第四章 模擬分析
4.1 飄移干擾之模擬
第五章 實驗驗證
說明實驗參數、設備、材料、規劃以及實驗結果與比較。
第六章 結論與未來展望
說明本研究之結論以及未來展望。
1.2 研究背景
由於近年來 IC 設計日趨複雜，相對的所需之線寬也越來越小，
也可以這麼說，同樣大小的一顆 IC 裡，在今日的設計複雜程度會比 以往來的大。由於功能的不斷增加，且體積不斷的縮小情況下，線寬 的縮小是一必然趨勢，因此半導體製程也需要隨著增進製程能力。然 而改進之道大致有三個方向可以著手:
(1) 修正製程規劃 (2) 精進機器設備 (3) 製程控制
不同的製程的規劃會影響產品的產量與品質，然而這需要實際於 半導體廠房去做實際的規劃與量測才能去評估出來的。
至於設備改良方面，由於半導體機台動則上百萬，甚至千萬都 有，因此不是大公司的話亦有其難度的存在。
然而製程控制方面，主要大致可分為三大類:
(1) 統計製程控制(Statistical Process Control, SPC)。
(2) 工程製程控制(Engineering Process Control, EPC)。
(3) 先進製程控制(Advanced Process Control, APC)。
統計製程控制(SPC)是藉由量測製程中抽樣工件之品質特性值 (如: Wafer 之移除率以及非均勻度)，以判斷目前製程的品質狀況，並 分析製程參數，環境干擾與製程品質特性值之間的關係，進而找出影 響製程的原因，並藉由線外的調整，修正製程參數來獲得最佳之製程 性能。
至於工程製程控制(EPC)則是利用控制系統於線上迴饋的方式消 除干擾所造成的的變異狀況，即可即時修正製程變異情況，然而EPC 需要機台上有良好的感測器，硬體和軟體上的配合，對於CMP 製程 而言，由於目前CMP 機台普遍無法提供即時量測的感測器，因此 EPC 用於其它製程的控制應該是比較理想的。
最近幾十年來，有許多的學者研究指出 EPC 有過度控制的隱憂，
因此無法滿足半導體產業精密微小化所需要的高度品質要求。所以我 們根據[4]所提，顯示先進製程控制(Advanced Process Control, APC) 可以將製程反應值控制在目標值上，並且可以避免EPC 所發生的過 度控制，進而有效率的幫助半導體廠商降製程成本並提升產品品質。
另外根據[5]所提到的，在半導體前段製程大多具有三個主要特 性:
(1) 模式複雜，各參數因子難以數學式表示。
(2) 對於製程與環境因子無法即時量測的製程裡，須等批次製程完成 後才能量測品質性能參數及製程環境參數，故此類製程無法及時 在製程中監控。
(3) 製程環境會隨著製程之進行而改變，因此需要針對環境做適當的 補償修正。
因此綜合以上討論我們可以了解，APC 是對現今半導體產業的 助益是比其它製程控制要來的好，然而，APC 中所謂的製程控制即 為基礎模型製程控制(Model-Based Process Control, MBPC)或稱為批 次製程控制(Run-to-Run Process Control, R2R)。
關於R2R 控制器最早是從 1991 年開始，由 Sachs 等人[6][7]所提 出，直到最近幾年來已經被廣泛的應用於半導體製程控制上
[8][9][10][11][12]。R2R 控制器的優點就是結合了 SPC 線外監控與分 析以及EPC 線上迴饋控制的觀念，並且藉由量測分析前一個或前一 批次製程之品質特性值，再透過適當的演算法則來預測製程模式 (Model)，最後利用 R2R 控制法則計算達成製程目標值所需的參數調 整，使得下一個或下一批次的製程品質特性值能維持在目標值上。此 法之優點在於不需要額外增加線上量測設備，可以降低成本並可以將 製程品質特性值控制在目標值上，因此對於半導體產業有著非常好的
應用效益。
1.3 文獻回顧
