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 1.2.2  氣體特性所產生的不確定因素  2.2  氣體分析儀檢測限制                                                                          75                         56                                                                                                                                                                                                                                 77 57                      58
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 某些特殊氣體因性質易受溫度影響，溫度越高越不穩  業界普遍使用的水份分析儀如Servomex的紅外線
 定易分解加速，例如B H /H 與H O會激烈分解成氫氣與硼  (Infrared, IR)分析儀、Tiger Optics的光腔衰盪光譜(Cavity
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 酸，因此會造成氣體混合濃度不穩定。  ring-down spectroscopy, CRDS)分析儀、Panametric的氧
 化鋁(Al O )電容式分析儀及Meeco的P O 法拉第電解分析
 1.3  研究重要性  2  3  2  5
 儀等，因分析儀內部腔體材質的限制下檢測氣體種類侷限
 隨著積體電路技術不斷發展，設計線寬不斷微縮，對  在大宗氣體為主；然而在高階製程中大量使用的可燃性、
 於晶片製造所需具備的技術門檻難度相對更高、生產過程  毒性及腐蝕性等特殊氣體品質，儼然已成為技術突破的一
 更為複雜，促使製程供應氣體的品質要求愈加嚴格，所需  大隱憂；有鑑於此希望藉由SAW(Surface Acoustic Wave)
 的氣體種類更多、用量更大，意味著面臨如何監測氣體品  表面聲波水份分析技術導入，透過在線快篩檢測為氣體品  圖1、雷利波的質點粒子位移方式(資料來源 : 科儀新知第二十六卷)
 質來提高產品良率、控制製造成本等問題，故氣體鋼瓶品  質把關。
 質快篩系統即成為當前先進製程重要的議題。  表面聲波感測元件(如 圖2)作為氣體感測器時，當輸
 3.  SAW(Surface Acoustic Wave)表面聲波分析技術  入電訊號在一組指叉狀轉換器上，經逆壓電效應(converse                                                                                                                         反應時間及再現性係利用帶有水氣的N 混合進行測試
                                                                                                                                                                                                                              2
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 2.  文獻探討        piezoelectric effect)轉換成基板上傳遞之表面聲波，然後
 3.1  表面聲波感測元件技術                                                                                                                                                                            試在濃度變化的狀態下，其分析儀的反應時間和數據再現
                 由另一組指叉狀轉換器接收，經正壓電效應(direct
 2.1  快篩標的選擇                                                                                                                                                                                性；測試條件與步驟如 圖7。
 表面聲波又稱雷利波(Rayleigh wave)是一種在固體表  piezoelectric effect)轉換成電訊號輸出。兩組指叉狀電極
 半導體製程大致分為薄膜沈積、黃光微影、溼式與乾  面上所傳遞的彈性能量波，由一壓縮波(compression   之間的區域為感測區，通常會在感測區表面塗佈一層化學
 式蝕刻、熱製程與離子摻雜(擴散)；其中薄膜製程(Thin   wave)與一剪向波(shear wave)相互耦合而成，其質點粒子  吸附膜以吸附氣體分子，藉由化學吸附膜上的質量改變所
 Film Deposition)是透過氣體在基板表面進行分解、化學反  以逆時針方向進行橢圓方式的位移，如 圖1所示，其傳遞  產生的質量負載效應(mass loading effect)，改變其表面聲
 應與離解等作用，沉積形成薄膜材料在矽晶片表面上；因  的能量百分之九十以上的能量集中於深度約一個波長以內  波波速，造成頻率或相位的偏移，由頻率或相位之偏移量
