電漿吸收探針模擬與實驗分析｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	陳穩智 Chen, Wen-Chih
論文名稱：	電漿吸收探針模擬與實驗分析 Simulation and Experimental Analysis of Plasma Absorption Probe
指導教授：	柳克強
口試委員:	林滄浪張家豪
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：	2012
畢業學年度：	100
語文別：	中文
論文頁數：	88
中文關鍵詞：	電漿鞘層、電漿前鞘層、電漿吸收探針
外文關鍵詞：	Sheath, Persheath, Plasma Absorption Probe
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摘要

　　電漿製程在整個半導體產業中佔有重要的地位，而電漿的穩定性是影響整個電漿製程良率的重要關鍵，其中電漿密度是最重要的參數之一。因此在製程中必須隨時確保電漿的狀態，即時監測製程腔體內的電漿狀況得知電漿狀態，並調整製程參數來達到所需的製程狀態顯得相當的重要。
　　本研究使用電漿吸收探針(Plasma Absorption Probe, PAP)進行電漿密度的測量，其原理是利用表面波與探針結構及電漿中的電子發生共振，當共振時表面波能量將會傳遞至電漿中，因此表面波能量不會產生反射，經由量測反射係數與頻率的關係找出反射係數最低點，此時的頻率即為共振吸收頻率，借由建立電漿環境及探針結構來模擬分析不同電漿密度下的共振吸收頻率。在電漿環境中因為探針與電漿間存在著電位差，使得探針與電漿介面間會產生電漿鞘層（Sheath）與電漿前鞘層(Presheath)的過度區域，由於這兩個區域內的電子密度與電子分佈不同於電漿本體，因此在電漿環境模型內必須加入這兩個區域的條件，使得模擬條件更接近於真實環境，增加模擬的準確性。本研究重點在於建立電漿環境模型，模擬分析電漿環境對PAP探針量測共振吸收頻率的影響，及共振吸收頻率與電漿密度的關係曲線方程式，將實驗所量測到的共振吸收頻率帶入模擬曲線方程式中即可獲得電漿密度。
由於量測探針必須置入電漿腔體中，因此探針體積的大小必定會影響區域電漿的分佈，傳統上使用的大直徑(r =5.58 mm)電漿吸收探針 LPAP（Large PAP）的體積，相較於小直徑(r =2 mm) 電漿吸收探針SPAP（Small PAP）的體積大出許多，因此LPAP對區域性電漿分佈的影響會比SPAP來的高，所以必須選擇製作小直徑SPAP電漿吸收探針，用來降低體積對於區域性電漿分佈的影響，並進行SPAP探針的模擬與量測，分析不同半徑大小的探針對於共振吸收頻率及電漿密度量測的影響。
　　本實驗使用電感耦合式電漿蝕刻機台(Inductively Coupled Plasma, ICP)進行量測電漿密度的實驗，使用LPAP與SPAP探針在相同的電漿條件下進行量測。由LPAP與SPAP量測電漿密度的結果顯示，隨著ICP功率的增加，共振吸收頻率會隨之提高，而使用共振吸收頻率計算的電漿密度也會隨之增加，且LPAP與SPAP兩者進行量測計算獲得的電漿密度非常吻合，因此在相同的量測結果下，使用小體積的SPAP探針做為量測工具是較好的選擇。

目錄
索引                                                   頁次
摘要    i
Abstract    iii
誌謝    v
目錄    vi
表目錄    viii
圖目錄    ix
第一章    簡介    1
1.1  研究背景    1
1.2  研究目的    2
第二章    文獻回顧    4
2.1  微波干涉儀    4
2.2  電漿吸收探針    11
2.3  夾型共振器    19
2.4  電漿鞘層厚度    23
第三章    研究原理    26
3.1  電漿鞘層的基本原理    26
3.2  電漿吸收探針PAP量測電漿時的方式    31
3.3  電漿吸收探針PAP基本原理    31
3.4  電漿參數    34
第四章    實驗機台設備介紹    39
4.1  電漿源及電漿實驗機台    39
4.2  電漿吸收探針所搭配的量測儀器及設備    41
4.3  量測探針    42
4.3.1  電漿吸收探針    42
4.3.2  蘭牟爾探針    45
4.3.3  浮接式夾型共振器    46
第五章    結果與討論    48
5.1  模擬電漿吸收探針之探討    48
5.1.1  理想電漿環境下電漿吸收探針之模擬    48
5.1.2  電漿環境加入電漿鞘層(sheath)之模擬    53
5.1.3  電漿環境加入電漿前鞘層(Presheath)之模擬    60
5.1.4  模擬小尺寸SPAP電漿吸收探針    64
5.2  實驗量測之結果與討論    70
第六章    結論    79
6.1  改變模擬環境條件    79
6.2  使用探針進行量測    80
參考文獻    81
附錄    84
附錄1  電漿鞘層與前鞘層對微帶線式微波干涉儀之影響    84

