馗鼎奈米技術部落格｜電漿設備、DLC鍍膜與表面處理新知

電漿反應器： 鍍膜首要考慮到均勻度與大面積，所以我們有興趣的地方在輝光放電的區域。利用電漿來鍍膜依靠的主要是電漿態中的離子和自由基。離子可能是反應物或惰性氣體，如果是反應離子，藉由在基板施加偏壓加速撞擊基材；如果是工作離子，例如氬離子，也是靠著偏壓加速撞擊靶材，撞出靶材的原子飛行至基材， 沉積，這是濺鍍的原理。自由基無法受到電場加速，是利用擴散方式鍍膜，然而 薄膜的應力也較小，另有其重要性。這裡先從電漿反應器裝置開始，再談到一些利用電漿的應用。電漿反應器裝置電漿反應器裝置是由電源供應器、抽氣系統、反應器、進料系統、壓力量測系統及監控系統組成。 1.電源供應器引發電漿的電源供應器一般分為直流(DC, Direct Current)電源、射頻(RF, Radio Frequency)電源及微波(MW, Microwave)電源，一般 RF 的頻率 13.56MHz， MW 在 2.45GHz，這是法令與許工廠使用的頻率，現在還有介於中間範圍的電源。 直流輝光放電的方式，電極需裝置在反應器內部，對於要求高純度組成的製程有 污染之虞，而且這種方式容易在電極或反應器上某些地方，因人為或機械製程上的問題造成導電度不好或表面的小突起，容易形成電荷累積產生小電弧。而且直流輝光放電不能用在鍍絕緣膜或者不導電基板，例如塑膠基材。RF 是目前應用最普遍的電源，電極可以如 DC 放電裝置般置入反應器中，或者放到反應器外以耦合(coupled)的方式供給能量。將電極置於反應器內不會造 成上述 DC 放電電荷累積的問題，而且 RF 及 MW 可以用來鍍不導電的基板或絕 緣膜。電極置於反應器外的耦合裝置則如圖二。由於電漿負載阻抗大，使用 RF 需設置匹配電路。目前為避免 DC 的缺點而又不想有 RF 匹配的問題，廠商有脈 衝式電源可供選擇。MW 具有增加解離率的特性，但放電體積較小，而且導引 MW 需利用導波管傳遞為其缺點。目前開發出 ECR 等技術採 MW 配合磁場造成電子的迴旋共振，可使放電大面積化，在高密度電漿會提到。磁場在電漿方面的應用極廣，使電子沿著磁力線迴旋進而增加電子的壽命及極低氣壓下與中性原子或分子碰撞的機率以提高解離率。配合適當大小和方向的磁場，可使高頻能源傳遞進入電漿的效率提高，現在正熱門的高密度電漿，如 Helicon、ECR 即採此原理，在高真空度下產生高解離率的電漿。磁...

電漿現象：我們日常生活中最常接觸到的電漿是太陽、日光燈、霓虹燈以及閃電等，所以人類對電漿的第一印象是，電漿是一團會發光的東西。所謂電漿是一種帶有電子、正負電荷、中性的氣體分子和自由基所組成的，在正常情形下呈電中性，所以大陸地區的科學家稱之為”等離子體”，即取其帶正電荷的離子數目與帶負電荷的(大多是)電子數目相等之意。電漿態是人類繼物質的三態包括氣態、液態及固態後，所發現物質存在的另一狀態，而且就整個宇宙來說，物質以電漿態存在的比例最高。電漿的產生是靠碰撞，靠著電子在電場中加速獲得極高的動能，當碰撞到氣體分子或原子時將能量傳遞過去。因為電子遠較氣體分子或原子小，所以碰撞造成的結果不是增加氣體的動能，而是提高其位能。這個情形就好像一顆高速移動的子彈打在牆壁(連接著地球)上，地球並不會因此移動(動能改變)，而只是牆壁產生了一個洞，可能這個洞還會冒煙(位能提高)。從原子的角度來看，位能的提高造成原子內電子的遷移，如果達到足夠的能量甚至會跳離原子，產生一個離子和一個電子，這是一個如下式的解離反應： e- + Ar →Ar+ + 2 e- (1) 產生的兩個電子再經電場加速到足夠的動能進行下一次的解離，於是由一顆電子產生兩顆，兩顆到四顆，如此以等比級數增加，最後造成全面性的解離崩潰。電子動能的累積牽涉到電場的大小及碰撞的頻率電子的最高動能=電場對電子作功的累積= F‧d (作用力 ‧ 距離)= q ‧ ε ‧ λ其中 q 表粒子的帶電量；ε代表電場大小；λ是粒子的平均自由徑，碰撞頻率越高代表其行走的距離越短，平均兩次碰撞間行走的距離定義為平均自由徑，所以在相同的電場下平均自由徑與碰撞頻率呈反比。從上式來看，因為電子的帶電量 q 是固定的，所以要提高電子的最高動能要從增加電場及增加平均自由徑著手。所以，一般電漿操作的環境在高電壓和低氣壓下。當離子數目到達一定量後，與電子碰撞的機率增加，產生如下式的結合反應： e- + Ar+→ Ar + hν (2) 一部份的離子與電子結合，一部份的離子及電子會消失在與反應腔體及基板的碰撞。電子-離子對產生的速率與消失的速率最後會相等，造成一種動態平衡。在穩定狀態的電漿中，電子-離子對濃度為一定值，這種穩定的電子-離子對數目(濃 度)與原來氣體數目的比值定義為離子化程度(Degree of Ionization)。不同放電方式其離子化程度也不同，...