電漿反應器與原理 前言： 早在二十世紀初期電漿即被人們應用到許多領域，隨著產業發達，尤其是高

科技產業如半導體、光電等電子資訊業，電漿反應器普及而廣泛的應用到各種元

件的製造，例如電腦晶片、記憶體、硬碟、電晶體、光碟、液晶顯示器、電漿顯

示器等。另外電漿技術也應用在航太機械、高分子工業和環保污染防制上，例如

光學元件的鍍膜；提高模具使用壽命的抗磨耗膜；不織布、光學塑膠或玻璃的表

面處理；微感測器的製造；微機械的加工；人工關節、骨骼及人工器官的抗磨耗

膜，生醫材料的表面處理等，皆需要仰賴電漿技術，所以電漿技術的開發對這些

產業的發展具有相當的影響。本文先對電漿現象及原理作概述，再針對電漿應用

到蝕刻、濺鍍及輔助化學氣相沉積鍍膜作說明，最後對目前盛行的高密度電漿源

作選擇性簡介。

電漿特性：

(一)、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：

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

e- + Ar Ar+ + 2 e- (1)

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：

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，由小於 0.1%到 100%都有，視放電形式及操作條件而異，而一般用在 PECVD鍍膜的電漿源其解離率小於 1%，近幾年由於對鍍膜要求的嚴苛，如縱深寬比值的提高、表面粗糙度的要求及不純物濃度的控制，加上

在真空技術的改良及高密度電漿的開發，使 PECVD的離子化程度提高很多。 我們所看到電漿的光除了(2)式以外，還有可能由下式產生，當位能提高時

能量剛好使的原子內層電子躍遷至外層軌道，於是形成一個激發狀態的原子，這

種激發狀態極不穩定，很容易回復到基態然後放出光子。

氣體密度影響了粒子的平均自由徑，也影響到氣體的溫度。當壓力小於 1 torr時，電子具足夠的平均自由徑可以累積到極大的動能，離子則因體積較電子大的多，

平均自由徑小，獲得的動能(q • ε • λi)遠小於電子(q • ε • λe)，氣相中一個粒子的動態可經下式轉換成溫度：

動能 = 1/2mv2 = 3/2kT 所以低壓時，離子的溫度遠低於電子，至於不帶電的中性分子、原子及自由基，

他們無法受到電場的加速，而且在低壓時與電子或離子碰撞頻率低，具有的動能

(溫度)與室溫接近。所以低壓下的電漿不是處於熱力學的平衡狀態，而是包含三種不同動能、不同溫度的粒子的穩定狀態。當在高氣壓時(>100 torr)則由於電子、離子和中性粒子碰撞頻繁，粒子間的能量可以互相傳遞，使得三種粒子溫度接

近，因此氣體的溫度可高達數萬或數十萬 K。 利用低壓電漿幫助鍍膜就是利用其不需提高反應氣體的溫度而可在低溫下

進行非電漿製程需極高溫度才能進行的反應。當反應性氣體通入電漿中成為電漿

態，變成化學上非常活潑的激發分子、原子、離子和原子團等，促進化學反應在

e- + Ar Ar + hν (3) Ar*

e- + Ar+ Ar + hν (2)

基材上製作薄膜，藉助電漿作用鍍出來的薄膜較傳統 CVD法具備許多新穎特性。 PECVD法的最大特色在於利用的是電漿態下化學性活潑的離子、原子團，

因而可以在低溫下生成薄膜。Thermal CVD法是在高溫下的製膜方式，大多限於某些特定的基材，而 PECVD法可在低溫下成長薄膜，減少熱的損失，抑制與基材物質的反應，因而可在非耐熱性的基材上成長薄膜。從熱力學上分析，有些反