有關於R2R 製程控制器而言，如果是使用指數加權移動平均 (Exponentially Weighted Moving Average, EWMA)演算法則來修正預 測製程的線性模式及調整製程的控制輸入，一般普遍稱之為
Run-to-Run EWMA 製程控制器[13]。EWMA 製程控制器在處理製程 性能下降或小偏移的狀況下有相當的成效[14][15]，另外，由於 EWMA 運算法則中之權值大小會影響控制器本身的控制能力，因此有關 EWMA 之後續研究大部分皆集中在:
(1) 權值的最佳化。
(2) EWMA 演算法的改良。
(3) 預測模式的研究。
在權值的最佳化方面，有些學者以類神經網路來最佳化權值[16];
藉由最佳化EWMA 控制器之增益值來調整權值[17];或是將控制器之 敏感度與強健性量化，並考慮製程參數調整次數，以作為權值調整之 依據[18]。
在 EWMA 演算法的改良方面，一些學者在[14][19][20]研究發表
中運用了兩個EWMA 運算式來分別預測製程模式之截距項與飄移 項，因而發展出預測修正控制器(Predictor Corrector Control, PCC)與 D-EWMA(Double Exponentially Weighted Moving Average)控制器，以 有效增加EWMA 控制器的控制能力。然而在[2]中裡面所做的探討 EWMA，PCC，D-EWMA 對於製程受到雜訊(noise)，偏移(shift)，飄 移(drift)的控制上，其效能均比不上應用”類神經網路(Neural
Network)”的優點來做控制。
關於預測模式(Prediction Model)的研究也是另一個值得研究的要 點[21][22][23][24][25]，主要的研究方向與重點在於改善原本 EWMA 控制法則裡面的一階線性預測模式或者提出新的預測模式來取代。但 是大部分的半導體製程模式都相當的複雜，輸入和輸出之間的關係難 以用統計的數學模式(以 EWMA 而言，是以線性回歸分析來模擬製程 Model)來表示。在本論文所要研究的 CMP 製程模式裡面，由於 CMP 製程牽涉的領域包括化學，機械，以及物理三個研究領域[1]，所以 似乎無法只用簡單的線性模式來做模擬，因此近來許多應用類神經網 路的批次控制方法被發展出來，以下將會做關於類神經網路的簡介以 及其應用於批次控制方法的一些文獻介紹。
“類神經網路”使用大量簡單相連的人工神經元來模擬人類神經 傳遞及學習方法的一門研究領域，人工神經元接受外部或其他神經元
之資訊，並加以簡單的運算(一般為加減乘除)，再輸出其結果到外部 或其他神經元，如此一值運算下去。憑藉著如此網路化的計算系統，
使得類神經網路具備平行處理能力以及學習記憶能力[26][27][28]，並 且能夠輕易的模擬線性或非線性之輸出與輸入關係的複雜模式
(Model)、複雜系統鑑別以及控制、PID 參數自調、模糊規則庫自動調 整…等等的功能，最近幾年來有許多類神經網路的架構被提出，其中 被運用最廣的就是西元1986 年由 Rumelhart 所提出的”誤差倒傳遞網 路架構”[29]，在[30][2]裡面即利用誤差倒傳遞網路應用於 RTR 製程 控制上。然而，誤差倒傳遞網路仍然具有收斂速度慢以及局部極小的 問題。而在[3]中所提之輻射基底函數式類神經模糊網路(Radial-Basis Function Based Neural Fuzzy Network)具有學習速度快且在非線性之 應對上有良好之效果，並且有一些成功應用實例如下:
(1) 結合田口法成為一新的實驗設計法-類神經田口法[31]。
(2) 化學機械研磨拋光參數最佳化[3]。
(3) 類神經網路式 R2R 製程控制[5]。
1.4 研究目的
綜合上述，本研究提出結合[3]所提之輻射基底函數式類神經模
