微波共振式電漿密度感測器之研製及其量測分析

Development of Microwave Resonance Plasma Density Sensor and Measurement Analysis

高主祐

指導教授 ： 柳克強

國立清華大學/原子科學院/工程與系統科學系/碩士(2011年)

摘要

在半導體製程中，由於電漿製程的穩定性是影響整個製程良率的重要關鍵之一，其中電漿密度在電漿製程中扮演重要角色，為了避免金屬探針的量測會汙染電漿製程，利用微波非侵入式的量測可避免汙染電漿製程，並即時監測腔體內電漿的狀況，來得知目前腔體內電漿狀態，並藉由調整製程參數來達到穩定的製程狀態。
本研究的原理，是利用電磁波在電漿中的電子與探針結構發生共振時，藉由量測共振頻率來計算腔體內的電漿密度。研製量測電漿密度的微波型共振吸收探針(Two-Hemisphere Plasma absorption probe, THP)。主要重點在於建立全電磁模擬計算來分析THP之特性，在分析THP反射係數隨頻率之關係曲線時發現有許多共振峰，其中各個不同的共振峰所代表的物理機制及電磁場隨空間分佈也不同。但因在實際製作中，THP探針在實做時介電質球層因機械加工的困難，故將以介質管所取代，而由模擬計算得到的結果可以發現，THP探針與MPP探針的反射係數隨頻率之共振頻率相同，且電磁場分佈為相似，THP探針為不對稱分佈而MPP探針為對稱分佈。故在實作部分以MPP探針量電漿密度，並以TPAP(Traditional Plasma Absorption Probe)探針與蘭牟爾探針做為實驗之對照組。
由MPP量測電漿密度之結果顯示，隨著ICP功率的提高，其共振頻率也會隨之提高，相對應之電漿密度也會隨之提高。而隨著腔體內氣壓的上升，共振頻率會隨之下降，其電漿密度也會隨之下降。比較由蘭牟爾探針與PAP探針所量測到的結果，電漿密度隨ICP功率及腔體內氣壓變化趨勢為相同。在使用MPP量測反射係數隨頻率之變化關係時，可以觀察出有不同的共振峰互相疊合，而這將會嚴重影響到判斷主要共振頻率，故如何有效的縮小探針頂部圓球的體積為未來解決此問題主要的方法。

關鍵字

電漿密度 ； 探針

參考文獻

1. K. Nakamura, M. Ohata and H. Sugai, J. Vac. Sci. Technol. A 21 (1), 325-331 (2003).

6. C. Scharwitz, M. Boke and J. Winter, Plasma Process. Polym. 6 (1), 76-85 (2009).

11. J. H. Kim, S. J. You, D. J. Seong and Y. H. Shin, Appl. Phys. Lett. 91 (20) (2007).

15. J. Z. Xu, J. J. Shi, J. Zhang, Q. Zhang, N. Keji and S. Hideo, Chin. Phys. B 19 (7) (2010).

17. C. Scharwitz, M. Boke, S.-H. Hong and J. Winter, Plasma Process. Polym. (4), 605-611 (2007).