升高溫熱流/旋轉耦合模擬分析技術之準確度，其實驗設備運作架構示意如圖六。達到流場可視化與流場模擬分析之速度均勻性誤差<10%目標，代表模擬分析有一定之準確度，同時建立熱流資料庫，以作為後續Micro Condition Control化學場耦合之基礎。透過此技術進一步了解磊晶過程中不同流量、轉速及溫度對腔體內接近真實流場的變化及影響，並可作為開發氣體噴灑頭設計之依據。

圖六、流場可視化驗證平台實驗設備運作架構圖

(2) 電漿參數診斷量測技術

電漿中電子之特性參數會影響腔體內反應氣體之解離、游離等諸多反應；而離子轟擊晶圓表面之能量分布特性以及腔體內活性自由基種類、濃度、比例，將決定薄膜品質及製程良率。

③離子能量分布分析模組(Gridded Ion Energy Analyzer; GEA)：

GEA其基礎結構是由2~3層網狀柵極及電流收集層所構成，藉由量測柵極上能量鑑別偏壓與收集層之離子電流所得到之電流–電壓關係曲線，經過模型理論公式計算出離子能量分布情形。圖十為工研院機械與機電系統研究所發展之離子能量分析儀架構，共有4層結構，本研究中除了電流收集電極層是實體無孔洞之金屬層之外，其餘柵極都採用厚50 μm鈦金屬層，利用雷射加工所製成開有40 μm微細孔徑，其開孔率約60%，使離子能夠順利通過各柵極到達收集電極層上，形成離子電流 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。