3-1 PECVD 實驗機台結構與實驗流程
使用十二吋的電容耦合式PECVD 機台來沉積氮化矽薄膜，如圖 3-1 所 示。12＂p-type <100> 的矽晶圓(wafer)藉由常壓機器手臂(ATM robot)從 load port 傳進 load lock 內，再關閉 load lock 的閘門(slit valve door)進行減壓。在 小空間的load lock 內可以快速的完成減壓，以節省傳送時間並隔絕外部的 汙染。減壓完成後，再藉由真空手臂(vacuum robot)傳入反應室內。反應室 的上方有氣體供應箱(gas box)，內含氣體源(如 SiH4、NH3與N2)以及質量流 量控制器(mass flow controller，MFC)，用以精確的控制反氣體流量。反應 氣體流量分別控制在SiH4(30~60sccm)，NH3(0~60sccm)及
N2(3700~4700sccm)。另外，使用遠端電漿源清潔系統(remote plasma source，
RPS)分解 NF3氣體，並通入反應室內進行清潔，以維持沉積反應後的反應 室乾淨。反應室下方連接真空幫浦(vacuum pump)，並藉由真空管路中的節 流閥(throttle valve)來自動控制反應室內壓力，維持反應室壓力在
3920mtorr。反應室內承載晶圓的加熱基板控制在 400℃，同時反應器壁也 以熱壁(hot wall)的方式維持在 130℃，以防止微塵汙染(particle)的形成。以 氣體噴頭為上電極，加熱基板為下電極，在兩電極之間通入13.56MHz 的射 頻電流，其功率控制在600~820 瓦之間。固定薄膜沉積厚度在 1000Å，並以 橢圓偏光光譜分析儀(spectro-ellipsometer)來分析薄膜厚度、折射率、消散係
數及紫外光穿透率。使用傅利葉轉換紅外光光譜分析儀(FTIR)來對薄膜進行 化學鍵的分析。使用X-ray 反射儀來量測薄膜應力。並用 BOE (buffered oxide etch，49%HF:NH4F=1:500)配合薄膜厚度量測來獲得濕蝕刻速率。實驗設計 方面，使用中央合成設計(Central Composite Design，CCD)，來獲得薄膜特 性反應曲面圖，以分析薄膜特性與製程參數間的變化。稍後將進一步的介 紹使用的儀器原理與實驗設計原理。
圖3-1 PECVD 實驗機台結構圖。
3-2 橢圓偏光光譜分析儀原理
橢圓偏光光譜分析儀被廣泛的應用在薄膜厚度、折射率與消散係數的 分析上，並且為非接觸式且非破壞性分析技術。其可以快速精準的透過單 一入射角度的多波長光源(通常為 Xe lamp，248~826nm)，同時分析多層薄
膜的厚度及光學特性，如圖3-2 所示。光源(light Source)所放射出之電磁波 (electromagnetic radiation)經過偏光鏡(polarizer)後，極化為線性偏振光，此
比對(fitting)出最佳的 Ψ 與 Δ 相對於各種波長的圖譜，以獲得薄膜厚度，
及各個波長的折射率與消散係數等光學特性。
圖3-2 橢圓偏光光譜分析儀的入射，折射與反射光示意圖[19]。
圖 3-3 橢圓偏光光譜分析儀的薄膜特性分析流程圖。
3-3 傅利葉轉換紅外線光譜分析儀原理
傅利葉轉換紅外線光譜分析儀(Fourier transform infrared spectroscopy，
FTIR)被廣泛的應用在半導體工業上，其可快速的量測矽晶圓上薄膜的化學 組成，包括硼磷矽玻璃(borophosphosilicate glass，BPSG)中的硼與磷含量，
