臺灣博碩士論文加值系統

　　化學氣相沉積(CVD)是目前半導體製程當中，運用極為廣泛的薄膜成長方法，CVD反應爐內的流場結構及熱傳效應，對於晶圓薄膜沉積的生成有相當大的影響，本文以單一晶片水平式CVD反應爐作為研究對象，建立反應爐模型流道，針對幾個影響反應爐內流場結構的重要因素，如氣體入口速度、操作壓力及腔體外型，設定不同的操作參數，以數值方法求解反應爐內部流場的統御方程式，配合非均勻往格點的產生，採用有限體積法及SIMPLEC演算法，進行數值運算及解析。
　　從計算結果發現，氣體流經CVD反應爐內底部加熱基座時，會因為慣性力與熱浮力的交互作用，形成一往前迴流的流場型態，流體的入口速度越慢，迴流區往前擴展的範圍越大，較快的流體入口速度可以有效的抑制流場內迴流區擴展的區域。改變不同的操作壓力，在低壓的操作環境，因為氣體分子間的碰撞頻率降低，流場對流現象較不劇烈，可以有效的消除迴流區的形成，因此可得到最佳底部晶圓薄膜沉積厚度的均勻性。另外考慮設計不同的CVD反應爐流道外形，將加熱段上下壁面做不同角度的傾斜，發現壁面傾斜的角度越大，可以有效的減小迴流區形成的範圍，對於薄膜沉積厚度均勻性的提高有所助益，其中以下壁面傾斜較上壁面傾斜的效果為佳；在加熱段上壁面不同位置處加置單一阻板，就本研究設計的阻板型式，僅可影響迴流區形成的位置，對抑制迴流區形成的範圍效果不大，亦無法提高薄膜沉積厚度的均勻性。

Chemical vapor deposition (CVD) is one of the important techniques used in the semiconductor processes. The flow structure and heat transfer effect in a CVD reactor have significant impact on the uniformity and growth rate of the thin film. In the present study, numerical simulations are performed to investigate the effects of gas inlet velocity, operating pressure, and reactor geometry on flowfield structures and heat transfer rates in a horizontal CVD reactor with single wafer. The governing equations are the three-dimensional (3-D), incompressible Navier-Stokes equations with ideal gas law and temperature dependent viscosity as well as conductivity. A 3-D, non-uniform and staggered grid is adopted with an implicit finite volume formulation in accordance with the SIMPLEC-type algorithm.
Numerical results show that a return flow is induced as the gas flows through a bottom heated horizontal CVD reactor, due to the interactions between buoyant and inertial forces. The return flow region decreases as the inlet gas velocity increases for constant pressure conditions. For different operating pressures, the return flow region is reduced with decreasing pressure, and hence the film deposition uniformity is improved effectively. Effects of the tilted top and bottom walls on flow structures are also investigated. The return flow region and thermal boundary layer decrease as the tilted angle increases. The effectiveness is more pronounce with bottom wall inclination. In addition, a baffle is added to the top wall at several different positions to investigate its effect on flow structures. The addition of the baffle affects the position of return flow structure, but has no improvement on the uniformity of thin layer.

中文摘要…………………………………….……………………………i
英文摘要…………………………………………………………………ii
誌謝……………………………………………………………………...iii
目錄……………………………………………………………………...iv
圖目錄……………………………………………………………….…..vi
表目錄…………………………………………………………………...ix
符號說明………………………………………………………………....x
第一章 緒論……………………………………………………………1
　1.1　前言……………………………………………………………...1
　1.2　CVD製程介紹…………………………………………………..1
　1.3　文獻回顧………………………………………………………...3
　1.4　研究目的………………………………………………………...4
第二章　物理模式………………………………………………………6
2.1 CVD反應爐流道模型………………………………………….6
2.2 基本假設………………………………………………………..9
2.3 統御方程式……………………………………………………..9
2.4 流體物理特性…………………………………………………10
2.5 邊界與起始條件………………………………………………12
2.6 無因次參數……………………………………………………13
