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研究生: 王景弘
論文名稱: M型微帶線微波干涉儀之研製及應用於電漿密度量測分析探討
Development of M-Shape Microstrip Line Microwave Interferometer and Its Application in Plasma Electron Density Measurements
指導教授: 柳克強
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 91
中文關鍵詞: 微波干涉儀電漿密度
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  • 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,並及時監測腔體內電漿的狀況,來得知目前腔體內電漿狀態,最後調整製程參數來達到所需的製程狀態。
    本研究的原理,是利用微波在真空中及電漿中傳遞的相位不同,利用其相位差來推算電漿密度,主要是延續顏才華所設計的空橋式微帶線式微波干涉儀,為了提高量測工具隨電漿密度變化的改變量,空橋式微帶線微波干涉儀是利用少部分石英當介電質,使感測器直接感測電漿,讓微波沿著微帶線傳遞時利用電漿當介電質,進而提升感測器對電漿密度變化的靈敏度。
    但由於空橋式微帶線微波干涉儀使用的U字型結構,讓微波在電漿中傳遞的路徑較短,使感測器對電漿的靈敏度較小;本研究提出了M型微帶線微波干涉儀,利用改變微帶線結構來提升微波在電漿傳遞的路徑長度,並維持空橋式微帶線微波干涉儀直接感測電漿方式,進而提升M型微帶線微波干涉儀的靈敏度,最後依模擬模型實際製作M型微帶線微波干涉儀,並同時參考文獻回顧製作出可移動式電漿表面波共振吸收探針,用來量測不同氣壓的腔體內電漿密度變化,找出腔體隨氣壓變化時電漿的徑向分布,進而探討氣壓變化下電漿分佈變化的關係,並和架設在腔壁上的M型微帶線微波干涉儀的電漿密度量測結果比較,探討改善方式。


    目 錄 頁次 第一章 簡介……..……...…..……………………………..……….…1 1.1 研究背景…………………………………………………….…..1 1.2 研究目的…………………………………………………….…..1 第二章 文獻回顧………………………………………..….……….....4 2.1 微波截止探針…………………………………………………...4 2.2 夾形共振器………………………………………………...........6 2.3 表面波探針…………………………………………….............10 2.4 微波干涉儀……………………………………………….........19 2.5 傳輸線式微波干涉儀…………………………………. ...........21 2.5 微帶線式微波干涉儀…………………………………. ...........23 第三章 研究原理……………………………………………………..28 3.1 微帶線式微波干涉儀量測電漿的方式.……………..……..…28 3.2 微帶線式微波微波干涉量測電漿的基本原理分析…….……29 3.3 微帶線式微波干涉儀結構設計要領及原理分析……..…..….31 3.4 電漿介電常數隨氣壓變化的影響……………………..…..….33 第四章 實驗設備與量測系統………………………………………..38 4.1 實驗量測電漿機台…………………………………………….38 4.2 微帶線式微波干涉儀搭配的微波電路元件……….…...…… 39 4.3 搭配使用量測儀器……….……………..……………….…….41 4.3.1 射頻網路分析儀………………………………………...41 4.3.2 射頻阻抗計……………………………………………...43 4.3.3 移動式表面波吸收探針………………………………...45 第五章 結果與討論…………………………………………………..49 5.1 微帶線式微波干涉儀電場耦合的改善………….….….….….49 5.2 M型微帶線微波干涉儀的研究過程…….……………...….….51 5.3 M型微帶線微波干涉儀的模擬計算分析……………………..52 5.4 M型微帶線微波干涉儀的製作與量測…………….…..….…..57 5.5 氣壓與電漿密度變化關係之探討………………….….…..….63 5.6 M型微帶線微波干涉儀加上偏壓之量測…. …….........…..….73 第六章 結論與建議…………………………………………………..78 附錄A M型微帶線微波干涉儀設計結構圖…….......………………..83 附錄B HFSS電漿模擬參數之推導…….......………………..………..86 參考文獻………………………………………………………………..90 圖 目 錄 頁次 圖 2.1微波截止探針裝置圖.... ......... ......... ......... ......... .......................5 圖 2.2色散關係圖…….…….. …... …....……...…..………..……….…5 圖 2.3不同天線距離時的穿透信號強度對頻率的變化…...……….…6 圖 2.4 夾型共振器量測設備 (a) 夾型共振器訊號源與量測儀器 (b) 夾型共振器主要結構圖….…….……..…...….……..........…..…7 圖 2.5 夾型共振器的截面圖 (a) 實際鞘層包圍傳輸線示意圖 (b) 等 效其介電常數 後的示意圖….……..………………....…..…8 圖 2.6 夾型共振器鞘層修正比較結果………..…….....…..