研製應用於監測電漿製程系統中電漿密度之平面式微波感測器

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研究生：	王瀚廷
論文名稱：	研製應用於監測電漿製程系統中電漿密度之平面式微波感測器 Development of Surface Type Microwave Sensor for Plasma Density Monitoring in Plasma Processing Reactors
指導教授：	林強柳克強
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：	2005
畢業學年度：	93
語文別：	中文
論文頁數：	79
中文關鍵詞：	電漿密度、微波感測器、即時量測、電漿蝕刻、電漿參數、微波量測
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本論文研究目的在於研製即時量測電漿密度之微波量測系統，做為電漿蝕刻製程中即時回授控制的感測器。
微波感測器的原理為在相對於真空狀態下，微波在傳輸線上傳遞時，受到電漿的影響，使得微波波長產生變化，即傳播常數改變，其中傳播常數可由電漿密度以多項式近似，由兩者(電漿與真空狀態)所造成的相位差，可以進一步得知電漿密度的變化。
除了在理論分析與實驗量測方面改進現有同軸式傳輸線感測器，本論文另外設計了平面式微波感測器，感測器結構平貼於腔壁，將對電漿的影響降到最低。同時由於使用陶瓷做為介電質，相較於原有同軸式傳輸線感測器所用的鐵氟龍，較不易被腐蝕性氣體漿侵蝕。
現有的感測器(2.4 GHz)最大的理想量測值為7.12 × 1010 cm-3 ，如提高為5.8 GHz ，最大理想量測值可為4.23 × 1011 cm-3 ，量測範圍可提升約6倍，增加感測器的實用性，可進一步做為電漿蝕刻製程回授控制用之感測器。

目錄
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摘要 …………………………………………………………………   i
目錄 …………………………………………………………………  iv
圖目錄 ………………………………………………………………  vii
表目錄 ……………………………………………………………     x
第一章 簡介 …………………………………………………………  1
第二章 文獻回顧 ……………………………………………………  4
  2.1 共振式探針(resonance probe) ………………………………   4
       2.1.1  共振頻率的變化與估測 …………………………   5
       2.1.2  電漿參數與回授控制 ……………………………   9
  2.2 微波截止探針(wave cutoff probe)以及夾型共振器(hairpin
      resonator) …………………………………………………    12
2.3 表面波探針(Surface wave Probe)      …………………   16
  2.4 傳輸線式微波感測器              ……………………   18
2.5 電漿密度量測比較 …………………………………………  20
第三章 研究原理 …………………………………………………… 23
  3.1 色散關係(dispersion relation) ………………………………  23
  3.2 相位與電漿密度關係 ………………………………………  29
第四章 實驗設備與量測系統 ……………………………………… 33
  4.1 電感耦合式電漿蝕刻機台 …………………………………  33
  4.2 量測元件與系統 ……………………………………………  36
       4.2.1 微波源(電壓控制震盪器) ………………………… 36
       4.2.2 鏡頻阻絕混頻器 (Image Rejection Mixer) ………  37
       4.2.3 微波感測器 (Microwave sensor) …………………  38
       4.2.4 射頻網路分析儀 …………………………………… 40
4.3 現有感測器的缺點   ………………………………………  43
第五章  同軸式傳輸線微波感測器之改進與建議    …………… 44
  5.1 系統操作簡介             ………………………………  44
  5.2 色散關係式修正     ………………………………………  45
  5.3 低功率量測與雜訊改善   …………………………………  47
5.4 高功率量測與波長/感測器長度對量測相位的限制  ……  50
      5.4.1 高功率量測            ………………………… 50
      5.4.2 波長/感測器長度對量測相位的限制     ……… 51
5.5 成果與建議               ………………………………  53
第六章 平面式感器模擬結果與討論 ……………………………… 54
  6.1 平面式感測器結構設計     ………………………………  54
  6.2 平面式感測器模擬結果     ………………………………  58
    6.2.1 電漿密度與傳播常數的關係        …………… 59
6.2.2 電漿密度與相位的關係            …………… 60
6.3 成果與討論                ………………………………  63
第七章 結論 ………………………………………………………… 64
附錄A 色散關係式推導  …………………………………………  66
  A.1  外在環境為真空時(TM0 mode) …………………………… 66
  A.2  外在環境為電漿時(TM0 mode) …………………………… 70
附錄B HFSS設定電漿密度的步驟  ………………………………  76
參考文獻 ……………………………………………………………  78










