瞬時流場的 2-D 結果

本論文研究以脈衝壓化學氣相沈積(PPCVD)為對象，模擬不同的壓 力比(pressure ratio)、不同的基座溫度對 PPCVD 各項參數的影響，

以二維非穩態黏滯流來討論各參數對反應器內部流場之變化以及傳輸 現象的影響。

4.1.1.壓力分布

4.1.1.1. 基座襯底溫度相同

在 CVD 的過程中，如果氣體能夠快速到達反應位置，即反應器內 基座的位置，則可以儘可能的避免希望發生的化學反應以外的作用產 生，也可減少雜質進入反應物與薄膜之中影響薄膜沈積的品質。因此 吾人用壓力來找出對流體傳播速率的影響。

在操作模擬條件時，假設供給壓力Ps為 10⁵ pa(約 0.987 atm)，供 給溫度T^s為 300 K，反應器溫度T^r300 K，基座溫度T^w為 800 K。當模擬 進行時改變反應器內壓力P^r為 10²、2×10²、4×10²、10³以及 10⁴ pa使得 壓力比(Pr/Ps)為 10^-3、2×10^-3、4×10^-3、10^-2與 10^-1。當流體傳輸至時間t 為 100 微秒(μs)時比較流場傳播速度與壓力比的關係如圖 4-1 所示，

由結果顯示當壓力差異愈大，即壓力比值較小時，流體的傳播速度較 快，反之則較慢。

由圖 4-1 流場的傳播現象所示當P^r/P^s=0.001 在開始後第 100μs時 氣體已傳播至基座上，傳播速度最快，約為 3000 公尺/秒；當Pr/Ps=0.002 在開始後第 100μs時氣體尚未傳播至基座，氣體最前緣約在X=385mm 處，故傳播速率約為 1900 公尺/秒。當P^r/P^s=0.01 以及P^r/P^s=0.1 的條 件下，流場的壓力變化較難分辨出來。

壓力分布在經過流場中連續的傳播約在時間 10ms 時已相當穩定。

這樣的流場穩定現象一直持續到模擬結束 100ms 時，因此吾人可以將 模擬結果中達到流場穩定的時間，作為將來進行 PPCVD 實驗者參考依 據，依使用氣體的時間較短推測，應可以節省氣體的使用，進而降低 薄膜沈積所需的成本。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

圖 4-1 PPCVD在相同基座襯底溫度不同壓力比之流場壓力分布圖，

P^s=10⁵ pa，T^s=300K，T^r=300K，T^w=800K，t=100μs(a) P^r=100；(b) P^r=200；

(c) P^r=400；(d) P^r=10³；(e) P^r=10⁴

4.1.1.2.基座襯底溫度不同

在化學氣相沈積的過程中，通常都採持續加熱基座的方式進行，

本研究針對三種不同的溫度條件，進行模擬，找出溫度對流場傳播速 度影響，並可由此結果找出較佳的溫度條件，以達成流場穩定的效果。

反應氣體在 PPCVD 中用相同的壓力條件下，比較不同的基座溫度對流 場變化的影響，基座溫度有下列幾種(1)常溫不加熱 300K(2)持續加熱 500K(3)持續加熱 800K 等。在同的供給壓力、反應器壓力及反應器溫 度下，進行流場分析，如圖 4-2 所示，由結果顯示在氣體進入反應器 後 75μs 前，即氣體第一次撞擊到基座上之前，氣體的傳播速率與基 座溫度無關，並不隨基座溫度的變化而不同，均以非常相近的速率在 進行傳輸。當氣體接觸到基座後，流場中不僅受到壓力差所產生強制 對流，也因為溫度分布的不同而產生自然對流與擴散作用的影響，使 得傳播速率上開始產生了差異，圖 4-3 以第 400 微秒時壓力分布狀況 表示氣體經過與基座接觸後，傳播的速度開始有差異，溫度較高的傳 播速率較快，其中以常溫不加熱的條件與持續加熱比較較為明顯，而 加熱 500K 與加熱 800K 之間的差異則不大，不容易觀察出。

(a)

(b)

(c)

圖 4-2 PPCVD在相同壓力比不同基座襯底溫度之流場壓力分布圖，

P^s=10⁵ pa，T^s=300K，T^r=300K，P^r/P^s=0.001，t=75μs(a) T^w=300K；(b) T^w=500K；(c) T^w=800K

(a)

(b)

(c)

