Doctoral Thesis

07/30/03

English: click here

Particle Trapping Behavior in Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition Reactor and Its Effects on Wafer Contamination

By Heru Setyawan

Department of Chemical Engineering, Graduate School of Engineering, Hiroshima University

Supervisor:

Professor Kikuo Okuyama

Abstract

Tujuan utama penelitian ini adalah untuk mempelajari kelakuan partikel didalam reaktor deposisi uap kimia dengan bantuan plasma (PECVD) dan pengaruhnya terhadap kontaminasi wafer. Partikel didalam PECVD divisualisasi dengan teknik perpendaran sinar laser yang digabung dengan video imaging. Tingkat kontaminasi pada permukaan wafer diperiksa dengan scanning electron microscopy (SEM). Digunakan dua pendekatan dalam penelitian ini, yaitu menggunakan eksperimen model dan menggunakan proses deposisi plasma sesungguhnya. Dalam eksperimen model, partikel dimasukkan kedalam reaktor dari luar. Karena kesulitan dalam membuat aerosol uji pada tekanan rendah, aerosol uji dengan diameter diketahui dibuat pada tekanan atmosfir dan kemudian dimasukkan kedalam reaktor bertekanan rendah melalui sebuah pipa kapiler atau penurun tekanan lain. Hal ini memerlukan pemahaman yang lebih baik mengenai aliran gas rarefied didalam pipa atau bukaan.  Tetraethylorthosilicate (TEOS)/oxygen plasma digunakan sebagai kasus uji untuk proses PECVD sesungguhnya.

Thesis ini disusun sebagai berikut. Latar belakang dan tujuan penellitian diuraikan dalam Bab 1. Review tentang studi yang telah dilakukan yang terkait dengan studi ini juga diuraikan dalam bab ini.

Aliran gas rarefied melalui pipa silinder dengan panjang tertentu diuraikan pada Bab 2. Konduktansi gas nitrogen diukur untuk aliran dalam pipa pendek dan panjang. Rasio tekanan melalui pipa divariasi dari rendah sampai tinggi dan aliran adalah dalam rentang rejim kontinum sampai transisi. Aliran dalam rentang rejim kontinum sampai transisi pada bilangan Knudsen rendah dianalisis secara numerik menggunakan pendekatan kontinum. Pendekatan molekuler bebas digunakan untuk menganalisis aliran dalam rejim transisi pada bilangan Knudsen yang besar menggunakan metoda direct simulation Monte Carlo (DSMC). Persamaan semi-empiris diturunkan dengan mensubstitusi suku Poiseuille dalam persamaan Bernoulli dengan persamaan Hank-Weissberg pada kondisi ekspansi isothermal. Persamaan yang diusulkan berlaku dalam rentang dari rejim kontinum sampai transisi pada bilangan Knudsen rendah.

Bab 3 menguraikan tentang visualisasi dan simulasi numerik transport partikel halus didalam reaktor pelat sejajar bertekanan rendah tanpa plasma. Sebuah sistem disusun yang mengijinkan gerakan partikel didalam reaktor divisualisasikan. Pengaruh tekanan dan suhu terhadap transport partikel dipelajari. Simulasi numerik tiga dimensi dilakukan menggunakan program perhitungan dinamika fluida komersial Fluent. Konfigurasi detail reaktor termasuk struktur showerhead diperhitungkan dalam simulasi. Ditemukan, dari hasil eksperimen dan simulasi, bahwa jika pelat substrat tidak dipanaskan, pengaruh tekanan terhadap trayektori diruang antar pelat tidak penting. Akan tetapi, trayektori partikel dengan jelas dipengaruhi tekanan pada suhu tinggi. Tampak bahwa thermophoresis mendominasi mekanisme transport partikel. Fenomena yang teramati secara eksperimen secara memuaskan dihasilkan kembali oleh simulasi.

Distribusi dan transport partikel halus yang terperangkap didalam reaktor radio-frequecy (rf) PECVD diuraikan dalam Bab 4. Awan partikel yang terstruktur diamati pada daerah terlokalisir antara lubang showerhead. Secara umum, pada laju gas tinggi, partikel yang keluar dari lubang showerhead melampaui posisi setimbang perangkap partikel, dan awan partikel didalam perangkap kecil dan tipis (mode winding). Pada laju gas rendah, partikel secara langsung tertarik ke lokasi perangkap, dan awan partikel yang besar terbentuk (mode lumping). Konsentrasi partikel didalaml pernagkap cenderung bertambah dengan bertambahnya rf power dan berkurang dengan bertambahnya ukuran partikel. Jika laju gas ditambah, penurunan konsentrasi turun dengan tajam pada laju alir gas tertentu.

Dalam Bab 5, pengaruh kelakuan partikel terperangkap terhadap kontaminasi pada wafer diuraikan. Sebuah metoda diusulkan untuk menentukan waktu terjadinya kontaminasi partikel dengan memanfatkan kemampuan thermophoresis melindungi wafer dari deposisi partikel. Didapatkan bahwa kontaminasi partikel terjadi selama postplasma jika partikel yang diinjeksikan terperangkap didalam daeraj sheath dibawah powered electrode. Jika partikel yang diinjeksikan tidak terperangkap karena pengaruh inersia yang kuat, kontaminasi terjadi selama operasi plasma. Ada rejim kondisi operasi dimana tingkat kontaminasi paling rendah. Sebagian besar partikel ditemukan menyimpan muatan negatifnya dalam postplasma. Muatan partikel tersebut ditentukan dari gerakan partikel.

Bab 6 menguraikan pembentukan dan pertumbuhan partikel didalam TEOS/O2 rf plasma dan kelakuan partikel terperangkap. Partikel didapatkan tinggal disekitar sheath didekat kedua elektroda. Partikel yang terperangkap disekitar sheath didekat powered electrode (showerhead) terletak didaerah terlokasir antara lubang showerhead. Partikel membentuk awan lumping pada laju alir rendah, berubah menjadi bentuk garis dengan bertambahnya laju gas, dan akhirnya teknik LLS tidak bisa mendeteksi lagi jika laju alir menjadi tinggi. Hal ini juga teramati pada kasus eksperimen model. Kelakuan partikel terperangkap yang diuraikan diatas dengan jelas menunjukkan mempengaruhi kontaminasi partikel pada wafer. Tampak bahwa partikel tumbuh dengan koagulasi. Laju alir gas tinggi dan suhu substrat tinggi cenderung menekan pembentukan dan pertumbuhan partikekl. Sebaliknya, pembentukan dan pertumbuhan partikel meningkat dengan bertambahnya rf power.

Bab 7 berisi kesimpulan dari hasil studi.