應雖然能發生，但速率相當緩慢，藉電漿狀態可促進反應，使在熱力學上難以發

生的反應變為可能，如此可製備出從未見過的組成的新材料，如耐高溫材料薄

膜。另外，由於進料是氣體，可以穩定的進入反應器，故可連續控制進料組成，

進而控制薄膜組成。也由於電漿的介入，可能產生的反應路徑增加，形成薄膜的

自由度增加，可控制的參數變多，使得實現重複性的控制較為困難。

(二)、放電形式：

對一個低氣壓的反應器內氣體施加一個外部電場，其電壓對電場的關係如圖

一所示：

圖一、低壓電漿反應器內電壓電流關係 電壓由零開始增加，已可偵測到飽和電流，這是因為宇宙中充斥著一種高能的

γ-Ray，在地球上大氣層的保護下只允許極少部份的γ-Ray進入，不過這些少數的γ-Ray已可造成氣體的部份解離(可以想見宇宙其他地方沒有大氣層之類的保護

電流

電

壓

Townsend 放電

崩潰放電

正常輝光放電

不正常輝光放電

電弧放電

情形下，解離程度非常可觀)，所以小電壓即產生小的飽和電流，這個區域叫Townsend Discharge。電壓繼續增加到約 600V，利用上述γ-Ray產生的電子在電場中被加速，對原子或分子碰撞解離，電子大量增加造成前面提到的崩潰解離，

這區域叫 Avalanche Discharge。並需藉特殊的電源供應器維持住電漿，此時進入正常輝光放電(Normal Glow Discharge)。我們可以將電漿想像成河流，電流密度是水平面，當開出一條往下遊走的通道後，所有水都會沿著這條通道走，流量固

定時液面是等高度的，當流量增加後才慢慢往兩邊拓寬，維持液面等高。電漿此

時會保持電極板上的電流密度固定(所以電壓固定)，而電流增加是來自於放電面積的增加。這個區域電漿有集中的現象。當放電面積擴大到整個電極板時，要提

高電流則需再提高電壓而進入異常輝光放電(Abnormal Glow Discharge)的區域。一般製程都操作在此區域，因為此區域放電面積最大、電漿均勻，且電壓電流的

關係接近線性，易於控制，所以電漿也有人稱呼為輝光放電(Glow Discharge)。 再繼續增加電流密度，陰極溫度提高，當足以發射熱電子(Thermal Emission Electron, 像燈泡燈絲經加熱，金屬表面的電子很容易獲得足夠的能量脫離束縛，此稱熱電子)時，電流提高。這是一個惡性循環，當電流提高造成陰極溫度上昇而發射熱電子，再造成電流的提高增加陰極溫度．．．．，維持的電壓反而

下降；所以這個區域呈現負電阻的現象。此區域叫電弧放電(Arc Discharge)。

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。磁場垂直於基板還可以減少電漿傷害基材(Wafer Damage)的機會。

2.抽氣系統 真空技術是一門獨立的學問，不同真空度要選擇不同抽氣系統和反應器材

料。PECVD因利用到化學反應，所以真空度不高，只需使用到機械幫浦配合魯式幫浦提高抽氣量就足夠，但一般認為最好用擴散幫浦或渦輪分子幫浦將反應器

抽至高真空再通氣鍍膜，以減少污染源。取出試片前也先將壓力抽至高真空度，

再採用氮氣清洗系統，因為進料氣體一般具有腐蝕性、可燃性、爆炸性及劇毒，

這種程序對安全上的考量是必須的。 有時，排氣中混有粉末、顆粒等物質，會造成幫浦的傷害，所以通常排氣在

送入幫浦前會先以過濾器移走大顆粒。幫浦油的選擇也很重要，多氟類的機械幫

浦油較穩定，操作溫度也較高，這樣好趕走經幫浦壓縮過程造成蒸氣的凝結。由

於 CVD大都使用具腐蝕性及毒性的反應物，排氣處理要特別注意。一般排氣先通過冷卻擷取裝置(Cold Trap)吸收排出的氣體或將排氣經水稀釋、中和後排出。另外，如果遭遇突然停電。幫浦油容易擴散到反應器造成污染，所以需在反應器

