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研究生： 鄭景元
C. H. Hsieh
論文名稱： 應用於監測電漿製程系統中電漿密度之傳輸線式微波干涉儀之研製
Development of Transmission -line Type Microwave Interferometer for Plasma Density Monitoring in Plasma Processing Reactors
指導教授： 林強
C. Lin
柳克強
K. C. 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： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 102
中文關鍵詞： 電漿製程 、感測器 、電漿密度 、同軸傳輸線 、自動校正
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    • 在現階段的電漿製程中，由於製程參數無法即時得知，因此，若能夠使用感測器直接反應製程參數的電漿密度，再搭配即時回授控制的技術，就可控制電漿製程中電漿的穩定度，以增加製程之良率。於是本研究承接謝正宏與王瀚廷學長的傳輸線式微波感測器研究，針對量測上的問題加以改進 ，用以更精確量測電漿系統的電漿密度以及其變化情形。
    感測器的基本原理是利用當外在環境電漿改變時，同軸傳輸線上微波波長隨之變化的特性，再經由同軸傳輸線在真空與電漿中之色散關係式，即可得到微波相位與電漿密度之間的關係。
    研究中使用High Frequency Structure Simulator (HFSS)電磁計算模擬軟體，進行感測器之特性分析以及結構重新設計。重新設計之感測器將圓弧狀傳輸線以直線取代，改善高密度與低密度電漿量測與理論趨勢不符問題；爲避免感測器製作上的差異，進一步利用HFSS來討論重新設計後的感測器尺寸差異對於量測的影響；而量測時基礎相位漂移的問題，則撰寫程式自動校正功能，用以改善當射頻功率輸入時基準相位漂移現象。

    目 錄 頁次 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 …………………………… 8 2.2 微波截止探針(wave cutoff probe)以及夾型共振器(hairpin resonator) ………………………………………………… 12 2.4 微波干涉儀(millimeter wave interferometer)與傳輸線式微波感測器(transmission-line type microwave sensor) …………… 16 2.3 表面波探針(surface wave probe)與表面穿透波探針(plasma transmission probe) ……………………………………… 21 2.5 電漿密度量測比較 ……………………………………… 26 第三章 研究原理 …………………………………………………… 29 3.1 色散關係(dispersion relation) ……………………………… 29 3.2 相位與電漿密度關係 ……………………………………… 38 第四章 實驗設備與量測系統 ……………………………………… 41 4.1電漿機台 …………………………………………………… 41 4.2 微波電路量測元件…………………………………………… 43 4.3 搭配使用量測儀器…………………………………………… 44 4.3.1 射頻網路分析儀 …………………………………… 44 4.3.2 蘭牟爾探針 ………………………………………… 45 第五章 傳輸線式微波感測器之改善……………………………… 47 5.1 改進低功率與高功率量測問題…………………………… 47 5.2 感測器尺寸改變造成量測結果的誤差…………………… 62 5.2.1 長度改變…………………………………………… 63 5.2.2 介電質半徑大小改變……………………………… 65 5.2.3 討論………………………………………………… 66 5.3 相位漂移問題與解決方法………………………………… 68 第六章 結論與建議 ……………………………………………… 73 6.1 結論………………………………………………………… 73 6.2 建議………………………………………………………… 74 附錄A 量測程式方塊圖…………………………………………… 76 附錄B 微波電路元件……………………………………………… 89 B.1 微波源 (電壓控制震盪器，Voltage Controlled Oscillator)… 89 B.2 鏡頻阻絕混頻器(Image Rejection Mixer)與單向器 (Isolator) ………………………………………………… 91 附錄C 高頻模擬軟體(HFSS) …………………………………… 94 C.1邊界條件……………………………………………………… 94 C.2模擬流程……………………………………………………… 98 參考文獻 …………………………………………………………… 100 圖目錄 頁次 圖2.1共振式探針量測設備 ………………………………………… 4 圖2.2反射係數(共振頻率)與電漿成分改變的變化情形 ………… 5 圖2.3反射係數(共振頻率)與操作參數改變的變化情形 ………… 6 圖2.4反射係數(共振頻率)與操作參數改變的變化情形 ………… 7 圖2.5估測與實際的蝕刻率比較 …………………………………… 8 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 …………………… 10 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 …………………………………………11 圖2.10微波截止探針結構圖 ……………………………………… 13 圖2.11網路分析儀量測結果: 頻率vs. 振幅大小 ……………… 13 圖2.12電漿密度 vs. 射頻功率 …………………………………… 13 圖2.13夾型共振器量測設備………………………………………… 15 圖2.14電子密度 vs. 射頻功率 …………………………………… 16 圖2.15傳輸線式微波感測器………………………………………… 19 圖2.16傳輸線式微波感測器搭配量測電路實體…………………… 19圖2.17傳輸線式微波感測器原理架構……………………………… 20圖2.18電漿密度 V.S. 射頻功率…………………………………… 20 圖2.19混和氣體電漿密度量測……………………………………… 20圖2.20電漿蝕刻中電漿密度量測比較……………………………… 21 圖2.21表面波探針結構圖…………………………………………… 22 圖2.22反射係數與頻率之關係……………………………………… 22 圖2.23表面穿透波探針架構………………………………………… 24 圖2.24電磁模擬軟體(FEMLAB)模擬在表面波共振頻率電磁場最小的情形…………………………………………………………… 24 圖2.25透射係數 V.S. 頻率………………………………………… 24 圖2.26電漿密度 V.S. 射頻功率…………………………………… 25 圖2.27電漿密度 V.S. 射頻功率…………………………………… 25 圖3.1真空中微波感測器結構……………………………………… 30 圖3.2外在環境不同時的色散關係圖……………………………… 38 圖3.3頻率 V.S. 傳播常數………………………………………… 39 圖3.4感測器量測電漿時之原理………………………………… 40 圖4.1電感耦合式電漿蝕刻機台 ………………………………… 42圖4.2電感耦合式電漿機台 ……………………………………… 43 圖4.3微波電路實體……………………………………………… 43 圖4.4射頻網路分析儀(E5071B) ………………………………… 45 圖4.5蘭牟爾探針實體…………………………………………… 46 圖4.6蘭牟爾探針電路部份……………………………………… 46 圖5.1感測器在電漿腔體中搭配網路分析儀掃頻量測…………… 48 圖5.2感測器在大氣中搭配網路分析儀掃頻量測………………… 48 圖5.3 HFSS模擬與理論數值計算結果之誤差……………………… 49 圖5.4傳輸線式微波干涉儀………………………………………… 50 圖5.5 HFSS模擬傳輸線式微波干涉儀於真空中電場分布………… 51 圖5.6傳輸線式微波感測器輻射能量比例與頻率關係圖………… 51 圖5.7傳輸線式微波干涉儀輻射能量比例與頻率關係圖………… 51 圖5.8微波干涉儀的實體圖………………………………………… 52 圖5.9反射係數大小 V.S. 頻率…………………………………… 53 圖5.10穿透係數大小 V.S. 頻率………………………………… 53 圖5.11相位穿透係數V.S. 頻率…………………………………… 53 圖5.12電漿密度 ，週期0 T…………………………… 54 圖5.13電漿密度 ，週期1/6 T………………………… 54 圖5.14電漿密度 ，週期2/6 T………………………… 54 圖5.15電漿密度 ，週期3/6 T………………………… 54 圖5.16電漿密度 ，週期4/6 T………………………… 54 圖5.17電漿密度 ，週期5/6 T………………………… 54 圖5.18電漿密度 ，週期0 T…………………………… 55 圖5.19電漿密度 ，週期1/6 T………………………… 55 圖5.20電漿密度 ，週期2/6 T………………………… 55 圖5.21電漿密度 ，週期3/6 T………………………… 55 圖5.22電漿密度 ，週期4/6 T………………………… 55 圖5.23電漿密度 ，週期5/6 T………………………… 55 圖5.24電漿密度 ，週期0 T…………………………… 56 圖5.25電漿密度 ，週期1/6 T………………………… 56 圖5.26電漿密度 ，週期2/6 T………………………… 56 圖5.27電漿密度 ，週期3/6 T………………………… 56 圖5.28電漿密度 ，週期4/6 T………………………… 56 圖5.29電漿密度 ，週期5/6 T………………………… 56 圖5.30傳輸線式微波干涉儀量測純氬氣電漿……………………… 57 圖5.31 HFSS模擬相位變化與電漿密度關係…………………………58 圖5.32電漿密度 V.S. 