………..…9 圖 2.7 (a) 懸浮式夾型共振器結構圖 (b) 懸浮式夾型共振器的背視 圖…........…………………….....……………………………....10 圖 2.8 表面波探針(PAP)的架構圖……………………………...….…10 圖 2.9 反射係數與頻率之關係……………………..……………...…11 圖 2.10 (a) 為高靈敏度PAP與一般的PAP (b) 為高靈敏度表面波探 針的結構圖………......…………………………...………...…12 圖2.11 (a) 為高靈敏度PAP的量測結果 (b) 圖為一般的PAP的量測結果…………………………………............…….………...…13 圖 2.12 (a) PTP量測系統架構圖 (b) PAP探針結構圖針的結構圖…………....…………………………………….………...…14 圖 2.13 (a) PTP的截面圖 (b) PAP(standard)的截面圖...……..…...…15 圖 2.14 PTP的量測結果....... ....……………....……………................16 圖 2.15 PAP的結構圖………………………….....…………...………16 圖 2.16 HDPAP的模擬結果……………………....…………...…...….17 圖 2.17 HDPAP的實體及量測結果……………………....…...…...….18 圖 2.18 LDPAP 的模擬結果(a) 訊號強度圖 (b) 不同天線長度…...19 圖 2.19 微波干涉儀的色散關係圖…………………………...…...….20 圖 2.20 微波干涉儀的量測架構圖……………………...........…...….20 圖 2.21 微波干涉儀多重路徑示意圖....………………...........…...….21 圖 2.22 傳輸線式微波感測器 (a) 傳輸線結構圖 (b) 傳輸線式微波 感測器實體 (c) 傳輸線式微波感測器在電漿腔體之相對位置…………………………….………………………..…….…22 圖 2.23 脊型微帶線式微波干涉儀 (a) 脊型微帶線微波干涉儀截面圖 (b)脊型微帶線微波干涉儀實體.………………………..23 圖 2.24 2.4 GHz微波電路圖……………….…………. ……. …....…24 圖 2.25 空橋式微帶線微波干涉儀 (a) 側視圖 (b) 正視圖…….….25 圖 2.26 ABMMI、RMMI與TLMI量測相位變化比較圖…….....….26 圖 2.27氯氣/氬氣混合電漿蝕刻矽晶圓之即時量測實驗結果….….27 圖 3.1 微帶線式微波干涉儀量測電漿時的原理…………...…….…28 圖 3.2 微帶線電場分佈圖………...……………………………….…29 圖 3.3外在環境不同時的色散關係圖……………. …………..….…30 圖 3.4 長度與相位差比例關係圖……………………………...….…32 圖 3.5 微帶線式微波干涉儀基板結構圖……………………...….…32 圖 3.6 不同氣壓的介質損耗正切……………………………...….…35 圖 3.7 不同氣壓的透射係數…………………………………...….…37 圖 4.1 電感式耦合電漿蝕刻機台(R501) ………………….......….…39 圖 4.2 2.4 GHz微波電路實體…………………………....…...........…40 圖 4.3微波電路裝置圖………………………………….….......…..…41 圖 4.4射頻網路分析儀(E5071B).……….………………….......….…42 圖 4.5 射頻阻抗計實體圖……….………………………….......….…43 圖 4.6 射頻阻抗計與微帶線式微波干涉儀裝置圖.....…….......….…44 圖 4.7 表面波共振吸收探針實體圖 (a) 實體圖 (b) 截面圖…....…45 圖 4.8 表面波共振頻率隨功率變化圖…………..……...….......….…47 圖 4.9表面波共振頻率隨功率上升變化趨勢圖….... ..…..…....….…47 圖 4.10 MSMMI和PAP電漿密度量測結果比較………..…….......….…48 圖 5.1 M型微帶線微波干涉儀未加鋁牆電場分布圖(T為周期)….…50 圖 5.2 M型微帶線微波干涉儀加上鋁牆前後模擬結果…….. ….....…51 圖 5.3空橋式微帶線微波干涉儀結構圖(ABMMI) (a) ABMMI上視圖 (b) ABMMI截面圖. ………...... ………... ………... …….……...52 圖 5.4 M型微帶線微波干涉儀結構圖 (a) 側視圖 (b) 正視圖….…..53 圖 5.5 M型微帶線微波干涉儀加鋁牆結構圖 (a) 空間分布圖(b) 側視 圖(c) 正視圖... ………………..…... ...... ………... ……….....55 圖 5.6微波傳遞在不同環境下的電場分布圖(a) 真空 (b) 電漿密度 ………... …........ ………….. ………….. …….……56 圖 5.7 M型微帶線微波干涉儀實體圖 (a) 元件圖 (b) 上視圖 (c) 側 視圖 (d) 側視圖………………………………………..……58 圖 5.8 M型微帶線微波干涉儀真空中的透射係數.…. ……….……...59 圖 5.9 M型微帶線微波干涉儀量測微波電路零點相位……...............60 圖 5.10相位差隨不同功率變化之即時量測…..……..