圖 4-3 PPCVD在相同壓力比不同基座襯底溫度之流場壓力分布圖，

Ps=10⁵ pa，Ts=300K，Tr=300K，Pr/Ps=0.001，t=400μs(a) Tw=300K；(b) Tw=500K；(c) Tw=800K

4.1.2.密度分布

4.1.2.1.基座襯底溫度相同

在圖 4-4 中，用 800K的基座襯底溫度，比較不同的反應器壓力下，

流場密度在第 100 微秒時的分布狀況，由結果可知道，反應器的壓力 愈小的情況下，反應氣體密度分布愈廣，此外要注意的是，在 10⁴pa的 壓力條件下，流體變化的程度很微小，故圖 4-4(e)中所使用的尺度與 其它 4 個不同。

4.1.2.2.基座襯底溫度不同

在圖 4-5、圖 4-6 中，用 100pa 的反應器壓力下，比較基座襯底溫 度在 300K、500K 及 800K 的條件下，流場密度在第 100 微秒以及第 200 微秒時的分布狀況。由圖 4-5 的結果發現不同的基座襯底溫度在相同 的壓力條件下，前 100 微秒內傳播速度相近，由結果很難分判其傳播 速度上的差異。

當反應氣體接觸到基座襯底後，由圖 4-6 的結果顯示，在 300K 與 800K 的基座襯底溫度條件下，差異已經可以明顯看出。雖然在 500K 與 800K 的溫度條件下，還不容易觀察出差異性，但隨時間經過愈久，

兩者之間的不同也隨之更加明顯。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

圖 4-4 PPCVD在相同基座襯底溫度不同壓力比之流場密度分布圖，

Ps=10⁵ pa，Ts=300K，Tr=300K，Tw=800K，t=100μs(a) Pr=100；(b) Pr=200；

(c) P^r=400；(d) P^r=10³；(e) P^r=10⁴

(a)

(b)

(c)

圖 4-5 PPCVD在相同壓力比不同基座襯底溫度之流場密度分布圖，

P^s=10⁵ pa，T^s=300K，T^r=300K，t=100μs(a) T^w=300K；(b) T^w=500K；

(c) T^w=800K

(a)

(b)

(c)

圖 4-6 PPCVD在相同壓力比不同基座襯底溫度之流場密度分布圖，

P^s=10⁵ pa，T^s=300K，T^r=300K，t=200μs(a) T^w=300K；(b) T^w=500K；

(c) T^w=800K

4.1.3.馬赫數分布

4.1.3.1.基座襯底溫度相同

在圖 4-7 中，用 800K 的基座襯底溫度，比較不同的反應器壓力下，

流場馬赫數在第 100 微秒時的分布狀況，由結果可知道，反應器的壓 力愈小的情況下，反應氣體馬赫數愈高傳播較快，結果與壓力分布及 密度分布是相符合的。

4.1.3.2.基座襯底溫度不同

在圖 4-8、圖 4-9 中，用 100pa的反應器壓力，供給壓力固定為 10⁵pa，反應氣體溫度及反應器內部初始溫度定在 300K的條件下，比較 基座襯底溫度在 300K、500K及 800K的條件下，流場馬赫數在第 100 微 秒以及第 400 微秒時的分布狀況。由圖 4-8 的結果發現不同的基座襯 底溫度在相同的壓力條件下，前 100 微秒內傳播速度相近，由結果很 難分判其傳播速度上的差異這樣的結果也從壓力、密度的分布上可以 觀察得到。

在第 400 微秒，當反應氣體接觸到基座襯底經果一段時間後，由 圖 4-9 的結果顯示，在 300K 與 800K 的基座襯底溫度條件下，差異已 經可以明顯看出。相較於密度分布較難分判 500K 與 800K 溫度條件下 的結果，在馬赫數的分布上圖 4-9 是以經過較長的時間所得結果表示，

雖然差異已可觀察出來，但與比 300K 溫度比較的差異仍然較難察覺。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

圖 4-7 PPCVD在相同基座襯底溫度不同壓力比之流場馬赫數分布圖，

Ps=10⁵ pa，Ts=300K，Tr=300K，Tw=800K，t=100μs(a) Pr=100；(b) Pr=200；

(c) Pr=400；(d) Pr=10³；(e) Pr=10⁴

(a)

(b)

(c)

圖 4-8 PPCVD在相同壓力比不同基座襯底溫度之流場馬赫數分布圖，

P^s=10⁵ pa，T^s=300K，T^r=300K，t=100μs(a) T^w=300K；(b) T^w=500K；

(c) T^w=800K

(a)

(b)

(c)

圖 4-9 PPCVD在相同壓力比不同基座襯底溫度之流場馬赫數分布圖，

P^s=10⁵ pa，T^s=300K，T^r=300K，t=100μs(a) T^w=300K；(b) T^w=500K；

(c) T^w=800K