時間………………………………………… 59 圖5.33不同量測方式比較電子密度與射頻功率…………………… 60 圖5.34感測器分別搭配微波電路與網路分析儀量測電漿密度…… 60 圖5.35混和氣體電漿密度量測……………………………………… 61 圖5.36不同氣壓下，混和氣體電漿密度量測……………………… 62 圖5.37六吋矽晶圓在氯氣混合電漿時的蝕刻量測………………… 62 圖5.38長度變化(離腔壁距離改變) …………………………………63 圖5.39長度變化(離腔壁距離改變)，電漿密度、誤差百分比V.S. 射 頻功率…………………………………………………………64 圖5.40長度變化(輸入輸出端點距離變化) …………………………64 圖5.41長度變化(輸入輸出端點位置變化)，電漿密度、誤差百分比 V.S. 射頻功率……………………………………………… 65圖5.42介電質半徑大小變化…………………………………………66 圖5.43介電質半徑大小變化，電漿密度、誤差百分比V.S. 射頻功 率………………………………………………………………66 圖5.44製作三個相同感測器，量測其電漿密度、誤差百分比與射頻 功率的關係……………………………………………………68 圖5.45感測器架設在真空腔體上，相位變化與時間的關係………69 圖5.46蝕刻單晶矽相位變化與時間關係……………………………70 圖5.47蝕刻單晶矽前原始相位與蝕刻後原始相位之比較…………70 圖5.48自動與手動校正選擇…………………………………………71 圖5.49射頻功率產生器類比訊號擷取設定…………………………72 圖5.50自動校正量測結果……………………………………………72 圖A.1傳輸線式微波干涉儀量測程式虛擬面板…………………… 76 圖A.2傳輸線式微波干涉儀量測程式方塊圖……………………… 79 圖A.3存取校正後資料程式方塊圖………………………………… 79 圖A.4同時存取校正前後資料程式方塊圖………………………… 80 圖A.5存取平均後資料程式方塊圖………………………………… 80 圖A.6存取平均前與平均後資料程式方塊圖……………………… 81 圖A.7傳輸線式微波干涉儀類比I、Q訊號擷取程式方塊圖……… 83 圖A.8射頻功率產生器類比開關訊號擷取程式方塊圖…………… 83 圖A.9手動與自動校正選擇的虛擬面板…………………………… 83 圖A.10手動校正選擇程式方塊圖……………………………………84 圖A.11自動校正選擇程式方塊圖……………………………………84 圖A.12電漿密度計算與校正動作的虛擬面板………………………85 圖A.13電漿密度計算與寫入相位動作的自動校正程式方塊圖……85 圖A.14電漿密度計算與讀取相位並相減動作的自動校正程式方塊圖 …………………………………………………………………86 圖A.15自動校正示意圖………………………………………………87 圖A.16相位補償虛擬面板……………………………………………87 圖A.17相位補償程式方塊圖…………………………………………87 圖A.18多項式係數程式方塊圖與虛擬面板…………………………88 圖B.1電壓控制震盪器之原理及定義圖…………………………… 90 圖B.2鏡頻阻絕混頻器原理結構圖………………………………… 92 圖B.3鏡頻阻絕混頻器之頻譜圖…………………………………… 92 圖C.1(a) Perfect E Boundary (b) Perfect H Boundary……… 96 圖C.2 Finite Conductivity Boundary…………………………… 96 圖C.3 Radiation與PML……………………………………………… 97 圖C.4 Radiation與PML反射係數與角度的關係…………………… 97 圖C.5 f(R,L,C)阻抗並聯示意圖…………………………………… 97 圖C.6 Symmetry邊界示意圖………………………………………… 98 圖C.6 HFSS的模擬流程圖…………………………………………… 99 表目錄 頁次 表2.1操作參數(四個兩水準因子) ………………………………… 5 表2.2操作參數(兩個兩水準因子) ………………………………… 7 表2.3.1比較量測電漿密度之方式 ………………………………… 27 表2.3.2比較量測電漿密度之方式 ………………………………… 28 表5.1感測器與干涉儀反射係數、透射係數與輻射能量比例………51 表5.2 HFSS模擬傳輸線式微波干涉儀在不同電漿密度時對應之相關 參數…………………………………………………………… 57表5.3傳輸線總長度與介電質半徑大小變化模擬結果整理……… 67 表5.4傳輸線均方誤差百分比與尺寸變化關係整理……………… 68 表A.1傳輸線式微波干涉儀量測程式虛擬面板之符號簡介……… 76 表B.1電壓控制震盪器之重要效能參數…………………………… 90 表C.1 HFSS邊界種類………………………………………………… 98

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