與幫浦之間裝置斷電自動關閉的保護閥。

圖二、RF耦合感應裝置

3.反應器 反應器的設計主要符合放電的形式，內部材料的選擇應考慮加熱溫度、耐腐

蝕、表面光滑平整不易包覆氣體等。基材的加熱裝置一般採電阻式或紅外線式加

熱器，大型反應器為使鍍膜均勻，多採基板旋轉裝置。因為反應器表面能促使電

子離子的結合，所以在設計時應使電極與反應器壁盡量離開。

4.進料系統 鍍膜的原料可以是氣體、液體或固體。氣體原料儲存在高壓鋼瓶，利用管路

輸送至反應器，中間經過流量計控制流量，最為簡便。液體進料則裝入蒸發容器

中，利用恆溫槽等工具保持在固定的溫度下，液體在恆溫環境蒸發出一定量的蒸

汽，通常會經由惰性氣體載體將液體進料帶出。氣體載體可通入液體液面上或液

體下方經氣泡方式將原料帶出。固體進料是將反應固體置於蒸發容器然後加熱使

其熔化蒸發或昇華，再送入反應器。固體及液體進料在通過管路時，會因為溫度

電容式耦合裝置 電感式耦合裝置

的下降而造成凝結現象，不但影響流量的穩定甚至可能塞住管路。這種情形下管

路一定要加熱，保持溫度高於蒸發容器的溫度則可避免。原料為固體、液體時，

供給反應器的流量是由蒸發溫度及氣體載體流量控制，數種氣體的混合比則由各

個流量計或控制針閥來決定。

5.壓力量測系統 由於背壓(Base Pressure)在高真空度(~10-5torr)而工作壓力在數 torr到 0.1 torr

之間，壓力計要分別設置。一般高真空度下壓力量測用離子真空壓力計(Ion Gauge)或 Pirani Gauge，而工作壓力下常用薄膜電容式真空壓力計(Baratron)及熱電偶式壓力計(Convectron)，後者可以量測極廣的範圍，從常壓到工作壓力，但其讀值受到氣體種類的影響，只能作為參考用。電容式壓力計雖然範圍較窄，但讀值與

氣體種類無關，量得的是絕對壓力、精確度高。一般系統會採配合兩者的壓力量

測系統。 電漿反應器的壓力測量很重要，不但影響到電漿的均勻度、反應速率，還影

響了薄膜性質等，例如利用電漿聚合鍍高分子薄膜，壓力決定了成長為顆粒狀還

是長成薄膜。

6.監控系統 操作中需監控薄膜成長時的厚度及組成，當到達特定指標後停止反應，如此

可對薄膜品質做精確的控制。膜厚的偵測主要是使用紅外光，利用薄膜與基材產

生的光干涉波形來量測厚度，當然先決條件是反應器的材料可穿透紅外光，如圖

三。組成的偵測是比較困難的，通常採紅外光吸收、質量分析、氣相層析法等分

析反應氣體。薄膜組成的監控如下，膜厚的監控除上述的紅外線干涉法外，另有

利用膜厚計的方式。這是置入一片石英與基材同時鍍膜，然後量測石英震盪頻率

的改變來監控薄膜厚度。電漿內參數的監控採 Langmuir Probe量測電子、離子的動能(溫度)、解離率等，使用 OES(Optical Emission Spectroscopy)量測中間產物。這些數據有利於瞭解電漿內的反應。

紅外線測溫器

記錄器

偵測器

氦氖雷射 基板

反射鏡面

排氣

圖三、膜厚監控裝置

電漿反應器的應用

一、 電漿蝕刻

蝕刻係利用化學反應的方式吃出所需要圖案。利用水溶液的方式進行蝕刻

又稱濕式蝕刻法，具有蝕刻速度快、等方向性蝕刻、蝕刻殘留液不易處理的後遺

症等特性。因為其化學反應進行的方式發生在固體與液體接觸的地方，基本上只

要有固液交界就會產生蝕刻作用，並沒有太明顯方向上的選擇性，此所謂等方向

性蝕刻，蝕刻出的溝槽深度與寬度比(aspect ratio)較小。電漿方式進行蝕刻又稱乾式蝕刻法，其反應較慢，但沒有殘液污染的問題，而且非等方向性蝕刻的特性

為目前半導體製程主要的蝕刻方式。電漿蝕刻法係利用反應性氣體經過電漿解離

活化產生具有蝕刻反應的粒子，包括離子、自由基或原子等，以含氟自由基蝕刻

矽或二氧化矽為例，其反應如下式： Si(s) + 4F‧(g) →SiF4(g)

SiO2(s) + CFx‧(g) →SiF4(g) + SiF2(g)+CO(g)+CO2(g)+COF2(g)+SiOF2(g)+O2(g) 電子在蝕刻反應中雖然並不具有反應性，但就電漿產生的原理其會決定產生活性

