在微電子工業發展及進步速度的趨勢下，各項製程技術的研究也就越是關鍵，而應用模擬方法於設備之改善可減少成本與時間的花費，在半導體製程中化學氣相沈積是個重要設備，本研究是以數值方法探討低壓化學氣相沈積（LPCVD）沈積鎢時，反應器內的熱流場之分析，在數值模擬方法上，描述CVD反應器流場傳輸現象的統御方程式，建構於數值方法中之隱性有限體積法上（Implicit finite volume method），先將方程式離散化，並配合不規則網格方式，再以SIMPLE 法則運算解析。
本研究將就LPCVD技術之單一晶片式（single wafer）反應器流場分佈狀態進行分析，探討採冷壁式（Cold Wall）的反應器之流場空間為三維穩態層流，其改變參數如噴嘴位置Dj（100~250mm）、噴嘴距晶座距離H（30~120mm），而晶座加熱溫度和系統壓力的改變參數為300~600 及0.5~8Torr。
結果顯示反應器內流場受到流量、噴嘴位置及晶座位置的影響，當晶座上動量改變，將使得流場速率穩定性受變化，則造成薄膜均勻性的不佳，而降低晶座溫度和系統壓力可消除因為浮力及迴流產生的影響。

Abstract
The development and advancement of microelectronics industry is very drastically. So, the key to create new technology of process and it's costs can be cut by simulating the performance of these equipments. The reactor of chemical vapor deposition (CVD) is important to semiconductor production process.. This research use numerical method to study the process parameters of low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) of Tungsten (W).In this simulation, the CVD reactor modeling are constructed and discreditzed by using the implicit finite volume method. The grids are arranged in a staggered manner for the discretization of the governing equations. Then, the SIMPLE-type algorithm will be used to solve all of the discretized algebra equations.
In this research, the reactor is an single wafer and cold-wall system. The nozzle position is adjustable from 100 to 250mm.The nozzle-to-wafer distance is adjustable by changing the height from 30 to 120mm.The temperature and pressure in the reactor system can be setup with susceptor temperature 300~600 and pressure 0.5~8Torr.
The results show that the flow in the reactor may depend on the flow rate and nozzle position. An effective means to avoid unstable is to reduce the susceptor temperature and system pressure due to the effects of buoyancy force and recirculation.

目錄
目錄............................................................I
圖目錄..........................................................Ⅲ
表目錄..........................................................Ⅷ
論文摘要（中文）................................................IX
論文摘要（英文）................................................Ⅹ
符號說明........................................................XI
第一章 緒論.....................................................1
1.1 研究背景與動機 ..............................................1
1.2文獻回顧.....................................................5
1.3 研究內容....................................................8
第二章 理論模式.................................................11
2.1 物理模型....................................................11
2.1.1薄膜沈積原理...............................................11
2.1.2化學沈積反應步驟...........................................13
2.1.3影響薄膜成長之因素.........................................14
2.1.4反應器爐體加熱方式與傳輸現象...............................14
2.2 基本假設....................................................16
2.3 統御方程式..................................................17
2.4 薄膜沈積特性與壁函數概述....................................22