第三章 　數值方法……………………………………………………..14
3.1 數值模擬軟體簡介……………………………………………14
3.2 離散化…………………………………………………………15
3.3 速度和壓力的偶合演算………………………………………16
3.4 數值求解流程…………………………………………………16
3.5 收斂條件………………………………………………………18
3.6 格點測試………………………………………………………18
3.7 數值解驗證……………………………………………………22
第四章 　結果與討論…………………………………………………..24
4.1 研究內容……………………………………………………….24
4.2 改變流體速度及操作壓力的影響…………………………….25
4.2.1 改變流體速度及操作壓力對流場結構的影響...…………26
4.2.2 改變流體速度及操作壓力對溫度分佈的影響…………...27
4.2.3 改變流體速度及操作壓力對薄膜沉積均勻性的影響…...28
4.3 改變流道形狀：傾斜加熱段壁面的影響……………………..29
4.3.1 傾斜加熱段壁面對流場結構的影響……………………...29
4.3.2 傾斜加熱段壁面對溫度分佈的影響……………………...30
4.3.3 傾斜加熱壁面對薄膜沉積均勻性的影響………………...30
4.4 改變流道形狀：加熱段上壁面不同位置處加置阻板的影響...31
4.4.1 加熱段上壁面不同位置處加置阻板對流場結構的影響...31
4.4.2 加熱段上壁面不同位置處加置阻板對溫度分佈的影響...32
4.4.3 加熱段上壁面不同位置處加置阻板對薄膜沉積均勻性的影響………………………………………………………...32
第五章 　結論與未來展望……………………………………………..55
參考文獻………………………………………………………………..57
圖1-1　CVD反應步驟示意圖………………………………………….2
圖2-1　基本水平式CVD反應爐模型示意圖………………………….8
圖2-2　加熱段壁面傾斜角度示意圖 (a) 上壁面 (b) 下壁面……….8
圖2-3　加熱段上壁面不同位置放置阻板之CVD反應爐模型示意圖.8
圖3-1　Segregated程式架構求解流程圖……………………………..17
圖3-2　在Y = 0 cm、Z = 50 cm處，不同格點數之U、V、W、T分
佈圖……………………………………………………….……19
圖3-3　在Y = 0 cm、Z = 50 cm處，不同格點數之U、V、W、T分
佈圖………………………………………………………….…20
圖3-4　基本水平式CVD反應爐模型非均勻格點示意圖 (a) 三視圖
(b) 俯視圖 (c) 側視圖……………………………………...21
圖3-5　在Y = 0.2 H，Z = 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 & 70 cm位置的軸向速度W (cm/sec)分佈圖………………………………………23
圖4-1　P = 101 kPa，在不同雷諾數(a) Re = 100 (b) Re = 60 (c) Re = 25
之三維流線比較圖……………….……………………………33
圖4-2　P = 50.6 kPa，在不同雷諾數(a) Re = 100 (b) Re = 60 (c) Re =
25之三維流線比較圖…………………………………………34
圖4-3　P = 10.1 kPa，在不同雷諾數(a) Re = 100 (b) Re = 60 (c) Re =
25之三維流線比較圖…………………………………………35
圖4-4　P = 101 kPa，不同雷諾數(a) Re = 100 (b) Re = 60 (c) Re = 25
在不同X位置的YZ剖面之流線圖……………...…………….36
圖4-5　P = 10.1 kPa，不同雷諾數 (a) Re = 100 (b) Re = 60 (c) Re =
25，在不同X位置的YZ剖面之流線圖………………….…..37
圖4-6　P = 101 kPa，不同雷諾數(a) Re = 100 (b) Re = 60 (c) Re = 25
在不同X位置的YZ剖面之等溫線圖…………………….…..38
圖4-7　P = 10.1 kPa，不同雷諾數 (a) Re = 100 (b) Re = 60 (c) Re =
25，在不同X位置的YZ剖面之等溫線圖………….…….….39
圖4-8　P = 101 kPa，不同雷諾數(a) Re = 100 (b) Re = 60 (c) Re = 25
位於加熱段下壁面之局部紐賽爾數分佈圖………….………40
圖4-9　P = 10.1 kPa，不同雷諾數(a) Re = 100 (b) Re = 60 (c) Re = 25
位於加熱段下壁面之局部紐賽爾數分佈圖………….………41
圖4-10　P = 101 kPa，Re = 100，加熱段上壁面傾斜角度(a) θ =
- 3∘(b) θ = - 6∘ (c) θ = - 9∘之三維流線比較圖……...42
圖4-11　P = 101 kPa，Re = 100，加熱段上壁面傾斜角度(a) θ =
- 3∘(b) θ = - 6∘ (c) θ = - 9∘，在不同X位置的YZ剖
面之流線圖…………………………………………………..43
圖4-12　P = 101 kPa，Re = 100，加熱段下壁面傾斜角度(a) θ = 3∘
(b) θ = 6∘ (c) θ = 9∘之三維流線比較圖………………..44
圖4-13　P = 101 kPa，Re = 100，加熱段上壁面傾斜角度(a) θ = 3∘(b)
θ = 6∘ (c) θ = 9∘，在不同X位置的YZ剖面之流線圖...45
圖4-14　P = 101 kPa，Re = 100，加熱段上壁面傾斜角度(a) θ =
- 3∘(b) θ = - 6∘ (c) θ = - 9∘，在不同X位置的YZ剖
面之等溫線圖…………………………………….…………..46
圖4-15　P = 101 kPa，Re = 100，加熱段上壁面傾斜角度(a) θ = 3∘(b)
θ = 6∘ (c) θ = 9∘，在不同X位置的YZ剖面之等溫線圖
………………………………………………………………..47
圖4-16　P = 101 kPa，Re = 100，加熱段上壁面傾斜角度(a) θ =
- 3∘(b) θ = - 6∘(c) θ = - 9∘，加熱段下壁面的局部紐賽爾數分佈圖…………………………………………………..48
圖4-17　P = 101 kPa，Re = 100，加熱段下壁面傾斜角度(a) θ = 3∘(b)
θ = 6∘(c) θ = 9∘，加熱段下壁面之局部紐賽爾數分佈圖