圖目錄
                                                       頁次
圖2.1共振式探針量測設備 ………………………………………… 5
圖2.2反射係數(共振頻率)與電漿成分改變的變化情形 ………… 6
圖2.3反射係數(共振頻率)與操作參數改變的變化情形 ………… 7
圖2.4反射係數(共振頻率)與操作參數改變的變化情形 ………… 8
圖2.5估測與實際的蝕刻率比較 …………………………………… 9
圖2.6共振頻率與電漿功率關係圖 ………………………………… 9
圖2.7即時蝕刻率與共振頻率隨時間的關係圖 …………………… 11
圖2.8即時蝕刻率與共振頻率隨時間的關係圖 …………………… 11
圖2.9 四氯化矽之光譜強度 ………………………………………  12
圖2.10微波截止探針結構圖 ……………………………………… 12
圖2.11頻譜儀量測結果: 頻率vs. 振幅大小 ……………………  13
圖2.12電漿密度 vs. 射頻功率 …………………………………… 14
圖2.13夾型共振器結構圖 ………………………………………… 14
圖2.14電漿密度 vs. 射頻功率 …………………………………… 16
圖2.15表面波探針結構圖      …………………………………… 16圖2.16反射係數 vs. 輸入頻率 …………………………………… 17圖2.17微波感測器結構示意圖  …………………………………… 18圖2.18微波感測器架設示意圖  …………………………………… 18圖2.19量測電路示意圖        …………………………………… 19圖2.20混合氣體電漿密度量測  …………………………………… 19圖3.1真空中微波感測器圖示 ……………………………………… 24
圖3.2外在環境不同時的色散關係圖 ……………………………  30
圖3.3微波感測器原理圖示 ………………………………………  31
圖3.4微波感測器基本架構 ………………………………………  32
圖4.1電感耦合式電漿蝕刻機台 …………………………………  33
圖4.2電壓控制震盪器之原理及定義圖 …………………………  41
圖4.3鏡頻阻絕混頻器原理結構圖 ………………………………  41
圖4.4鏡頻阻絕混頻器之頻譜圖 …………………………………  42
圖4.5微波感測器本體 ……………………………………………  42
圖5.1微波感測器系統架設圖 ……………………………………… 44
圖5.2真空下色散關係式比較  …………………………………… 46
圖5.3電漿中色散關係式比較   …………………………………… 47圖5.4電漿密度隨功率變化圖  …………………………………… 48
圖5.5微波感測器穩定度之測試(電路板) ………………………… 48
圖5.6微波感測器穩定度之測試(電路盒) ………………………… 49
圖5.7電漿密度隨功率變化圖(改善後)   ………………………… 49
圖5.8蘭牟爾探針量測結果    …………………………………… 50
圖5.9電漿密度隨相位差變化圖        ………………………… 51
圖5.10相位差隨功率變化圖           ………………………… 51
圖5.11相位差示意圖                  ………………………… 52圖5.12真空中微波傳播相位            ………………………… 53圖5.13電漿中微波傳播相位            ………………………… 53圖6.1微帶線原理示意圖                      ……………… 55
圖6.2平面式感測器尺寸圖                        ………… 56
圖6.3加入微波輸入端,外在介質的HFSS模擬側視圖   ………  57
圖6.4加入微波輸入端,外在介質的HFSS模擬上視圖 …………  57
圖6.5真空/電漿中的HFSS模擬上視圖         ………………  59
圖6.6加入微波輸出端HFSS模擬示意    ………………………  60
圖6.7感測器周圍以金屬包覆示意圖   …………………………  60
圖6.8不同頻率下,相位差隨電漿密度變化的情    ……………  61
圖6.9 5.8 GHz時，真空下電場強度分佈   ……………………  62
圖6.10 5.8 GHz時，電漿中電場強度分佈   …………………… 62



表目錄
                                                       頁次
表2.1操作參數(四個兩水準因子) ………………………………… 6
表2.2操作參數(兩個兩水準因子) ………………………………… 7
表2.3比較量測電漿密度之方式 …………………………………… 21
表4.1兩端埠間距 vs. 耦合量 ……………………………………  37
表6.1 HFSS模擬阻抗Z0隨z方向尺寸改變的影響   …………… 56
表6.2 HFSS模擬S參數隨D尺寸改變的影響    ………………… 58
表6.3 HFSS模擬傳播常數隨電漿密度改變的情形     ………… 59

                                

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全文公開日期本全文未授權公開 (校內網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (校外網路)

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