2.5 邊界條件....................................................24
第三章 數值模擬方法.............................................25
3.1 數值模擬軟體簡介............................................25
3.2 SIMPLE演算法則 ..............................................26
3.3 上風差分法..................................................30

3.4 鬆弛因子與離散化............................................32
3.5 收斂條件....................................................33
3.6 數值方法之驗證 ..............................................34
第四章 數值模擬結果與分析.......................................35
4.1數值模擬狀態.................................................35
4.1.1研究主題...................................................35
4.1.2模擬案例邊界條件...........................................36
4.2模擬案例分析.................................................37
4.2.1噴嘴位置之影響.............................................37
4.2.2噴嘴距晶座距離之影響.......................................37
4.2.3晶座溫度之影響.............................................38
4.2.4系統壓力之影響.............................................39
4.3 模擬結果與討論 ..............................................39
第五章 結論與建議...............................................41
5.1 結論........................................................41
5.2 建議........................................................42

參考文獻........................................................94

圖目錄
圖1.1 多片式傳統批式爐...........................................4
圖1.2 單一晶片式低壓化學氣相沈積(LPCVD)的製程設備................4
圖1.3 整合型組合包含乾式清洗、物理沉積及化學沉積應用情形.........4
圖1.4 鎢的沉積情形..............................................10
圖2.1 化學氣相沉積示意圖........................................13
圖2.2 反應傳遞在邊界層的情形....................................15
圖3.1 SIMPLE解題步驟流程圖......................................29
圖4.1反應器物理模型.............................................43
圖4.2反應器物理模型網格剖面圖...................................43
圖4.3 當噴嘴位置Dj為100mm時速度向量分佈.........................44
圖4.4 當噴嘴位置Dj為150mm時速度向量分佈.........................44
圖4.5 當噴嘴位置Dj為200mm時速度向量分佈.........................45
圖4.6 當噴嘴位置Dj為250mm時速度向量分佈.........................45
圖4.7 當噴嘴位置Dj為100mm時速度等位線分佈.......................46
圖4.8 當噴嘴位置Dj為150mm時速度等位線分佈.......................46
圖4.9 當噴嘴位置Dj為200mm時速度等位線分佈.......................47
圖4.10 當噴嘴位置Dj為250mm時速度等位線分佈......................47
圖4.11 當噴嘴位置Dj為100mm時氣體路徑線..........................48
圖4.12 當噴嘴位置Dj為150mm時氣體路徑線..........................48
圖4.13 當噴嘴位置Dj為200mm時氣體路徑線..........................49
圖4.14 當噴嘴位置Dj為200mm時氣體路徑線..........................49
圖4.15 噴嘴位置Dj於晶圓上方1mm處速度分佈........................50
圖4.16 噴嘴位置Dj於晶圓上方1mm處含兩側邊速度分佈................50
圖4.17 當噴嘴距晶座距離H＝30mm時，速度向量分佈..................51
圖4.18 當噴嘴距晶座距離H＝45mm時，速度向量分佈..................51
圖4.19 當噴嘴距晶座距離H＝60mm時，速度向量分佈..................52
圖4.20 當噴嘴距晶座距離H＝75mm時，速度向量分佈..................52
圖4.21 當噴嘴距晶座距離H＝90mm時，速度向量分佈..................53
圖4.22 當噴嘴距晶座距離H＝105mm時，速度向量分佈.................53
圖4.23 當噴嘴距晶座距離H＝120mm時，速度向量分佈.................54
圖4.24 當噴嘴距晶座距離H＝30mm時，速度等位線分佈................54
圖4.25 當噴嘴距晶座距離H＝45mm時，速度等位線分佈................55
圖4.26 當噴嘴距晶座距離H＝60mm時，速度等位線分佈................55