以及氮化矽薄膜中的Si-H 與 N-H 鍵的含量[18]。如圖 3-4 所示，紅外線透 過分光器(beam splitter)，在固定式與移動式反射鏡上反射後，再結合形成干 涉光，此干涉光經過試片後，藉由偵測器偵測其穿透或反射光，經過傅利 葉轉換運算後，可獲得各個波長下的化學鍵吸收強度圖譜，同時做到定性 與定量分析。PECVD 氮化矽薄膜在 Si-H(stretch，2180 cm-1)與 N-H(stretch，
3340cm-1)鍵的 FTIR 圖譜[13]如圖 3-5 所示。
圖3-4 傅利葉轉換紅外線光譜分析儀結構圖[18]。
圖3-5 PECVD 氮化矽薄膜的 FTIR 圖譜[13]。
3-4 薄膜應力量測原理
薄膜的內應力為本質與外質應力的總和。當淨力平衡時，同為彈性體 的基材與薄膜會形成碗狀(bowing)或球面狀(dome)。藉由 Stoney equation[21, 26]量測晶圓沉積薄膜前後的曲率變化，則可求得薄膜的內應力，如下式所
精確的算出薄膜內應力，在半體工業被廣泛的使用，作為生產線上薄膜應 力之監控。
圖3-6 用雷射對晶圓的反射量測晶圓曲率[21]。
3-5 實驗設計原理
實驗設計法的起源很早，在20 世紀初由英國統計大師 Fisher 的田間試 驗發展出變異數分析(Analysis of Variance)開始，稱之為古典實驗設計，其 著重在以統計學為基礎，配合實驗設計表的配置及回歸分析法，分析出影 響系統的顯著因子及交互作用因子，並獲得其回歸方程式，藉由此回歸方 程式可進一步的分析得到最佳的實驗條件之組合。實驗設計的另一學派為 1970 年代由日本田口玄一博士提出的田口品質設計法(Taguchi method)，此 法最大的特點為不需用到複雜的統計運算，利用田口試驗的直交配置表，
配合訊噪比的簡單運算以及效果分析圖表，即可獲知影響系統的顯著因 子，組合出最佳條件的製程參數。古典實驗設計法與田口品質設計法都廣 泛的被應用在工業界，當然以不需複雜統計運算知識的田口方法在工業界
最受歡迎。但對於具有複雜交互作用的系統，還是以古典實驗設計法較為 理想。
因為PECVD 氮化矽薄膜的製程參數之間廣泛的存在著複雜的交互作 用，所以本實驗是以古典實驗設計法為基礎，配合實驗設計分析軟體 (Minitab)的快速運算，來進行實驗。在初期實驗中，藉由部份因子實驗設計 法(fractional design)，獲知會影響系統的顯著因子及影響方向，並捨棄部份 的非顯著因子，反覆進行實驗設計以求出適當的因子變化區間。最後，以 能夠充分反應出參數之間的變化以及交互作用的二階反應曲面分析法中的 中央合成設計(central composite design，CCD)[38, 39]進行實驗，如圖 3-7 所 示：
圖3-7 中央合成設計參數配置圖[38]。
在x，y 及 z 三軸上分別配置 A，B 及 C 三種製程變數於角點(使能分析 出交互作用)，軸點(使能分析出二階曲率)以及共同的中心點，如下表所示：
表3-1 中央合成設計(三因子)的實驗設計表。
當進行實驗時，要對實驗順序進行隨機排序，以減少可能的誤差發生。
此空間上等距的平衡設計，可藉由回歸分析法得到二階反應曲面方程式，
如下式所示：
iAC hBC
gAB fC
eB dA
cC bB aA
y 2 2 2 (3-4)
其中y 為薄膜特性(如薄膜沉積速率，紫外光穿透率等)，A、B 及 C 為
製程變數(如 SiH4，NH3及N2反應氣體流量)，AB、BC 及 AC 為交互作用 項。a、b、c 等為各因子及交互作用項的係數。再藉由繪圖軟體(固定其中 一項變數)劃出此二階反應曲面方程式的曲面圖，即可一目瞭然的看出製程 變數對薄膜特性在三度空間上的變化。如圖3-8 即為應用實驗設計法獲得 PECVD 氮化矽薄膜特性的反應曲面圖的實例[5]。
圖3-8 中央合成設計在 PECVD 氮化矽薄膜的實例[5]。