…………………………………………………………….…..49
圖4-18　P = 101 kPa，Re = 100，加熱段上壁面加阻板位置在(a) Z =
30 cm (b) Z = 40 cm (c) Z = 50cm (d) Z = 60 cm 之三維流線
比較圖………………………………………………….……..50
圖4-19　P = 101 kPa，Re = 100，加熱段上壁面放置一阻板在(a) Z =
30 cm (b) Z = 40 cm (c) Z = 50 cm (d) Z = 60 cm，在不同X位
置的YZ剖面之流線圖…………………………………….…51
圖4-20　P = 101 kPa，Re = 100，加熱段上壁面放置一阻板在(a) Z =
30 cm (b) Z = 40 cm (c) Z = 50 cm (d) Z = 60 cm，在不同X位
置的YZ剖面之等溫線圖………………………………….…52
圖4-21　P = 101 kPa，Re = 100，加熱段上壁面加一阻板位置在(a) Z =
30 cm (b) Z = 40 cm (c) Z = 50 cm (d) Z = 60 cm位於加熱下
壁面的局部紐賽爾數分佈圖………………………….……..53
表1　基本水平式CVD反應爐模型變化雷諾數及操作壓力參數設定…………………………………...………….………………..24
表2　水平式CVD反應爐模型加熱段上下壁面傾斜角度參數設定..25
表3　水平式CVD反應爐模型加熱段上壁面加置一阻板參數設定..25

[1] Moffat, H. and Jensen, K.F., Complex flow phenomena in MOCVD reactors, J. Crystal Growth, 1986, Vol. 77, pp. 108-119.
[2] Chiu, K.C. and Rosenberger F., Mixed convection between horizontal plates-Ⅰ. Entrance effects, J. Heat and Mass Transfer, 1987, Vol. 30, pp. 1645-1654.
[3] Chiu, K.C., Quazzani, J., Rosenberger, F., Mixed convection between horizontal plates-Ⅱ. Fully developed flow, J. Heat and Mass Transfer, 1987, Vol. 30, pp. 1655-1662.
[4] Einset, E.O., Jensen, K.F., Kleijn, C.R., On the origin of return flows in horizontal chemical vapor deposition reactors, J. Crystal Growth, 1993, Vol. 132, pp. 483-490.
[5] Visser, E.P., Kleijn, C.R., Govers, C.A.M., Hoogendorrn, C.J., Giling, L.J., Return flows in horizontal MOCVD reactors studied with the use of TiO2 particle injection and numerical calculations, J. Crystal Growth, 1989, Vol. 94, pp. 929-946.
[6] Fotiadis, D.I., Kieda, S., Jensen, K.F., Transport phenomena in vertical reactors for metalorganic vapor phase epitaxy, J. Crystal Growth, 1991, Vol. 12, pp. 441-470.
[7] Salinger, A.D., Sgadid, J.N., Hutchinson, S.A., Hennigan, G.L., Devine, K.D., Moffat, H.K., Analysis of gallium arsenide deposition in a horizontal chemical vapor deposition reactor using massively parallel computations, J. Crystal Growth, 1999, Vol. 203, pp. 516-533.
[8] Cho, W.K. and Choi, D.H., Optimization of a horizontal MOCVD reactor for uniform epitaxial layer growth. J. Heat and Mass Transfer, 2000, Vol. 43, pp. 1851-1858.
[9] Park, K.-W. and Pak, H.-Y., Characteristics of three-dimensional flow, heat, and mass transfer in a chemical vapor deposition reactor, Numerical Heat Transfer, 2000, Part A, Vol. 37, pp. 407-423.
[10] 林重志, 水平處理器內加熱晶圓由浮力所驅動之混合對流渦漩流數值模擬研究, 國立交通大學機械工程研究所碩士論文, 1999.
[11] 許丁士, 底部加熱水平矩形管道中放置方塊對浮力驅動之空氣混合對流流場型態之影響, 國立交通大學機械工程研究所碩士論文, 2001.
[12] 吳明璟, 金屬有機氣相沉積反應爐之氣體及晶圓共軛熱流分析, 國立屏東科技大學機械工程研究所碩士論文, 2001.
[13] Shah, R.K. and London, A.L., Laminar Flow Forced Convection in Ducts. Academic Press, New York, 1978, pp.196-198.
[14] Van Doormaal, J.P., Raithby, G.D., Enhancements of the SIMPLE method for predicting incompressible fluid flows, Numerical Heat Transfer, 1984, Vol. 7, pp.147-163.
[15] 張俊彥, 鄭晃中, 積體電路製程及設備技術手冊, 經濟部技術處, 中華民國產業科技發展協會, 中華民國電子材料與元件協會, 1997.
[16] 莊達人, VLSI製造技術, 高立圖書有限公司, 1996.