圖4.27 當噴嘴距晶座距離H＝75mm時，速度等位線分佈................56
圖4.28 當噴嘴距晶座距離H＝90mm時，速度等位線分佈................56
圖4.29 當噴嘴距晶座距離H＝105mm時，速度等位線分佈...............57
圖4.30 當噴嘴距晶座距離H＝120mm時，速度等位線分佈...............57
圖4.31 噴嘴距晶座距離H於晶圓上方1mm處速度分佈...................58
圖4.32 噴嘴距晶座距離H於晶圓上方1mm處含兩側邊速度分佈...........58
圖4.33 當基座溫度為573 時，速度等位線分佈.......................59
圖4.34 當基座溫度為673 時，速度等位線分佈.......................59
圖4.35 當基座溫度為773 時，速度等位線分佈.......................60
圖4.36 當基座溫度為873 時，速度等位線分佈.......................60
圖4.37 當操作系統壓力為0.5Torr時，速度向量分佈..................61
圖4.38 當操作系統壓力為1 Torr時，速度向量分佈...................61
圖4.39 當操作系統壓力為2 Torr時，速度向量分.....................62
圖4.40 當操作系統壓力為4 Torr時，速度向量分佈...................62
圖4.41 當操作系統壓力為6 Torr時，速度向量分佈...................63
圖4.42 當操作系統壓力為8 Torr時，速度向量分佈...................63
圖4.43 當操作系統壓力為0.5Torr時，速度等位線分佈................64
圖4.44 當操作系統壓力為1 Torr時，速度等位線分佈.................64
圖4.45 當操作系統壓力為2 Torr時，速度等位線分佈.................65
圖4.46 當操作系統壓力為4 Torr時，速度等位線分佈.................65
圖4.47 當操作系統壓力為6 Torr時，速度等位線分佈.................66
圖4.48 當操作系統壓力為8 Torr時，速度等位線分佈.................66
圖4.49 當噴嘴位置Dj改變時WF6濃度於晶圓上方1mm處分佈情形.........67
圖4.50 當噴嘴距晶座距離H改變時WF6濃度於晶圓上方1mm處分佈情形....67
圖4.51 當晶座加熱溫度改變時WF6濃度於晶圓上方1mm處分佈情形.......68
圖4.52 當操作系統壓力改變時WF6濃度於晶圓上方1mm處分佈情形.......68
圖4.53 當噴嘴位置 Dj為100mm時速度向量分佈.......................69
圖4.54 當噴嘴位置Dj為150mm時速度向量分佈........................69
圖4.55 當噴嘴位置Dj為200mm時速度向量分佈........................70
圖4.56 當噴嘴位置Dj為250mm時速度向量分佈........................70
圖4.57 當噴嘴位置Dj為100mm時速度等位線分佈......................71
圖4.58 當噴嘴位置Dj為150mm時速度等位線分佈......................71
圖4.59 當噴嘴位置Dj為200mm時速度等位線分佈......................72
圖4.60 當噴嘴位置Dj為250mm時速度等位線分佈......................72
圖4.61 當噴嘴位置Dj為100mm時氣體路徑線..........................73
圖4.62 當噴嘴位置Dj為150mm時氣體路徑線..........................73
圖4.63 當噴嘴位置Dj為200mm時氣體路徑線..........................74
圖4.64 當噴嘴位置Dj為250mm時氣體路徑線..........................74
圖4.65 噴嘴位置Dj於晶圓上方1mm處速度分佈........................75
圖4.66 噴嘴位置Dj於晶圓上方1mm處含兩側邊速度分佈................75
圖4.67 當噴嘴距晶座距離H＝30mm時，速度向量分佈..................76
圖4.68 當噴嘴距晶座距離H＝45mm時，速度向量分佈..................76
圖4.69 當噴嘴距晶座距離H＝60mm時，速度向量分佈..................77
圖4.70 當噴嘴距晶座距離H＝75mm時，速度向量分佈..................77
圖4.71 當噴嘴距晶座距離H＝90mm時，速度向量分佈..................78
圖4.72 當噴嘴距晶座距離H＝105mm時，速度向量分佈.................78
圖4.73 當噴嘴距晶座距離H＝120mm時，速度向量分佈.................79
圖4.74 當噴嘴距晶座距離H＝30mm時，速度等位線分佈................79
圖4.75 當噴嘴距晶座距離H＝45mm時，速度等位線分佈................80
圖4.76 當噴嘴距晶座距離H＝60mm時，速度等位線分佈................80
圖4.77 當噴嘴距晶座距離H＝75mm時，速度等位線分佈................81
圖4.78 當噴嘴距晶座距離H＝90mm時，速度等位線分佈................81
圖4.79 當噴嘴距晶座距離H＝105mm時，速度等位線分佈...............82
圖4.80 當噴嘴距晶座距離H＝120mm時，速度等位線分佈...............82
圖4.81 噴嘴距晶座距離H於晶圓上方1mm處速度分佈...................83
圖4.82 噴嘴距晶座距離H於晶圓上方1mm處含兩側邊速度分佈...........83
圖4.83 當基座溫度為573 時，速度等位線分佈.......................84
圖4.84 當基座溫度為673 時，速度等位線分佈.......................84
圖4.85 當基座溫度為773 時，速度等位線分佈.......................85
圖4.86 當基座溫度為873 時，速度等位線分佈.......................85
圖4.87 當操作系統壓力為0.5Torr時，速度向量分佈..................86