表目錄
附錄表1 不同電漿密度下電漿前鞘層內電漿密度分佈。    86
附錄表2 不同電漿環境條件下改變電漿密度之相位差。    86

圖目錄
圖2.1 微波在電漿與真空之色散關係圖。    5
實線為電漿的色散關係，虛線為真空的色散關係。    5
圖2.2 傳統微波干涉儀之測量架構圖。    5
圖2.3 微波干涉儀多重路徑示意圖。    6
圖 2.4 傳輸線式微波干涉儀。    7
(a) 傳輸線結構圖。    7
(b) 傳輸線式微波干涉儀實體圖。    7
(c) 傳輸線式微波干涉儀架設的相對位置。    7
圖2.5 脊型微帶線微波干涉儀。    8
(a) 脊型微帶線微波干涉儀示意圖。    8
(b) 脊型微帶線微波干涉儀實體圖。    8
圖2.6 空橋式微帶線微波干涉儀。 (a) 側視圖。 (b) 俯視圖。    9
M型微帶線微波干涉儀。 (c) 側視圖。 (d) 俯視圖。    9
圖2.7 TLMI、RMMI與ABMMI量測相位變化比較圖。    10
圖2.8 ABMMI和MSMMI相位變化比較圖。    10
圖2.9 電漿吸收探針結構圖。    11
圖2.10 不同電漿功率下，頻率對反射係數關係圖。    12
MAIN ABS.電漿主要共振吸收頻率。    12
SECOND ABS. 軸向天線不對稱所造成。    12
圖2.11 (a) 高靈敏PAP與傳統式PAP結構之比較。    13
(b) 高靈敏PAP之截面圖。    13
(c) 高靈敏PAP與傳統PAP共振吸收頻率之比較。    13
圖2.12 (a)傳統式PAP。    14
(b)高靈敏PAP在不同氣壓下之比較。    14
圖2.13理論曲線與實驗量測圓點。    15
圖2.14 HDPAP結構圖。    16
圖2.15 HDPAP在不同電漿密度下之模擬。    17
(a) 天線長度2 mm。    17
(b) 天線長度0.2 mm。    17
圖2.16 HDPAP實體圖及不同氣壓下測量的結果。    17
圖2.17 LDPAP模擬與實際量測圖。    18
(a)FemLab模擬頻譜。    18
(b)實際測量頻譜。    18
圖2.18 夾型共振器量測設備與方法。    19
(a) 夾型共振器訊號源與量測儀器。    19
(b) 夾型共振器探針結構。    19
圖2.19 夾型共振器之天線截面示意圖。    21
(a)考慮電漿鞘層之天線截面示意圖。    21
(b)等效電漿鞘層之介電常數εeff。    21
圖2.20 夾型共振器對電漿鞘層修正之比較。    22
圖2.21 (a)浮接式夾型共振器結構圖。    23
(b)浮接式夾型共振器截面圖。    23
圖2.22 Dual-role PAP量測結構示意圖。    23
圖2.23 不同電漿鞘層厚度理論曲線圖。    24
圖2.24 Langmuir探針的功能所量測出的I-V曲線。    25
圖3.1 在熱平衡電漿中計算電子Debye length。    27
圖3.2 定義電漿鞘層(sheath)與前鞘層(presheath)。    27
圖3.3 ϕp/Te對前鞘層內位置。    29
(a)幾何前鞘層。    29
(b)平面碰撞前鞘層。    29
(c)平面離子化前鞘層。    29
圖3.4 Ar離子能量對碰撞截面積。    30
圖3.5 電漿吸收探針的結構圖。    31
圖3.6 表面波沿著介質管表面傳遞。    32
圖3.7 不同電漿密度相對介電常數隨頻率變化。    37
圖3.8 不同電漿密度損耗正切隨頻率變化。    37
圖3.9 不同壓力相對介電常數隨頻率變化。    38
圖3.10 不同壓力損耗正切隨頻率變化。    38
圖 4.1 ICP電感式耦合電漿蝕刻機台 (R501)。    40
圖 4.2 螺旋式電感偶合線圈(R501)。    40
圖 4.3 射頻網路分析儀(E5071B)。    41
圖4.4 可移動式載台。    42
圖 4.5電漿吸收探針。    43
(a)兩種不同尺寸探針實體圖。    43
(b)截面圖。    43
圖 4.6 LPAP電漿共振吸收頻率隨功率之變化。    44
