｜MOCVD之反應室模組研究

摘要：本文主要探討MOCVD反應腔中基板加溫變化下的腔體流場分布情形，針對不同基板加熱溫度以及單孔進氣流量，利用粒子影像測速儀進行流場可視化實驗，觀察基板於不同加溫狀態下，影響產生於基板上的渦流情形。

Abstract: This paper investigated the flow field distribution in a MOCVD chamber with varied substrate temperatures. Particle image velocimetry (PIV) was used for flow visualization study at different substrate temperature and inlet flow rates. The flow cells and vortex due to buoyancy forces caused by substrate heating were observed.

關鍵詞：有機金屬化學氣相沉積、流場可視化、粒子影像測速儀、熱對流、熱浮力效應

Keywords：Metal Organic Chemical Vapor Deposition, Flow Visualization, Particle Image Velocimetery,
Heat Convection, Buoyancy Force

前言
有機金屬化學氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)為薄膜製程的主要設備之一。主要應用於半導體，LED以及太陽能面板的薄膜沉積。相較於其他沉積技術，MOCVD其優點在於製程原料有多重選擇性，對於某些特殊材料有相當的彈性，另外可於常壓下進行製程，因此此避免真空腔體所需的成本與保養維修。因此MOCVD成為是近年廣泛使用並深入研究的磊晶技術之一。而腔體內流場變化將影響薄膜磊晶的品質以及均勻性，為近年來深入研究的重要議題。

技術演進
有機金屬化學氣相沉積法的應用相當廣泛，並可沉積不同形式的薄膜材料，包括單晶，多晶，非晶以及磊晶等材料。也可根據不同操作環境以及反應材料發展出不同種類的氣相沉積技術。1987年Evans等人[1,2]利用數值方法計算旋轉基板上的混合對流現象，應用在垂直式氣相沉積反應室，同時考慮浮力與旋轉基板大小之效應。他們發現增加反應室入口的均勻流體速度可以有效減少氣產體生之渦流。1992年Young等人[3]模擬常壓製程下之垂直式氣相沉積反應室，研究慣性力和浮力相互作用之關係。1997年Chung 等人[4]利用有限元素法分析垂直式有機金屬氣相沉積平台，主要研究內容有噴氣頭形狀、製程參數、以及反應室幾何形狀，發現利用此種數值方法預測可以有效增進薄膜均勻度。同年Joh和Evans[5]同樣研究垂直式氣相沉積反應室內之流體和熱傳現象，特別著重在氣體入口處和旋轉基板距離之關係，其結果顯示在二維模擬的情形下，較大的距離比率會使軸向熱對流分佈較均勻。而Weyburne和Ahem[6]研究設計和操作參數之影響，分析速度和溫度分佈，以及針對反應腔高度對於流場穩定性關係，發展出進氣口到平板之距離平方的流體穩定參數。2002年Mathews 和Peterson[7]證明流場的穩定情形可以利用葛拉修數、雷諾數、壓力以及基板溫度做判定。同年Park等人[8]利用實驗及數值方法來研究沉積反應室內之流場，發現較高的進氣速度以及較大的長寛比會造成較大的溫度梯度。

大部分化學氣相沉積反應皆在低壓情形下進行，近年來常壓化學氣相沉積反應的可行性也廣為探討。2000年Van Santen等人[9]探討了在常壓的情況下提高基板轉速無法有效抑制基板溫度造成的的熱浮力效應，並減少原本反應腔內的穩定層流。由於熱浮力效應造成的擾流會造成基板部分位置的不均勻性，但是對於大尺寸基板而言，擾流反而能增加全區域的均勻度。2004年Luo等人[10]改變反應腔的幾何形狀，如降低反應腔高度，或邊角改成圓弧狀，並利用數值模擬的方法，配合不同的溫度以及基板轉速有效降低常壓化學氣相沉積反應中基板上方的渦流產生，也降低了磊晶的不均勻性。

而現今普遍使用的有機金屬化學氣相沉積反應世界級廠商，如VECCO公司也對氣相沉積平台做相關研究以改進其特性。2002年Mitrovic等人[11]研究了氣體流量、壓力分布、晶體生長溫度、壁面溫度以及旋轉速度的關係，判斷浮力驅動之流場以及旋轉力驅動之流場。其後於2006年[12]研究新式VECCO沉積平台，利用新型的進氣盤幾何形狀設計做3D測試，來達到最佳控制基板磊晶生長的均勻性。2007年[13]則利用計算流體力學的數值原理，探討不同參數使磊晶過程達到最佳化的效果，為了增加磊晶速率，如果提高反應氣體流量即可允許使用較高的腔體壓力。另外進氣雷諾數在低於某一臨界值之後，磊晶均勻性會快速下降。

上述許多化學氣相沉積反應研究均使用數值方法或軟體作電腦模擬。而在化學氣相沉積反應的流場實驗方面，Setyawa[14]等人於2002年探討於高真空環境（2~4 Torr）之下，灑入追蹤粒子作流場可視化的分析，發現在溫度較高的腔體中，追蹤粒子移動情形受腔體壓力變化的影響較為明顯，而追蹤粒子會因靠近基板而明顯造成方向的改變。同年Chang[15]等人建立實體反應腔室並同時利用煙線以達成流場可視化效果。並觀察在不同基板溫度與壓力下的流場分布，證實降低腔體壓力可以有效降低熱浮力效應的影響。2004年Hsieh等人[16]也用相同的流場可視化方法探討盅罩式化學氣相沉積反應腔內的渦流產生情形。