粒子的分佈。自由基及原子並不受到電場影響，所以跟水溶液法比較接近，具有

部分等向性蝕刻的特性，見表一~三所示；而離子會受到電場吸引，所以其引發反應的方向會垂直於電場方向，因而其蝕刻出的溝槽的深度與寬度比大。綜合來

說，電漿蝕刻法可利用調整電漿參數決定活性粒子的比例，進而決定產生反應的

特性。選擇性高，不過因為利用氣相-固相反應較慢，但利於控制。

圖四、左圖為濕式水溶液蝕刻出的溝槽；右圖為電漿蝕刻出的溝槽

隨著半導體製程不斷進步，導線間距縮小而需要的深寬比不斷提高，造成

濕式蝕刻法不敷要求而面臨到淘汰的命運。不論從選擇性、反應控制與環保需求

上各個方向的考量，目前半導體製程幾乎全面採用電漿乾式蝕刻法。不過另一個

新興領域微機電系統(Micro Electro Mechanical System, MEMS)因為目前所需的製程條件較半導體製程需求來的低，而且，就蝕刻而言，需利用到濕式蝕刻來形

離子

成所需的立體圖案，這是乾式蝕刻無法達到的。以微機電系統常用到的懸臂樑感

應器來說明，其圖形如圖五所示：

圖五、微機電系統懸臂樑感應器結構

由於乾式蝕刻的非等向性反應無法將懸臂下方的犧牲層去除，即所謂視線

問題(Line of Sight Problem)目前還是必須仰賴濕式蝕刻技術。

表一、氟原子蝕刻反應整理 材質 氣體源 反應方向性 選擇率

Si F2,CF4-O2, C2F6-O2,C3F8-O2,SF6-O2,SiF4-O2, NF3,ClF3

等方向 在SiO2,SixNy,金屬，矽化物上頗高

SiO2 同上 低離子能量有等方向

性，高離子能量無等方

向性

在III-V族化合物半導體上很高

SixNy 同上 同SiO2 在SiO2上等方向性時，選擇率

很高 TiS2,TaSi2,MoSi2,WSi2

同上 高離子能量時，有部分

非等方向性 在SiO2,SixNy上高，在SixNy上

約 1:1 Ti,Ta,Mo,W,Nb

同上 在高離子能量時有非等

方向性 在高功率時在SiO2 上高，在

TaO2上高 Ta2N 同上 在低離子能量時有等方

向性 在TaO2,SiO2,Al2O3 上選擇率

高

表二、不飽和碳氟化物蝕刻反應整理

材質 氣體源 反應方向性 選擇率 Si CF4, C2F6 在低壓下高離子能

量時部分非等方向

性

SiO2, SixNy CF4, C2F6, C3F8, CHF3, CF4/C2F6-H2, CH4, C2H2/C2H4 additions

在高離子能量時非

等方向性 在Si和 III-V族化合物上高

TiO2, V2O5 同上 對 Ti高 對 V高

表三、氯和溴原子蝕刻反應整理 材質 氣體源 反應方向性 選擇率 Si Cl2, CCl4, CF2Cl2,

CF3Cl, Cl2/C2F6, Cl2/CCl4, Br2, CF3Br

在各離子能量均具

非等向性但在高壓

純氯時為等向性

對 SiO2高

III-V Compounds Cl2, CCl4, CF2Cl2, CCl4/O2, Cl2/O2, Br2

對氯化烷類和 BCl3

混合物在各離子能

量均具非等向性。

但對 Cl2和 Br2，在

某些情況下具等向

性

對 SiO2, Al2O3, Cr, MgO高

Al Cl2, CCl4, SiCl4, BCl3, Cl2/CCl4, Cl2/BCl3, Cl2/CH3Cl, SiCl4/Cl2

對氯化烷類和 BCl3

混合物在各離子能

量均具非等向性。

但若無表面反應終

止劑，則對 Cl2為等

向性

對 Al2O3 和部分光

阻高

Ti, Cr, CrO2, Au

Br2 Cl2/O2/Ar, CCl4/O2/Ar, Cl2/Ar, CCl4/Ar C2Cl2F4, Cl2

在低離子能量時非

等向性 1:1 vs CrO2 at >20% O2對 Cr高

二、 濺鍍系統

當一固體表面承受高能量離子或原子的撞擊時，就會有物質因動量傳送而從物體表面放射出來，此現象稱為濺射，濺射率(sputtering yield)為每一入射離子可濺出的靶原子數，影響濺射率的重要因素有靶材的表面結構，入射離子的質量與

能量等，濺射程序對溫度不敏感。而入射離子的能量需大於界限能量(threshold energy)才有能力將靶材原子濺出，金屬靶材的界限能量約在 10~30eV，當入射離子的能量超過界限能量後，濺射率會急速增加，當入射離子能量超過 100eV後，濺射率幾乎隨入射離子的能量呈線性的增加，而此時的濺射率才有實用的價值。

