【技術資料】高密度電漿(High Density Plasma)_1

隨著半導體製程的進步，在矽基板單位面積內所放入的元件飛快的增加，元件與元件之間的距離勢必越來越狹小，如此不論是蝕刻或鍍膜技術必須相對應的提升其精確度，電漿技術的開發更顯重要。由於電漿狀態中具有許多活性粒子，當中會受到電場作用唯有離子與電子，為了提高反應的選擇性則必須要使用這些粒子，尤其是離子，當離子經電場吸引，如果在與基板作用前的飛行過程中受到碰撞，一來會損失其能量，二來其飛行軌跡勢必受到干擾。傳統電漿解離率約在1%左右，也就是說通入一百顆分子會形成一顆離子跟九十九顆中性分子，所以 離子跟中性氣體分子碰撞的機率最高，由這個角度來看我們一方面必須減少中性 分子的數目以避免與離子的碰撞，二來必須提高電漿的解離率以增加反應的選擇 性，高密度電漿即針對上述兩點所開發出來的技術。所謂高密度電漿的定義在低氣體密度與高電漿密度，從原理說明知道電漿形成係靠碰撞，一旦將氣體密度降 低的結果就是將電子與氣體分子碰撞機率下降，電子無法有效碰撞到氣體分子就 無法造成解離，由於粒子的平均自由徑與壓力也就是氣體密度有關，氣體密度下 降造成電子的平均自由徑增加，其可能由一電極發射到另一電極都不會與氣體產 生碰撞，所以傳統的電極設計在此已不敷使用。以下針對一些現在最常採用的高密度電漿源作一說明比較，包括 ICP、ECR、Helicon 及 PIII 技術。

感應耦合式電漿(Inductively Coupled Plasma, ICP)所謂感應耦合式電漿(Inductively-Coupled-Plasma, ICP)，簡單而言係利用 RF 所產 生的感應磁場引發足夠的能量使氣體解離。其工作原理，如圖 2-4 [42]所示。於 銅線圈上加上一高頻電源（RF power supply），當線圈上之電流隨時間作變化時， 由式 5 之安培定律知：∇×H = J + ε0(∂E/∂t) --(5)E:電場強度(Volts/m) H:磁場強度(Amperes/m) J:電流密度(Amperes/m2)

可感應產生一隨時間變動的磁場，並且由式 6 之法拉第定律知：∇×E = - μ0(∂H/∂t) --(6)
此變動之磁場會感應一反方向之電場，而此電場會加速空氣中游離的電子。被加速的電子隨著電源供應器功率之提昇而能從中獲得足夠的能量與中性氣體分子 碰撞發生解離進而產生電漿。
高週波感應耦合式電漿與一般平板式高週波電漿最大不同處是前者以感應耦合(inductively coupling)的方式產生電漿，而後者則是以電容耦合(capacitively coupling)的方式產生電漿。以電容耦合的方式產生電漿，電子能量的獲得是受到 兩平板電極之電位差而加速，所以受電場影響電子運動方向與電極垂直，大部分 沒有與中性氣體分子碰撞之電子會逃離電漿跑到電極上，不但使能量消耗在加熱 電極而同時也會造成參與解離之電子數目變少。而在感應隅合式電漿中，電子受 感應電場之影響而運動方向與電極平行，因此不會有太多的電子損耗在電極上， 故可維持線圈周圍相當高之電子密度 (電漿密度) 。

圖為成大化工系電漿實驗室產生感應耦合式電漿之實際情況的照片。

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