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研究生:趙廷儒
研究生(外文):Chao, Ting-Ju
論文名稱:以電漿化學氣相沉積法製備氮化矽薄膜之二維反應器模型設計與分析
論文名稱(外文):Design and analysis of two dimensional reactor model for silicon nitride fabrication by plasma enhanced chemical vapor deposition
指導教授:魏大欽
指導教授(外文):Wei, Ta-Chin
口試委員:黃智勇劉志宏
口試委員(外文):HUANG, CHIH-YUNGLIU, CHIH-HUNG
口試日期:2022-07-06
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:化學工程學系
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2022
畢業學年度:110
語文別:中文
論文頁數:130
中文關鍵詞:電漿化學氣相沉積氮化矽鍍膜均勻性
外文關鍵詞:PECVDSiNGrowth uniformity
DOI:10.6840/cycu202201265
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本研究為製備氮化矽薄膜之電漿化學氣相沉積之二維模型分析,為了解決鍍膜速率在晶圓邊緣處突然上升造成鍍膜均勻性下降的問題,建立了五種不同腔體條件的模型,再導入二維模擬,改變不同的操作參數,探討不同參數下能否改善整體鍍膜的均勻性。
首先利用本實驗室先前學長所建立的模型及反應機制,發現鍍膜速率在晶圓邊緣處會有上升的情形,造成整體鍍膜均勻性下降,推測鍍膜均勻性受上電極以及進氣盤尺寸影響,所以重新繪製新的網格模型,針對上電極和進氣盤尺寸,將模型修改成五種不同的腔體構造,主要為上電極尺寸的改變,以及進氣盤和上電極相對位置的改變。
接著將上述五種模型用CFD-ACE+進行二維的模擬,為了使模型在各種參數下能夠有相同的趨勢,因此改變氮氣、SiH4以及操作壓力,再和原始的模型進行比對,探討氣相物種濃度的二維分布和鍍膜速率分布對膜均勻性的影響,並提出增加鍍膜均勻性的方法。發現同時縮短上電極和進氣盤的尺寸能夠使整體鍍膜的均勻性提高一點,但是鍍膜速率會略為下降;而只縮小進氣盤尺寸則會發現相比於同時縮小上電極及進氣盤尺寸時的鍍膜均勻性會更大幅提升,且鍍膜速率也並沒有下降太多,由於進氣盤尺寸較小,導致擴散至出口的距離較長,所以鍍膜粒子較不容易在轉角處累積,因此可以減少鍍膜速率飆升。

In this study, in order to solve the problem of the deposition rate rising rapidly at the edge of the wafer and causing the uniformity to decrease, we create five different models with different boundary conditions to perform the two-dimensional simulations for different parameter values and then analyze which model can make the best uniformity.
First, after remaking the results of the senior in our laboratory, we find that the deposition rate increases at the edge of the wafer, decreasing the uniformity. We presume that the side gap is too small, causing the accumulation of deposition particles or it is related to the distance between the upper-electrode and the inlet position. As a result, we make the other four models to solve the uniformity issue.
We use CFD-ACE+ for the two-dimensional simulation. In order to make the model have the similar results in various situations, we changed the N2, SiH4 and operating pressure then compared them with the original model. It is found that by simultaneously shortening the length of the upper-electrode and the inlet position, the uniformity can actually increase a little bit, but the deposition rate will decrease slightly. We also find that by shortening the length of the inlet position only, the uniformity increases significantly, and the deposition rate does not decrease by much. We think it is because the short length of the inlet position makes the diffusion distance to the outlet position long enough and that’s why we do not see the deposition particles accumulate at the corner. From this, we can solve that the deposition rate rises rapidly at the edge.