…. …..............61 圖 5.11電漿密度隨不同功率變化之即時量測………........................61 圖 5.12 MSMMI和ABMMI相位變化比較圖.............................................62 圖 5.13 MSMMI相位變化對應電漿密度圖.............................................62 圖 5.14 MSMMI量測電漿密度對不同氣壓之實驗結果…….................63 圖 5.15 PAP表面波共振頻率隨氣壓變化.............. …..........................64 圖 5.16 PAP表面波共振頻率隨氣壓上升變化趨勢.............................65 圖 5.17 PAP與MSMMI量測改變氣壓的電漿密度圖..... ........ ..............65 圖 5.18不同位置 PAP與MSMMI量測改變氣壓的電漿密度圖...........66 圖 5.19隨氣壓變化腔體內電漿密度徑向分佈圖...... ..... ..... ..... ........67 圖 5.20 K值和電子溫度關係圖...... ..... . ..... . ..... . ..... . ........ ............68 圖 5.21 隨氣壓變化腔體內電漿密度徑向分佈圖 ..... . ........ ............69 圖 5.22 隨氣壓變化腔體內電漿密度徑向分佈圖(4、8、12、16、 20 Torr) ... ....... ....... ....... ....... ....... ....... .......... . ........ ............70 圖 5.23 隨氣壓變化腔體內電漿密度徑向分佈圖(6、10、14、18 mTorr) ... ....... ....... ......... ....... ....... .......... . . ... . ........ ............70 圖 5.24 腔體中心周圍(離壁12 cm~14 cm)隨氣壓變化的電漿分佈 圖..... . ........ ... ....... ... ....... ... ....... ... ....... ... ....... ... ...............71 圖 5.25腔體中心周圍(離壁1 cm~10 cm)隨氣壓變化的電漿分佈圖 ..... . ........ ... ....... ... ....... ... ....... ... ....... ... ....... ... ...................72 圖 5.26 (a)未加偏壓之氬氣電漿即時量測結果(b)訊號取平均10次 之氬氣電漿即時量測結果(c)訊號取平均20次之氬氣電漿即 時量測結果(d)訊號取平均40次之氬氣電漿即時量測結果 (e)訊號取平均80次之氬氣電漿即時量測結果(f)訊號取平 均160次之氬氣電漿即時量測結果.......... ... ..........................74 圖 5.28 (a)5 mTorr加上偏壓之量測比較(b) 10 mTorr加上偏壓之量 測比較(c) 15 mTorr加上偏壓之量測比較(d)20 mTorr加上 偏壓之量測比較.. ..... ... ....... ..... ... ....... ..... ... .......................75 圖 5.29 (a)5 mTorr不同頻率之量測比較(b) 10 mTorr不同頻率之量 測比較(c) 15 mTorr不同頻率之量測比較(d)20 mTorr不同 頻率之量測比較.. ..... ... ....... ..... ... ....... ..... ... .......................76 圖5.29 不同偏壓相位變化量比較圖. .... ....... . .... ....... . .... ....... . ......77 圖5.30 不同頻率相位變化量比較圖. .... ....... . .... ....... . .... ....... . ......77 圖 6.1 M型微帶線式微波干涉儀加上偏壓的電路量測圖... .... ...........79 圖 6.2可移動式PAP損壞照片... .... ....... .... ....... .... ....... .... ....... .......81 圖 6.3可移動式PAP損壞時網路分析儀掃頻圖... .... .............. ...........81 圖 6.4可移動式PAP正常時網路分析儀掃頻圖... .... .... .....................82 表 目 錄 頁次 表 2.1 文獻回顧總整理…………………….... ............……………….................27 表 3.1不同氣壓的電漿介電常數值與介質損耗正切……....................35 表 3.2 M型微帶線微波干涉儀模擬隨氣壓變化的S21參數跟相位......36 表 5.1 HFSS模擬M型微帶線微波干涉儀相位差與S參數的結果......54 表 5.2 HFSS模擬M型微帶線微波干涉儀加上鋁牆相位差與S參數的 結果……....... ……………………………………….... ..........…..........................56 表 5.3 M型微帶線微波干涉儀實際與模擬S參數的比較....... ...........57

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