圖4.88 當操作系統壓力為1 Torr時，速度向量分佈...................86
圖4.89 當操作系統壓力為2 Torr時，速度向量分.....................87
圖4.90 當操作系統壓力為4 Torr時，速度向量分佈...................87
圖4.91 當操作系統壓力為6 Torr時，速度向量分佈...................88
圖4.92 當操作系統壓力為8 Torr時，速度向量分佈...................88
圖4.93 當操作系統壓力為0.5Torr時，速度等位線分佈................89
圖4.94 當操作系統壓力為1 Torr時，速度等位線分佈.................89
圖4.95 當操作系統壓力為2 Torr時，速度等位線分佈.................90
圖4.96 當操作系統壓力為4 Torr時，速度等位線分佈.................90
圖4.97 當操作系統壓力為6 Torr時，速度等位線分佈.................91
圖4.98 當操作系統壓力為8 Torr時，速度等位線分佈.................91
圖4.99 當噴嘴位置Dj改變時WF6濃度於晶圓上方1mm處分佈情形.........92
圖4.100當噴嘴距晶座距離H改變時WF6濃度於晶圓上方1mm處分佈情形....92
圖4.101當晶座加熱溫度改變時WF6濃度於晶圓上方1mm處分佈情形.......93
圖4.102當操作系統壓力改變時WF6濃度於晶圓上方1mm處分佈情形.......93
圖4.103噴嘴位置Dj與出口處平均速度關係圖.........................94
圖4.104噴嘴距晶座距離H與出口處平均速度關係圖....................94
圖4.105基座加熱溫度與出口處平均速度關係圖.......................95
圖4.106操作系統壓力與出口處平均速度關係圖.......................95

表目錄
表1.1 積體電路技術發展概況.......................................2
表1.2 各種CVD 製程之優缺點比較及應用.............................3
表3.1 FLUENT之鬆弛因子大小......................................32
表3.2 本研究對於Discretization之選擇............................32
表4.1 數值模擬邊界條件..........................................36

參考文獻
【1】K. Sugaware, “ Silicon Epitaxial Growth by Rotating Disk Method” , J. Electrochem. Soc. Vol.119, No12 , pp.1749-1760, 1972
【2】Y Kusumoto, T. Hayashi, and S. Komiya, “ Numerical Analysis of the transport Phenomena in MOCVD Process” , Jap. J. Appl. Phys.,Vol.24 , No.5, pp620-625,1985.
【3】G. Evans, K. Grei, “ Effects of Boundary Conditions on the Flow and Heat Transfer in Rotating disk Chemical Vapor Deposition Reactor” , Numerical Heat Transfer, Vol.12 , pp.243-252, 1987
【4】S. Patnaik, R. A. Browin, C. A. Wang, “Hydrodynamic Dispersion in Rotation-Disk OMVPE Reactor: Numerical simulation and Experimental measurements” , J. Crystal Growth, Vol.96 , pp.153-174,1989
【5】D. I. Fotiadis, S. Kieda, K. F. Jensen, “ Transpoet Phenomena in Vertical Reactors for Metalorganic Vapor Phase Epitaxy ” , J. Crystal Growth, Bol.102, pp.441-470, 1990
【6】C. Weber, C. C. van, D. Keijser, “Modeling of Gas-Flow Patterns in a Symmetric Verical Vapor-Phase-Epitaxy Reactor Allowing Asymmetic Solutions” , J. appl.Phys., Vol.64, No.4 , pp2109-2118, 1990
【7】P. Desjardins, R. Izquierdo, M. Meunier “ Diode laser induced chemical vapor deposition of WSix on TiN form WF6 and SiH4 “ J. Appl. Phys., Vol. 73,No.15 May, pp5216-5221 1993
【8】C. H. Chen, C. A. Larsen, G.B. Stringfellow, D.W. Brown and A.J.Robertson,”MOVPE Growth of InP Using Isobutylphosphine and Butylphosphine”, Journal of Crystal Growth,1994
【9】Z. Nami , Student Member, IEEE, A. Erbil, G. S. May, Member, IEEE , ”Reactor Design Considerations for MOCVD Growth of Thin Films, ”IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing,vol.10,no.2,May,pp 295-306,1997
【10】Y.K. Chae, Y.E gashira, Y. Shimogaki, K. Sugawara,and H. Komi- yama ”Chemical Vapor Deposition Reactor Design Using Small-scale Diagnostic Experiments Combined with Computational Fluid Dynamics Simulations”, Journal of The Electrochemical Socirty,146(5)1780-1788,1999
