低壓電漿顯影的流場可視化技術

摘要：在各磊晶製程中，流場均勻性是決定薄膜品質良好與否的重要影響因子。本研究之反應氣體(氬氣)及載流氣體(空氣)在預混系統中先行預混，再透過進氣口，輸入至低壓腔體中，並配合平行放置於真空腔體中雙電極，透過電引入接通外部高壓電源，使反應氣體解離，於腔體內生成週期性疏密電漿，並透過高速攝影機拍攝，量測位於腔體內的二維流場及速度場。本研究腔體抽氣及進氣後的壓力維持在 10-1(torr)至10-2(torr)區間的低壓狀態，而關於電漿生成裝置中主要操作參數為:交流高壓電源供給電壓 200 V 至 4000 V、反應氣體進氣流量10~ 50 sccm、改變進氣流量與腔體壓力等操作參數，觀察其流場的變化。
Abstract：The flow uniformity is an important factor for obtaining high quality materials in various epitaxial process. In this study, the flow distribution in a low pressure chamber was visualized using the plasma glow discharge. Reaction gas (argon) and carrying gas (air) were supplied from premixed system and transported into the chamber through a inlet port. However, plasma was generated via argon reaction with two parallel electrodes. Two dimensional flow and velocity fields were measured in a cross-sectional plane for the center of the chamber. In this study, the pumping pressure was maintained at 10-1 to 10-2 torr, and the inlet flow rates ranged from 10 to 50 sccm. The effect of varying inlet flow rates and chamber pressure were studied.

關鍵詞：化學氣相沉積、粒子影像測速儀、流場可視化
Keywords：Chemical vapor deposition, Particle image velocimetry, Flow visualization

前言
電漿輔助氣相沉積PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition)為半導體元件產生性質優良與純度高之薄膜重要技術，其系統大致包括氣體混合與發生反應的反應腔體(Reacting Chamber)、氣體控制與混合系統(Gas handling & mixing system)、反應源(Precursor)以及廢氣處理系統(Scrubber)等。主要是藉助微波或射頻等技術，將反應氣體由氣體控制與混合系統導入反應腔體中與載流氣體混合，使含有薄膜組成原子的反應氣體，經由交流高電壓電源供應器，將局部反應氣體解離形成等離子體(電漿)；因等離子化學活性極強，易與置於基底上多種前驅物發生化學反應，最終於基板上生成薄膜。
 根據相關文獻指出欲在常壓的狀態下產生大面積且均勻的輝光放電(也稱為電漿)，操作參數中電極結構、高壓電源供給電壓、反應氣體種類等都是影響的關鍵因素；氣體密度在常壓狀態下較真空(< 0.1 torr)高出10000倍，因此平均自由路徑距離會較常壓狀態短，因此在極短的時間內由於二次發射電子(Secondary Emission Electrons)產生鏈鎖反應，生成大量的電子團，導通電極而產生電弧放電。但電弧生成對電漿均勻性是不佳的現象，可以透過在電極間放置介電材料，使二次發射放電的電子團於正電極上累積且均勻分布，並與負電極上所聚集的離子團反應，生成空間電荷電場，其與外加電場的方向相反，進而可以與外加電場互相抵銷，降低短時間大量生成的電子數目，即可防止電弧放電的產生，以維持生成電漿均勻性
本技術研究真空腔體中放置平行雙鋸齒狀電極，透過外接交流高壓電源供應器供給電壓，導通平行放置電極而生成大面積且均勻的電漿，藉以進行稀薄氣體流場與電漿顯影可視化技術開發。根據相關專利資料得知，鋸齒狀電極相較於非鋸齒狀電極有較低的崩潰電壓，生成的電漿為週期性疏密電漿，較一般電極生成的電漿分布更為均勻，有助於電漿顯影可視化技術開發。
技術演進
2002年Cheng等人[1]以煙線法作為流場可視化實驗，實驗結果得到當流量提高時，腔體內側的渦流將會變大，擠壓外側渦流變小。當腔體內部壓力提高時，雷諾數提高，此時內側渦流將變小，而外側渦流增大。2007年Mitrovic等人[2]以CFD軟體數值分析CVD流場，提出透過找尋最佳的載氣流率是優化最大磊晶成長速率及均勻性的方法，並提出當進氣流量上升時，可使用較高的腔體壓力，而若進氣入口處的速率低於臨界雷諾數，沉積均勻性將會急遽降低。
在二十世紀初期有許多關於電漿放電技術的發展，其應用在電漿氣相化學相關製程技術方面，Fridman等人[3]提到電漿生成4大元素為電場、供給電壓、反應氣體及輻射效應等，並且提出這4個元素對電漿生成彼此之間都是獨立影響的。Elenbaas [4]提到電漿依據反應氣體溫度及電子溫度隨壓力變化，區分為非平衡態電漿以及平衡態電漿，非平衡態電漿放電現象較常侷限在低壓狀態(< 1torr)，而平衡態電漿放電現象則較常發生在高壓狀態。
輝光放電技術的操作原理是利用真空幫浦持續抽氣，使腔體維持在低壓的狀態下，並透過外加電源供給電壓導通平行電極，使腔體中生成大面積且均勻的電漿，而腔體中除了電極附近區域外，皆為均勻的輝光放電，因此非常適合應用於電漿氣相化學方面的相關研究[5-7]，在過去50年間，輝光放電配合可視化的技術發展，在低密度氣體超音速風洞震波可視化實驗中，被廣泛的採用[8-10]。近年來關於電漿顯影技術工程上的應用也相當廣泛， Shao以及Wang[11]透過針狀配合平行電極放電的方式，實現在三維超音速風洞中觀察震波的變化，並透過相關數值模擬的方式，應證其結果的正確性，實驗結果也顯示電極放電配合可視化的方式，可應用在觀測超音速風洞流道中，不同平面上的震波的變化。
關於平行電極的放電現象，2005年Louste等人[12]開發一種新的放電系統，又稱為滑動放電 (Sliding discharge)，指出其可以得到更穩定的放電現象；滑移放電的放電現象是由三電極系統所組成的，兩個平行的電極(又稱上電極)安裝在絕緣表面上，第三電極放置在絕緣表面下側(又稱下電極)，並透過直流電源供應器施加負電壓到兩個上電極之一和下電極，而另一個上電極則用交流電源供應器連接；但指出這種放電現象的電子特性及空氣動力學的表現仍然是未知的。因此Sosa等人[13]對因滑動放電及AC/DC電漿片放電現象引起的流動，進行流體力學及電動力學的相關研究。
理論基礎
本研究之實驗操作參數有:腔體壓力、進氣流量、供給電壓等;相關的無因次參數有：雷諾數及帕森曲線
1.雷諾數
隨著不同進氣流率的調整，腔體內反應氣體的流速也會產生差異，因此我們使用雷諾數(Reynolds number)來描述腔體中流場型態，其物理意義為慣性力與黏滯力的比值，表示如下