目錄
摘要 I
Abstract II
目錄 III
圖目錄 V
表目錄 XV
第一章、前言 1
1-1 研究起源 1
1-2 研究內容 2
第二章、文獻回顧 3
2-1 電漿簡介 3
2-1.1 電漿定義 3
2-1.2 電漿原理與基本反應 4
2-2薄膜沉積理論 7
2-3 PECVD簡介 11
2-4 氮化矽薄膜成長機制與薄膜特性 14
2-5 氮化矽薄膜沉積速率影響之因素 18
2-6 氮化矽機制文獻 19
第三章、研究方法 20
3-1 研究流程 20
3-2 二維模型數值理論 21
3-2.1 流體模型 21
3-2.2 幾何結構與邊界條件 25
3-2.3 氮化矽化學反應機制 28
3-2.4 模擬軟體介紹 31
第四章、結果與討論 34
4-1 二維模型研究 34
4-1.1 模型初始參數條件 34
4-2 添加氮氣之影響 35
4-2.1 不同氮氣進料對各個模型基本放電特性影響 36
4-2.2 不同氮氣進料對不同模型鍍膜速率及均勻性影響 48
4-3 不同操作壓力下影響 68
4-3.1 不同操作壓力對各個模型基本放電特性影響 68
4-3.2 不同操作壓力對不同模型鍍膜速率及均勻性影響 78
4-4 添加SiH4之影響 98
4-4.1 不同SiH4進料對各個模型基本放電特性影響 98
4-4.2 不同SiH4進料對不同模型鍍膜速率及均勻性影響 102
第五章、結論 108
參考文獻 109

圖目錄
圖2- 1 電漿反應示意圖[2] 7
圖2- 2 薄膜沉積過程[3] 9
圖2- 3 表面吸附過程[4] 10
圖2- 4 島成長方式[4] 10
圖2- 5 CVD製程步驟[6] 12
圖2- 6 PECVD反應器示意圖[7] 12
圖2- 7 CVD反應速率與溫度呈指數關係[9] 13
圖2- 8 Si(NH2)3前驅物的表面凝結反應圖[21] 17
圖2- 9 氮化矽電漿組成及沉積速率對RF功率之關係[21] 17
圖3- 1 氮化矽薄膜模型流程圖 20
圖3- 2上電極半徑為165 mm、進氣盤半徑165 mm (Model A) 25
圖3- 3 上電極半徑為150 mm、進氣盤半徑150 mm (Model B) 26
圖3- 4 上電極半徑為135 mm、進氣盤半徑135 mm (Model C) 26
圖3- 5 上電極半徑為165 mm、進氣盤半徑150 mm (Model D) 26
圖3- 6 上電極半徑為165 mm、進氣盤半徑135 mm (Model E) 27
圖3- 7 網格設計示意圖 32
圖3- 8 反應器設計模型 33
圖3- 9 平均電子密度在反應器中的二維分布狀況 33
圖4- 1 不同氮氣進料下在Z方向之平均電子溫度分布(R= 0 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 37
圖4- 2 不同氮氣進料下在Z方向之平均電位分布(R= 0 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 38
圖4- 3 電極面積和電位差關係式 39
圖4- 4 不同氮氣進料下在Z方向之平均電子密度分布(R= 0 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 40
圖4- 5 不同氮氣進料下之平均電子溫度二維分布(Model A) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 41
圖4- 6 不同氮氣進料下之平均電子溫度二維分布(Model B) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 41
圖4- 7 不同氮氣進料下之平均電子溫度二維分布(Model C) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 42
圖4- 8 不同氮氣進料下之平均電子溫度二維分布(Model D) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 42
圖4- 9 不同氮氣進料下之平均電子溫度二維分布(Model E) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 43
圖4- 10 不同氮氣進料下之平均電子密度二維分布(Model A) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 43
圖4- 11 不同氮氣進料下之平均電子密度二維分布(Model B) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 44
圖4- 12 不同氮氣進料下之平均電子密度二維分布(Model C) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 44
圖4- 13 不同氮氣進料下之平均電子密度二維分布(Model D) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 45
圖4- 14 不同氮氣進料下之平均電子密度二維分布(Model E) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 45
圖4- 15 不同R位置在氮氣進料0 sccm時之Z方向平均電子密度分布 (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 46
圖4- 16 不同R位置在氮氣進料18000 sccm時之Z方向平均電子密度分布 (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 47
圖4- 17 不同氮氣進料下之SiH3二維分布(Model A) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 51
圖4- 18 不同氮氣進料下之SiH3二維分布(Model B) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 51
圖4- 19 不同氮氣進料下之SiH3二維分布(Model C) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 52
圖4- 20 不同氮氣進料下之SiH3二維分布(Model D) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 52
圖4- 21 不同氮氣進料下之SiH3二維分布(Model E) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 53
圖4- 22 不同氮氣進料下之NH2二維分布(Model A) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 53
圖4- 23 不同氮氣進料下之NH2二維分布(Model B) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 54
圖4- 24 不同氮氣進料下之NH2二維分布(Model C) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 54
