石墨烯合成反應之聚焦式微波電漿技術概論

摘要：本文所述者為一種聚焦式微波電漿反應器，乃利用圓柱形準TM011模態微波共振腔之聚集微波電場之效果，據此激發聚焦式微波電漿，從而進行各種電漿輔助化學氣相沉積反應程序，如石墨烯合成反應。
Abstract：This article aims to present a focused microwave plasma reactor.  This reactor is equipped with cylindrical microwave resonant cavity of quasi-TM011 mode, in which the focalization of electric field further stimulates focused microwave plasma.  Such plasma enhances various plasma-assisted chemical vapor deposition reactions, such as the synthesis reaction of graphene.
關鍵詞：電漿、微波、共振腔
Keywords：Plasma, Microwave, Resonant cavity

前言
一般而言，微波電漿輔助化學氣相沉積製程，其製程壓力約為百分之一大氣壓至一大氣壓。相較於蝕刻或光阻灰化者，前者高出二至四個數量級，而壓力越高，電漿擴散行為越發式微，因而凝聚成團，並隨機黏附於製程腔室之內緣。若黏附於製程基板上緣，則成為典型之聚焦式微波電漿，稱之為穩定聚焦狀態，適合各種微波電漿輔助化學氣相沉積製程；但若黏附於介電罩下緣，則稱之為不穩定失焦狀態，此狀態將嚴重影響製程，甚而燒毀介電罩。為達到電漿的穩定，既有技術往往以圓柱TM01n模態微波共振腔，建構一種聚焦式微波電漿反應器，藉由該共振腔固有之駐波特性，其腔內存在若干個電場峰值，第一峰值恰好形成於基板上緣，並於此處激發電漿，第二峰值則形成於介電罩頂端附近。當電漿被激發後，藉由若干調整機構(如基板深度，基板高度與圓柱形共振腔長度)，使第二峰值遠離介電罩頂端，乃不至於使介電罩下緣凝聚電漿而失焦，藉此使電漿處於穩定聚焦狀態[1]。
創新技術
本文所述乃利用圓柱形準TM011模態微波共振腔建構而成之聚焦式微波電漿反應裝置，如圖1所示。藉由共振腔之駐波特性，共振腔內僅存在一個電場峰值，並且所述電場峰值形成於基板上緣，藉以激發電漿。由於介電罩上緣並不存在電場峰值，導致電漿不穩定而失焦之因素並不存在，故此聚焦式微波電漿反應裝置可恆常使電漿處於穩定聚焦狀態。再者，本案無需任何調整機構，即，電漿製程基板與共振腔底板為同一物件且共一平面，故基板面積不受限縮，進而獲得更大電漿製程面積。圖2之左圖乃是根據本案圓柱形準TM011模態微波共振腔的縱截面電場強度分布模擬結果。圖2之右圖乃是根據本案圓柱形TM011模態微波共振腔的縱截面電場強度分布模擬結果。

圖1 圓柱形準TM011模態共振腔結構圖

圖2 圓柱形準TM011及TM011模態共振腔內部電場分布圖

其中微波經由該四個開槽天線，以等相位方式向共振腔內部輻射，從而形成圓柱形準TM011微波模態。其側面透視圖中的縱截面電場強度分布之模擬結果亦如圖2之左圖所示，其中電場強度正比於明亮度。明顯可見: 存在唯一一個電場峰值於金屬基板上緣，他處則不存在電場峰值。其中半圓形虛線代表介電罩之縱截面位置，可見其上下緣附近電場強度較弱，甚而為零，藉此保有電漿的穩定聚焦狀態，排除失焦之可能。另一方面，為與圓柱形TM011模態微波共振腔比較，顯示兩者之差異性，茲於於圓形金屬底板與圓柱形金屬圍牆之接合處附近，另行建構四個開槽天線。
參照圖2之右圖，經由該四個開槽天線與前述四個開槽天線，微波以等相位方式向共振腔內部進行輻射，從而形成近似典型之TM011模態。其側面透示圖中的縱截面電場強度分布模擬結果亦如圖2之右圖所示。明顯可見存在兩個電場峰值，第一峰值存在於金屬基板上緣，第二峰值則存在於金屬上蓋下緣，而後者使介電罩上下緣附近之電場增強，乃成為介電罩下緣附近產生並凝聚電漿之肇因，電漿因而失焦。
測試結果
使用圓柱形準TM011模態微波共振腔之聚焦式微波電漿反應器之試驗結構如圖3所示。其中聚焦式微波電漿反應裝置，核心由圓柱形準TM011模態微波共振腔所構成，共振腔則由圓形金屬上蓋，圓形金屬基板與圓柱形金屬圍牆所包圍而成。其內部設有電漿反應腔室，係由圓形金屬基板與一半圓形介電罩所緊密包圍而成。位於介電罩內緣之金屬基板中設置有氣流通道，包括抽氣通道與進氣通道

圖3 聚焦式微波電漿反應器之試驗結構