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研究生： 謝政宏
Cheng-Hung Hsieh
論文名稱： 研製應用於監測電漿製程系統中電漿密度之傳輸線式微波感測器
Development of Transmission-line Type Microwave Sensor for Plama Density Monitoring in Plasma Processing Reactors
指導教授： 林強
Chaung Lin
柳克強
Keh-Chyang Leou
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： 2004
畢業學年度： 92
語文別： 中文
論文頁數： 103
中文關鍵詞： 電漿製程 、電漿密度 、微波感測器 、傳輸線
外文關鍵詞： Plasma Processing, Plasma Density, Microwave Sensor, Transmission Line
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    • 本論文研究的目的在於研製傳輸線式微波感測器(往後簡稱微波感測器或感測器)量測系統，用以量測電漿系統的電漿密度以及其變化情形。在現階段的電漿蝕刻製程中，由於製程參數無法即時得知，所以能夠直接反應製程參數的電漿參數，如: 電漿密度、電子溫度、離子能量等，就成為目前用以即時監控製程的必要資訊。
    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，意即傳播常數改變，其中傳播常數可由電漿密度之多項式近似，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。
    於研製之初，爲確保本感測器之可實用性，吾人將原理所得之感測器結構透過高頻模擬軟體來模擬出此感測器之電磁場分佈，其電磁場分佈與原理所得符合，且進一步由模擬所得之傳播常數可發現與疊代方式所得之解析解間，其誤差小於3%(不論是真空還是電漿狀態) ，這使得吾人可以確定本感測器於研製上的可行性。 本感測器所設計的結構為外層鐵弗龍(Teflon)介質包覆內層銅導體，其內外徑分別為1.5與2.5毫米(mm)，長度則分別有6、7與8厘米(cm)三種。
    藉由理論分析以及模擬計算的相互驗證下，所研製之微波感測器對於純氬氣電漿以及混合氣體電漿的電漿密度量測均可發現隨電漿功率上升而增加的趨勢; 另外，對於在電漿蝕刻過程的量測上，可明顯監測其電漿密度隨時間的變化情形; 對於開迴路與閉迴路電漿蝕刻實驗中的量測結果，更可透過電漿功率、偏壓功率、壓力以及離子電流等資訊來佐證所量測到的電漿密度確實有顯著的變化; 然而由於此微波感測器尚屬初步研發階段，待此微波感測器發展成熟後，更可進一步作為電漿蝕刻製程之控制器。

    目錄 頁次 摘要 ………………………………………………………………… i 致謝 ………………………………………………………………… iii 目錄 ………………………………………………………………… iv 圖目錄 ……………………………………………………………… viii 表目錄 …………………………………………………………… xii 第一章 簡介 ………………………………………………………… 1 第二章 文獻回顧 …………………………………………………… 3 2.1 共振式探針(resonance probe) ……………………………… 3 2.1.1 共振頻率的變化與估測 ………………………… 4 2.1.2 電漿參數與回授控制 …………………………… 5 2.2 微波截止探針(wave cutoff probe)以及夾型共振器(hairpin resonator) …………………………………………………… 6 2.3 電漿密度量測比較 ………………………………………… 8 第三章 研究原理 …………………………………………………… 17 3.1 色散關係(dispersion relation) ……………………………… 17 3.2 相位與電漿密度關係 ……………………………………… 22 第四章 實驗設備與量測系統 ……………………………………… 28 4.1 電感耦合式電漿蝕刻機台 ………………………………… 28 4.2 量測元件與系統 …………………………………………… 31 4.2.1 微波源(電壓控制震盪器) ………………………… 31 4.2.2 鏡頻阻絕混頻器 (Image Rejection Mixer) ……… 32 4.2.3 微波感測器 (Microwave sensor) ………………… 33 4.2.4 射頻網路分析儀 …………………………………… 34 第五章 量測過程與監控方式 ……………………………………… 39 5.1 系統操作簡介、啟動與測試 ……………………………… 39 5.1.1 系統操作簡介 ……………………………………… 39 5.1.2 系統啟動與測試 …………………………………… 40 5.2 監控方式與校正動作 ……………………………………… 41 5.2.1 監控方式 …………………………………………… 41 5.2.1.1 數位訊號之擷取 ……………………………… 44 5.2.1.2 降低雜訊干擾 : 平均值計算 ……………… 44 5.2.1.3 相位與電漿密度之運算 ……………………… 44 5.2.1.4 電漿密度即時監控與資料儲存 ……………… 45 5.2.2 補償動作 …………………………………………… 46 5.2.2.1 電漿功率對相位變化的影響 ………………… 46 5.2.2.2 相位量測誤差之校正與補償 ………………… 46 5.2.2.3 微波感測器量測程式簡介 …………………… 47 第六章 模擬和實驗結果與討論 …………………………………… 55 6.1 感測器之可行性 …………………………………………… 55 6.1.1 電漿密度近似與相位間的關係 …………………… 55 6.1.2 不同方式(解析與數值)所得之結果比較 ………… 56 6.2 實驗結果與討論 …………………………………………… 57 6.2.1 實驗結果 : 使用網路分析儀 …………………… 57 6.2.1.1 純氬氣電漿之量測 …………………………… 58 6.2.1.2 混和氣體電漿之量測 ………………………… 59 6.2.2 實驗結果 : 使用感測器電路 …………………… 59 6.2.2.1 純氬氣電漿之量測 …………………………… 59 6.2.2.2 混和氣體電漿之量測 ………………………… 60 6.2.2.3 電漿蝕刻過程之電漿密度量測 ……………… 60 第七章 結論 ………………………………………………………… 79 附錄A 關係式推導與由來 ………………………………………… 79 A.1 外在環境為真空時(TM0 mode) …………………………… 79 A.2 外在環境為電漿時(TM0 mode) …………………………… 83 附錄B 量測程式方塊圖 …………………………………………… 88 附錄C 相關計算之程式碼 ……………………………………… 91 參考文獻 …………………………………………………………… 102 圖目錄 頁次 圖2.1共振式探針量測設備 ………………………………………… 9 圖2.2反射係數(共振頻率)與電漿成分改變的變化情形 ………… 9 圖2.3反射係數(共振頻率)與操作參數改變的變化情形 ………… 10 圖2.4反射係數(共振頻率)與操作參數改變的變化情形 ………… 11 圖2.5估測與實際的蝕刻率比較 …………………………………… 11 圖2.6共振頻率與電漿功率關係圖 ………………………………… 12 圖2.7即時蝕刻率與共振頻率隨時間的關係圖 …………………… 12 圖2.8即時蝕刻率與共振頻率隨時間的關係圖 …………………… 13 圖2.9 四氯化矽之光譜強度 …………………………………………13 圖2.10微波截止探針結構圖 ……………………………………… 14 圖2.11頻譜儀量測結果: 頻率vs. 振幅大小 …………………… 14 圖2.12電漿密度 vs. 射頻功率 …………………………………… 14 圖2.13夾型共振器結構圖 ………………………………………… 15 圖2.14電漿密度 vs. 射頻功率 …………………………………… 15 圖3.1真空中微波感測器圖示 ……………………………………… 25 圖3.2真空中微波在感測器內傳播常數與頻率之關係圖 ………… 25 圖3.3電漿中微波在感測器內傳播常數與頻率之關係圖 ………… 25 圖3.4外在環境不同時的色散關係圖 …………………………… 26 圖3.5微波感測器原理圖示 ……………………………………… 26 圖3.6微波感測器基本架構 ……………………………………… 27 圖4.1電感耦合式電漿蝕刻機台 ………………………………… 35 圖4.2電壓控制震盪器之原理及定義圖 ………………………… 36 圖4.3鏡頻阻絕混頻器原理結構圖 ……………………………… 36 圖4.4鏡頻阻絕混頻器之頻譜圖 ………………………………… 37 圖4.5微波感測器本體 …………………………………………… 37 圖4.6微波感測器電路實體圖 …………………………………… 38 圖4.7網路分析儀(HP8714C) ……………………………………… 38 圖5.1微波感測器系統架設圖 ……………………………………… 48 圖5.2微波源啟動架構圖 …………………………………………… 48 圖5.3微波源輸入微調電壓與頻率之關係圖 ……………………… 49 圖5.4微擾對相位變化之測試圖 …………………………………… 49 圖5.5微波感測器穩定度之測試(實驗前) ………………………… 50 圖5.6微波感測器穩定度之測試(實驗中) ………………………… 50 圖5.7微波感測器穩定度之測試(實驗後) ………………………… 51 圖5.8電漿功率與(I、Q)之變化 …………………………………… 51 圖5.9實際相位vs.程式判讀之相位比較 ………………………… 52 圖5.10微波感測器量測程式之虛擬面版 ………………………… 52 圖6.1微波之傳播常數以電漿密度五次多項式近似 ……………… 63 圖6.2不同感測器長度下，相位差與電漿密度之關係圖 ………… 63 圖6.3 HFSS模擬結構與環境 ……………………………………… 64 圖6.4傳播常數: 數值解與解析解之比較 (真空) ……………… 64 圖6.5傳播常數: 數值解與解析解之比較 (電漿) ……………… 65 圖6.6真空中端埠上的電場分佈 ………………………………… 65 圖6.7真空中端埠上的磁場分佈 ………………………………… 66 圖6.8真空中橫截面上的電場分佈 ……………………………… 66 圖6.9真空中橫截面上的磁場分佈 ……………………………… 66 圖6.10電漿中端埠上的電場分佈 ………………………………… 67 圖6.11電漿中端埠上的磁場分佈 ………………………………… 67 圖6.12電漿中橫截面上的電場分佈 ……………………………… 68 圖6.13電漿中橫截面上的磁場分佈 ……………………………… 68 圖6.14量測系統 : 使用網路分析儀 ……………………………… 68 圖6.15電漿密度隨徑向位置變化 ………………………………… 69 圖6.16相位變化 vs. 電漿功率 …………………………………… 69 圖6.17相位與電漿密度之相關性 ………………………………… 70 圖6.18混合氣體電漿密度量測 …………………………………… 70 圖6.19量測系統架構: 使用感測器電路 ………………………… 71 圖6.20純氬氣電漿相位量測 ……………………………………… 71 圖6.21混合氣體電漿密度量測 …………………………………… 72 圖6.22電漿蝕刻中電漿密度量測(一) …………………………… 72 圖6.23電漿蝕刻中電漿密度量測(二) …………………………… 73 圖6.24電漿蝕刻中電漿功率比較 ……………………………… 73 圖6.25電漿蝕刻中壓力比較 ……………………………………… 74 圖6.26電漿蝕刻中偏壓功率比較………………………………… 74 圖6.27電漿蝕刻中離子電流比較………………………………… 75 圖6.28電漿蝕刻中偏壓之峰值電壓比較 ……………………… 75 圖6.29電漿蝕刻中開迴路與閉迴路實驗電漿密度之比較 …… 76 圖6.30開迴路與閉迴路離子電流之比較 ……………………… 76 圖A.1真空中傳輸線圖示 ………………………………………… 87 圖B.1微波感測器量測程式虛擬面板 …………………………… 88 圖B.2微波感測器量測程式方塊圖 ……………………………… 89 圖B.3電漿密度運算之虛擬面板 ………………………………… 90 圖B.4電漿密度運算之程式方塊圖 ……………………………… 90 表目錄 頁次 表2.1操作參數(四個兩水準因子) ………………………………… 10 表2.2操作參數(兩個兩水準因子) ………………………………… 10 表2.3比較量測電漿密度之方式 …………………………………… 16 表4.1兩端埠間距 vs. 耦合量 …………………………………… 37 表5.1微波感測器量測程式之相位補償關係表 …………………… 53 表5.2微波感測器量測程式虛擬面板之符號簡介 ………………… 53

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    [14] Constantine A. Balanis, “ Advanced Engineering Electromagnetics ,” John Wiley &sons, Inc.

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