【11】W. K. Cho , D. H. Choi*, M.-U. Kim” Technical Note Optimization of inlet concentration profile for uniform deposition in a cylindrical chemical vapor deposition chamber” International Journal of Heat and Mass Transfer 42,pp 1141-1146,1999
【12】Y. Gao,*Daniel A. Gulino,* and Ryan Higgins**”Effects of susceptor geometry on gan growth on si(111) with a new MOCVD reactor”MRS Internet J. Nitride Semicon. Res.4s1,G3.53,1999
【13】K.W. Park, H. Y. pak, ”Characteristics of Three-Dimensional Flow Heat and Mass Transfer in A Chemical Vapor Deposition Reactor, ”Numerical Heat Transfer, Part A,37:407-423,2000
【14】林清發，”水平CVD單晶成長之不穩定熱流實驗與數值模擬研究”第五屆國科會工程處機械熱流學門研究成果研討會，1997
【15】崔燕勇”薄膜單晶成長之垂直式CVD反應器內流動與熱傳之數值研究”， 第五屆國科會工程處機械熱流學門研究成果研討會，1997
【16】宋齊有，周重石及全中興”薄膜單晶成長之垂直式CVD反應器內流動與熱傳之研究”， 第五屆國科會工程處機械熱流學門研究成果研討會，1997
【17】顏維謨，”垂直Bridgman單晶熔化成長製程中的流體運動及熱傳之實驗研究”， 第五屆國科會工程處機械熱流學門研究成果研討會，1997
【18】黃世偉、鄭永群及翁宗賢”水平式晶圓快速熱處理爐脈衝加熱之暫態熱流分析”，第七屆全國計算流體力學學術研討會，2000
【19】H. Y. Chang, Raymond A. Adomaitis*”Analysis of heat transfer in a chemical vapor deposition reactor :an eigenfunction expansion solution approach” International Journal of Heat Fluid Flow,20,pp.74-83,1998
【20】Il-Kyoung Kim, W. S. Kim*”Theoretical analysis of wafer temperature dynamics in a low pressure chemical vapor deposition reactor” International Journal of Heat and Mass Transfer,42 ,pp.4131-4142,1999
【21】W.K. Cho, D.H. Choi*, M.-U Kim “Optimization of the inlet velocity profile for uniform epitaxial growth in a vertical metalorganic chemical vapor deposition reactor” International Journal of Heat and Mass Transfer 42,pp 4143-4152,1999
【22】K. Nanbu , T. Morimoto, M. Suetani ,” Direct Simulation Monte Carlo Analysis of Flows and Etch Rate in an Inductively Coupled Plasma Reactor,” IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 27,no. 5,October ,pp.1379-1388,1999
【23】Patanker, S. V., “A calculation procedure for two-dimensional elliptic situations,” Numer. Heat Transfer, Vol. 4, 1981, pp. 409-425.
【24】Van Doormal, J. P., and Rairhby, G. D., “Enhancements of the SIMPLE method for predicting incompressible fluid flows,” Numer. Heat Transfer, Vol. 7, 1984, pp. 147-163.
【25】莊達人,”VLSI 製造技術” , 高立圖書有限公司, 2000
【26】黃惠良 著，”微電子工程” 國立編譯館 主編,2000
【27】李世鴻，”積體電路製程技術”五南圖書出版公司，1998
【28】林志宏，”半導體製程之濕洗檯氣流場與污染物擴散之改善評估” 國立中山大學機械工程研究所碩士學位論文，2000
【29】林勳棟，”垂直式CVD反應器之流場模擬分析” ，義守大學材料科學與工程學系碩士論文，1999
【30】柳逸斌，”銅薄膜MOCVD製程之數值模擬研究” ，義守大學材料科學與
工程學系碩士論文，2000
【31】許進旺，”金屬有機物化學蒸氣沉積反應爐之熱流場數值模擬”國立屏東 科技大學機械工程系碩士學位論文，2000
【32】周賢鎧 博士”鎢化學氣相沉積”，台灣應用材料股份有限公司
【33】Flunet User.’s Guide.
【34】J.Nishizawa,”JARECT Vol.8, Semiconductor Technologies, OHMSHA , LTD.and North-Holland Publishing Company,1983
【35】T. Kodas, M. Hampden-Smith “The Chemical of Metal CVD”VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim (Federal Republic of Germany),1994
【36】W. R. Runyan, K.E. Bean “Semiconductor Integrated Circuit Processing Technology ”,Addison-Wesley Publishing Company, Inc,1990