圖4- 25 不同氮氣進料下之NH2二維分布(Model D) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 55
圖4- 26 不同氮氣進料下之NH2二維分布(Model E) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 55
圖4- 27 不同氮氣進料下之主要鍍膜粒子SiH2NH2二維分布(Model A) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 56
圖4- 28 不同氮氣進料下之主要鍍膜粒子SiH2NH2二維分布(Model B) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 56
圖4- 29 不同氮氣進料下之主要鍍膜粒子SiH2NH2二維分布(Model C) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 57
圖4- 30 不同氮氣進料下之主要鍍膜粒子SiH2NH2二維分布(Model D) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 57
圖4- 31 不同氮氣進料下之主要鍍膜粒子SiH2NH2二維分布(Model E) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 58
圖4- 32 不同氮氣進料下之主要鍍膜粒子SiHNH2二維分布(Model A) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 58
圖4- 33 不同氮氣進料下之主要鍍膜粒子SiHNH2二維分布(Model B) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 59
圖4- 34 不同氮氣進料下之主要鍍膜粒子SiHNH2二維分布(Model C) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 59
圖4- 35 不同氮氣進料下之主要鍍膜粒子SiHNH2二維分布(Model D) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 60
圖4- 36 不同氮氣進料下之主要鍍膜粒子SiHNH2二維分布(Model E) (a) 0 sccm (b) 18000 sccm 60
圖4- 37 不同R位置在氮氣進料0 sccm時主要鍍膜粒子SiH2NH2之Z方向分布 (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 61
圖4- 38 不同模型在氮氣進料0 sccm時主要鍍膜粒子SiH2NH2之Z方向分布 (a) R= 0 mm (b) R= 135 mm (c) R= 150 mm (d) R= 165 mm 62
圖4- 39 不同R位置在氮氣進料18000 sccm時主要鍍膜粒子SiH2NH2之Z方向分布 (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 63
圖4- 40 不同氮氣進料下之主要鍍膜粒子SiH2NH2在R方向分布(Z= 0.02 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 64
圖4- 41 不同氮氣進料下之主要鍍膜粒子SiHNH2在R方向分布(Z= 0.02 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 65
圖4- 42 不同氮氣進料下之鍍膜速率在R方向分布(Z= 0.02 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 66
圖4- 43 不同氮氣進料下之氮矽比在R方向分布(Z= 0.02 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 67
圖4- 44 不同操作壓力下在Z方向之平均電子溫度分布(R= 0 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 70
圖4- 45 不同操作壓力下在Z方向之平均電位分布(R= 0 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 71
圖4- 46 不同操作壓力下在Z方向之平均電子密度分布(R= 0 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 72
圖4- 47 不同操作壓力下之平均電子密度二維分布(Model A) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 73
圖4- 48 不同操作壓力下之平均電子密度二維分布(Model B) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 73
圖4- 49 不同操作壓力下之平均電子密度二維分布(Model C) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 74
圖4- 50 不同操作壓力下之平均電子密度二維分布(Model D) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 74
圖4- 51 不同操作壓力下之平均電子密度二維分布(Model E) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 75
圖4- 52 不同R位置在操作壓力25 Pa時之Z方向平均電子密度分布 (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 76
圖4- 53 不同R位置在操作壓力547 Pa時之Z方向平均電子密度分布 (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 77
圖4- 54 不同操作壓力下之SiH3二維分布(Model A) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 81
圖4- 55 不同操作壓力下之SiH3二維分布(Model B) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 81
圖4- 56 不同操作壓力下之SiH3二維分布(Model C) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 82
圖4- 57 不同操作壓力下之SiH3二維分布(Model D) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 82
圖4- 58 不同操作壓力下之SiH3二維分布(Model E) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 83