 其磊晶(epitaxy)的過程較為複雜，且採用整批式將矽晶圓  的表面，其高能量聚集以及低散射的特性，使得SAW元件  來得知吸附在膜上之氣體分子的質量。
 送至反應腔內進行薄膜沉積，若製程中參與反應的氣體含  有相當高的靈敏度條件。
 1.  前言  有水份等不純物，進而導致薄膜層中產生缺陷，反應腔內  表面聲波初期只應用於地震學研究，直到美國加州柏
 的整批矽晶圓將可能無法繼續使用，這將會造成承擔巨額  克萊大學White及Voltmer兩位學者在壓電基板上製作指叉
 1.1  研究背景  製程成本過高，其中因供應原料的品質即使有進料檢驗的
 的成本損失。為了避免這種狀況發生在製程中，鋼瓶氣體  狀轉換器(Interdigital Transducer, IDT)，有效地激發出表面
 關卡，仍有無法掌控的因素。
 廠務氣體供應大致分為「大宗氣體」與「特殊氣體」  品質快篩系統中的水份分析儀特別針對薄膜製程中所使用  聲波，使得表面聲波元件開始應用在感測及通訊領域。
 二大類。大宗氣體供應系統以氣體站內的儲存桶或槽車透  1.2.1  SUS鋼瓶清洗充填過程不確定因素  的氣體如 表1，來測試其水份濃度。
 過管線輸送至閥箱或閥盤後再到機台端；特殊氣體供應系
 ① 鋼瓶沖吹、充填過程有CO 、O 、H O、N 外氣進
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 統以氣瓶櫃供應至閥箱或閥盤後再到機台端。因為氣體鋼                                         圖3、球形表面聲波(SAW)偵測模擬示意圖(資料來源 : Ball Wave Inc.)
 入或殘留的可能。
 瓶容量的限制，必須適時地更換以維持供應，進而改由管
 ② 充填過程中，因人員作業疏失未正確充填正確濃度
 束拖車或大容量鋼瓶(集束裝置、T型鋼瓶、Y型鋼瓶)供應                                           表面聲波分析技術的原理如 圖3所示。沉積一層反應
 、鋼瓶充填氣體與鋼瓶標示不符的可能。
 系統來取代小容量鋼瓶，減少供應設備的設置數量、空間                                         靈敏的薄膜於球體赤道上，球體上方的指叉狀轉換器生成
                    圖2、表面聲波元件原理示意圖(資料來源 : 科儀新知第二十六卷)
 與人員更換頻率。  ③ 標準氣體於標定時已發生異常，造成氣體混合濃度                                聲波並旋轉球體一圈。不斷轉圈並通過指叉狀轉換器，藉
 異常的可能。                                                            由延遲時間(Delay time of Pulses)與水份分子衰減(The
 1.2  研究目的       3.2  分析儀選用                                        decay rate)判斷水份是否改變如 圖4。
 ④ 氣體原料於分裝或混合前已含有不純物(Impurity)
                                                                       使用的延遲時間進行水份分析時，易受到溫度變化而
 特殊氣體供應系統隨著製程演進，供應原料的品質成  的可能性，加上採用批次抽驗有未檢出的風險。  氣體品質快篩分析儀之表面聲波分析技術(如 圖3)是
                                                                   有影響。因此運用此分析方式時，須針對分析時的溫度進
 為製程不穩定因素之一，不論氣體品質純度或是混合濃度  利用半導體製程在石英玻璃球Sensor表面製作一超音波發
                                                                   行補償計算，以求降低分析干擾，為此分別使用240MHz
 異常，皆造成製程生產品質、效率不佳，造成良率下降、  射器及一接收器，藉由發射器產生特定頻率的超音波，當
                                                                   及80MHz兩種頻率對於溫度的變異進行補償計算如 圖5。
                 Sensor表面完全乾燥時(水份濃度為0ppm)，超音波在
                 Sensor表面會有其特定的傳播速度，而當帶有水氣的氣體                          SAW的方程式α=√λD
                 通Sensor時，Sensor表面吸附的水份會造成超音波傳播的
                                                                       參考 圖6所示，其中α是IDT的寬度，λ是SAW的波長
                 速度改變 ; 透過超音波傳播速度的改變量與水份濃度成正
                                                                   ，D是球體的直徑。儘管濃度非常低且極小的變化量，再
                 比關係，來精準測量氣體中的含水量。
                                                                   無數次的旋轉往返後(超過50次旋轉後)，訊號將會放大且
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