糊網路(Radial-Basis Function Based Neural Fuzzy Network, RBFNF)與 [2]所提之誤差零超越量的觀念來作為新的 RTR 製程控制之系統架 構。其中以RBFNF 當 R2R 製程控制之預測器,來預測製程複雜的非 線性輸入與輸出之關係;並且以誤差零超越量的演算法觀念建立一新 的控制器(零誤差控制器)來控制製程參數，以期望製程特性值(移除率) 能控制在目標值上，以改善製程之平穩性。本研究先以[5]所提出之 製程Model 作為模擬製程演算的基礎，並比較本研究所提之方法與傳 統之EWMA R2R 控制器作比較，最後則於實驗階段作實際的製程控 制，以驗證本研究所提出之新的控制方法之效果。
第二章 化學機械研磨介紹
2.1 CMP 發展簡介
化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing, CMP)在半導體製 程技術中已經被大家公認為最有效之全面性平坦化(Global
Planarization)的技術。關於 CMP 製程，最早起源於 IBM，大約在 1980 年代初期，最早IBM 是為了解決 IC 製造時，因為晶圓表面線路圖案 會引起的鍍膜後表面的高低起伏，進而導致微影製程聚焦不良的問 題，因此IBM 開發了此項平坦化技術。
在IBM 提出了金屬鑲嵌(Damascene)的概念之後，促使 CMP 技 術實際化[32]。此一金屬鑲嵌(Damascene)之概念亦即將介電層予以圖 案後再填入金屬層，然後再將最上層之金屬層予以回蝕刻(Etch Back)，使金屬面與介電層在同一平面上，如此反覆幾次製程即可以 產生多重連線元件。
隨著積體電路期限寬不斷的縮小以及線密度不斷的提高，如此之 發展趨勢使得平坦化的要求不斷提高，使得CMP 成為平坦化技術之 主流。
關於應用CMP 於鑲嵌製程技術的簡單示意圖(單層鑲嵌, Single Damascene)，如圖 2.1[35]所示。其中，在一片矽晶圓上沉積二氧化矽 (介電值層, Inter-Metal Dielectric, IMD),並且上光阻，接著在光阻上產
生微影產生圖案然後再經過蝕刻產生溝槽(Trench)，繼續去除光阻，
因為是銅製程因此要再沉積一層金屬層當作阻礙層(Barrier Layer)(此 阻礙層的原因有很多，主要原因是使銅能均勻的散佈在二氧化矽表面) 然後再鍍銅，最後再經由CMP 製程將銅表面平坦化。關於 Barrier Layer 的討論不在本研究範圍，相關研究可以參考[33][34]。
2.2 CMP 基本架構
CMP 簡單的作動原理就是利用研磨墊(pad)的旋轉來研磨晶圓載 具(Carrier)所吸住的晶圓(Wafer)之表面凹凸不平坦的部分，並且配合 研磨漿料(Slurry)的不斷輸入，以研磨粒(Abrasive)對晶圓(Wafer)的磨 耗，並由研磨漿料(Slurry)將移除之材料帶走，以加快移除率並且讓 晶圓表面更平滑。
CMP 的基本結構，如圖 2.2[35]所示，其主要部分包含:
(1) 晶圓載具(Carrier):
主要是用真空吸附的裝置吸住並固定晶圓，並且當晶片接觸到研 磨墊時會在晶片背部施以一背壓(Back Pressure)，目的是使晶圓受力 均勻，以進行研磨。
(2) 研磨平台(Platen):
此研磨平台上黏附一研磨墊，其功能在於利用旋轉使研磨墊(pad) 和欲研磨之晶片做一相對運動，以進行研磨的動作。
(3) 研磨墊(pad):
研磨墊材料的不同以及表面構造形狀的相異，會使得研磨有著不 同的效果。然而研磨墊是一消耗品，隨著研磨時間的增加，研磨墊長 時間受到壓力的壓擠以及與晶片之間之磨耗都會使得研磨墊產生鈍 化現象，這時研磨墊的修整(Conditioning)就很重要。由於 Conditioning 不在本研究所探討之範圍，因此相關研究可參考[36][37]。
(4) 研磨漿料(Slurry):
研磨漿料(Slurry)主要由微細研磨顆粒與化學溶液組成。研磨顆
研磨漿料(Slurry)主要由微細研磨顆粒與化學溶液組成。研磨顆