圖4- 59 不同操作壓力下之NH2二維分布(Model A) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 83
圖4- 60 不同操作壓力下之NH2二維分布(Model B) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 84
圖4- 61 不同操作壓力下之NH2二維分布(Model C) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 84
圖4- 62 不同操作壓力下之NH2二維分布(Model D) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 85
圖4- 63 不同操作壓力下之NH2二維分布(Model E) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 85
圖4- 64 不同操作壓力下之主要鍍膜粒子SiH2NH2二維分布(Model A) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 86
圖4- 65 不同操作壓力下之主要鍍膜粒子SiH2NH2二維分布(Model B) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 86
圖4- 66 不同操作壓力下之主要鍍膜粒子SiH2NH2二維分布(Model C) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 87
圖4- 67 不同操作壓力下之主要鍍膜粒子SiH2NH2二維分布(Model D) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 87
圖4- 68 不同操作壓力下之主要鍍膜粒子SiH2NH2二維分布(Model E) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 88
圖4- 69 不同操作壓力下之主要鍍膜粒子SiHNH2二維分布(Model A) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 88
圖4- 70 不同操作壓力下之主要鍍膜粒子SiHNH2二維分布(Model B) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 89
圖4- 71 不同操作壓力下之主要鍍膜粒子SiHNH2二維分布(Model C) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 89
圖4- 72 不同操作壓力下之主要鍍膜粒子SiHNH2二維分布(Model D) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 90
圖4- 73 不同操作壓力下之主要鍍膜粒子SiHNH2二維分布(Model E) (a) 25 Pa (b) 547 Pa 90
圖4- 74 不同R位置在操作壓力25 Pa時主要鍍膜粒子SiH2NH2之Z方向分布 (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 91
圖4- 75 不同模型在操作壓力25 Pa時主要鍍膜粒子SiH2NH2之Z方向分布 (a) R= 0 mm (b) R= 135 mm (c) R= 150 mm (d) R= 165 mm 92
圖4- 76 不同R位置在操作壓力547 Pa時主要鍍膜粒子SiH2NH2之Z方向分布 (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 93
圖4- 77 不同操作壓力下之主要鍍膜粒子SiH2NH2在R方向分布(Z= 0.02 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 94
圖4- 78 不同操作壓力下之主要鍍膜粒子SiHNH2在R方向分布(Z= 0.02 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 95
圖4- 79 不同操作壓力下之鍍膜速率在R方向分布(Z= 0.02 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 96
圖4- 80 不同操作壓力下之氮矽比在R方向分布(Z= 0.02 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 97
圖4- 81 不同矽甲烷進料下在Z方向之平均電子溫度分布(R= 0 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 99
圖4- 82 不同矽甲烷進料下在Z方向之平均電位分布(R= 0 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 100
圖4- 83 不同矽甲烷進料下在Z方向之平均電子密度分布(R= 0 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 101
圖4- 84 不同矽甲烷進料下之主要鍍膜粒子SiH2NH2在R方向分布(Z= 0.02 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 104
圖4- 85 不同矽甲烷進料下之主要鍍膜粒子SiHNH2在R方向分布(Z= 0.02 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 105
圖4- 86 不同矽甲烷進料下之鍍膜速率在R方向分布(Z= 0.02 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 106
圖4- 87 不同矽甲烷進料下之氮矽比在R方向分布(Z= 0.02 mm) (a) Model A (b) Model B (c) Model C (d) Model D (e) Model E 107

表目錄
表2- 1 高溫製程與PECVD製程之氮化矽薄膜特性比較表[12] 15
表3- 1 電漿物種 29
表3- 2 氮化矽之氣相反應機構 30
表3- 3 氮化矽之固相反應機構 31
表4- 1 模型初始參數條件 35
表4- 2 不同氮氣進料的模擬參數 35
表4- 3 各模型在不同氮氣進料下之鍍膜性質 49
表4- 4 各模型在不同位置下之鍍膜均勻性 50
表4- 5 不同操作壓力的模擬參數 68
表4- 6 各模型在不同壓力下之鍍膜性質 79
表4- 7 各模型在不同位置下之鍍膜均勻性 80
表4- 8 不同矽甲烷進料的模擬參數 98
表4- 9 各模型在不同矽甲烷進料下之鍍膜性質 103
表4- 10 各模型在不同位置下之鍍膜均勻性 103



[1]陳威廷, “以矽甲烷/氨氣/氮氣電漿沉積氮化矽薄膜之二維模型研究,” no. 2020年, pp. 1–104, Jan.2020, doi: 10.6840/CYCU202000618.
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