Abstract
隨著半導體製程技術的進步，為了實現縮小線寬(critical dimensions, CD)且增大晶圓尺寸，即時(in-situ)監測與控制蝕刻製程之均勻度(uniformity)與穩定度也變得越來越重要。本研究主旨為開發應用於電漿製程系統上的，氯氣電漿放射光譜(optical emission spectroscopy)之空間分佈影像重建與電漿濃度的量測分析，使用大面積高密度之13.56 MHz射頻電感耦合式電漿源(inductively coupled plasma, ICP)系統及六吋多晶矽(polysilicon)晶圓。利用電漿放射光斷層掃瞄(optical emission tomography)的技術，假設電漿源為光學薄電漿體(optically thin)可以忽略吸收效應，且電漿放射光強度為圓柱型軸對稱分佈，使用Abel inversion來作其一維空間分佈影像重建，再結合optical emission actinometry的原理，於氯氣電漿中入5%之Ar為Trace Rare Gas (TRG)，並量測Ar (750.4 nm)與Cl2 (306 nm)、Cl (725.66 nm)及Cl+ (481.95 nm)的放射光強度比，以瞭解不同操作參數下(輸入功率60?1200 W，壓力5?20 mTorr，流量20?100 sccm)，與蝕刻製程中(偏壓功率100?200 W)，氯離子、氯原子及氯分子濃度及解離率隨空間與時間的變化情形。相同壓力下，隨著輸入功率的上升氯分子濃度會下降，氯原子及氯離子濃度會上升，由於輸入功率越高，電子密度越高，氯分子解離率(percent dissociation)與游離(dissociative ionization)率也越高。相同功率下，隨著壓力的上升氯分子及氯原子濃度會上升，氯離子濃度會下降，因為壓力上升粒子的平均自由路徑(mean free path)會縮短，導致電子溫度的下降，而且負電性氣體Cl2容易與電子發生碰撞(dissociative attachment)產生負離子(Cl-)會消耗電子，使得電子密度下降，使得氯分子游離率降低。相同壓力與輸入功率下，越靠近腔體中心氯分子濃度越低，氯離子濃度越高，因為越靠近腔體中心電子密度與電子溫度越高，氯分子游離率越高。當蝕刻製程中偏壓功率開啟時，氯原子及氯離子濃度會瞬間下降，氯分子濃度會上升，且隨著越靠近晶圓表面處氯原子與氯離子濃度越低，越往腔壁處濃度越高，因為氯原子會與晶圓表面的矽產生化學反應產生SiClx，氯離子會濺擊(sputtering)以及離子驅策蝕刻(ion energy-driven etching)晶圓表面，導致氯原子及氯離子的消耗，使得濃度下降，當偏壓關閉時，氯原子及氯離子濃度則會瞬間上升，氯分子濃度則會下降，另外由於氯離子Cl2+與Cl-會於靠近腔體表面處產生再結合(dissociative recombination)的效應，所以蝕刻過後越靠近腔壁處氯分子與原子濃度會變的較高。