圖4.7 蘭牟爾探針實體圖。    45
圖4.8 蘭牟爾探針裝置    46
(a)電路裝置盒。    46
(b)電源供應器。    46
圖4.9 浮接式夾型共振器實體圖。    47
圖5.1電漿吸收探針結構圖。    49
圖5.2電漿吸收探針半結構模型圖。    50
(a)半結構探針頂部截面圖。    50
(b)半結構探針底部截面圖。    50
圖5.3 完整結構與半結構之頻譜圖。    51
圖5.4 完整結構頻率1.839 GHz(a)電場分佈(b)磁場分佈。    51
半結構頻率1.839 GHz(c)電場分佈(d)磁場分佈。    51
圖5.5 不同電漿密度之頻譜圖。    52
圖5.6 共振吸收頻率及擬合曲線。    53
圖5.7 加入電漿鞘層之探針結構圖。    54
圖5.8 比較電漿鞘層與沒有電漿鞘層之反射係數隨頻率變化。    55
圖5.9 加入電漿鞘層頻率1.976 GHz(a)電場(b)磁場。    56
加入電漿鞘層頻率2.142 GHz(c)電場(d)磁場。    56
圖5.10加入電漿鞘層不同電漿密度之頻譜圖。    56
圖5.11 加入電漿鞘層之共振吸收頻率及擬合曲線。    57
圖5.12 改變天線長度L之頻譜圖。    58
圖5.13 天線長度2 mm時不同共振頻率電場分佈。    59
圖5.14 固定D改變天線長度L之頻譜圖。    60
圖5.15 加入電漿前鞘層之探針結構。    61
圖5.16 比較三種環境下之頻譜圖。    62
圖5.17 加入電漿前鞘層不同天線長度之頻譜圖。    63
圖5.18 加入電漿前鞘層不同電漿密度之頻譜圖。    63
圖5.19 加入電漿前鞘層之共振吸收頻率及擬合曲線。    64
圖5.20 SPAP與LPAP結構圖之比較（L＝1.5 mm）。    65
圖5.21 SPAP模擬不同天線長度L之頻譜圖。    65
圖5.22 SPAP模擬不同電漿鞘層厚度之頻譜圖。    66
圖5.23 SPAP電漿鞘層厚度對共振吸收頻率曲線圖。    67
圖5.24 SPAP模擬不同電漿密度之頻譜圖。    67
圖5.25 SPAP之共振吸收頻率及擬合曲線。    68
圖5.26 SPAP與LPAP在相同電漿環境條件下模擬之共振吸收頻率比較。    68
圖5.27 SPAP共振頻率與非共振頻率模擬。    69
圖5.28 SPAP共振頻率與非共振頻率電磁場分佈比較。    69
(a) 共振頻率(1.997 GHz)。    69
(b) 非共振頻率(1.800 GHz)。    69
圖 5.29 SPAP與LPAP在不同電漿功率反射係數之頻譜。    71
圖5.30 改變電漿功率時SPAP與LPAP之共振吸收頻率。    71
圖5.31 比較SPAP與LPAP之衰減係數α。    73
圖5.32 比較SPAP與LPAP之反射係數S11。    73
圖5.33 SPAP與LPAP不同電漿功率之電漿密度。    74
圖5.34 LPAP與SPAP在相同條件下量測及模擬結果。    75
圖5.35 LPAP與SPAP在相同條件下量測及模擬結果之FWHM。    75
圖5.36 考慮金屬天線歪斜對共振頻率的影響。    76
圖5.37金屬天線不同歪斜角度的共振頻譜。    77
圖5.38金屬天線歪斜角度對共振頻率變化。    77
圖5.39不同歪斜角度的電場分佈圖(a)0 度(b)6 度(c)12 度。    78
附錄圖1 微帶線式微波干涉儀模擬結構。    84
附錄圖2 微帶線式微波干涉儀加入電漿鞘層及前鞘層結構。    85
附錄圖3 在不同電漿環境條件下改變電漿密度之相位差變化。    87
附錄圖4 電漿密度5x1011 cm-3時不同電漿環境下電場分佈。    88
(a)w/o sheath & presheath。    88
(b)w/ sheath,w/o presheath。    88
(c)w/ sheath & presheath。    88

                                

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