若繼續提高離子的能量，濺射率增加的趨勢變緩，濺射率達到最大值，會再緩緩

的下降，此時濺射率隨著入射離子能量的增加而下降是因為離子較深入靶材內

部，而內部原子即時被濺離其晶格位置，也未必可到達表面脫離成為被濺出的物

質。由以上的敘述我們可以解到濺鍍的基本原理。但基本上濺鍍不是一個能量效

率使用很好的物理現象，在離子轟擊靶材表面後，約有 70%的能量轉換成熱，約25%的能量用在產生二次電子，而只有約 2.2%的能量是用在濺射的步驟上，這就是為什麼濺射的靶材必須有足夠的冷卻裝置的原因，以避免表面的溫度過高，

而使的蒸鍍的現象發生在濺鍍上。 在濺射的過程中，因為產生的電子數量並不多，再加上電子可以迅速的經由其它接地區域(如 chamber wall)而從電漿中移出，如何使得電子在電漿內的數量得以維持，便成為一個重要的課題，因此便有磁控濺鍍法(Magnetron sputtering)的產生。 電子是一種帶負電荷的粒子，藉著被電漿與電極板間的電場所加速，電子將可以獲得足夠的能量，以產生並維持電漿的電中性，假如我們在電漿中加入一磁

埸，電子將會螺旋式的運動，且其運動的圓周半徑可以寫為:

qBVm

r ee

××

= --(4)

其中 em 及 eV 分別為電子的質量及運動速度，B為磁埸強度，而 q為電荷的電量，等於 )Coulomb(106.1 19庫侖−× 。雖然電子與其它粒子之間的碰撞頻率，在某

一特定壓力下是固定的，但是經磁埸的介入之後，電子往其它接地的區域的移

動將不再是以直線的方式前進，螺旋式的運動，使得電子從電漿裏消失前所經

的距離拉長，因此增加了電子與氣體分子間的碰撞次數，這使得磁控濺鍍可維

持在更低的壓力下，電漿也不會熄滅。 一般在濺鍍的過程中，除了工作氣體(惰性氣體)外，若再通入反應所需的氣體(如氧氣)，以生成所需的化合物鍍層，即稱為反應濺鍍(Reactive sputtering deposition)，而此反應氣體有可能會與靶材發生反應，因此在反應濺鍍的過程中，由靶材濺鍍出來粒子除了，中性原子、離子、二次電子外，尚有化合物分子團會

被濺射出來。

圖六、(a)傳統濺鍍系統結構(b)磁控濺鍍系統結構

三、 電漿化學氣相沈積鍍膜(Plasma Enhanced CVD)

1.半導體製程上的應用 a. 氮化矽膜 SiN Si3N4在半導體製程中是很好的擴散阻擋層(Diffusion Barrier Layer)，具高機械強度、耐氧化性、致密性，通常作為絕緣層及保護層。以前利用 Thermal CVD法製備Si3N4，以SiH4+NH3+N2在700~1000oC下反應得到。利用PECVD以SiH4+NH3

為進料可在低溫下得到含 Si、N的薄膜。因為電漿的複雜性，PECVD薄膜受到裝置及條件的嚴重影響，不能簡單決定。其參數就有 1.基板溫度、2.進料比、3.壓力、4.RF功率、5.電極結構、6.反應器結構、7.抽氣速率、8.產生電漿的方式等。其鍍膜的物理性質與傳統 Thermal CVD法的 Si3N4比較具有下列特性：

特性 Thermal CVD 900oC PECVD 300 oC 組成 Si3N4 SixNyHz Si/N比 0.75 0.8~1.0 密度(g/m3) 2.8~3.1 2.5∼2.8 折射率 2.0~2.1 2.0∼2.1 介電常數 6~7 6∼9 絕緣電壓(V/cm) 1×107 6×106 電阻(Ω•cm) 1015~1017 1015 應力(dyne/cm2) 1.2~1.8×1010 1~8×109 熱膨脹係數(1/oC) 4×10-6 4~7×10-6 顏色 無 黃 階梯覆蓋性 中等 好 熱穩定性 良好 變化，>400 oC PECVD法的 SiN膜主要性質有： 1.具良好階梯覆蓋(Step Coverage)性 2.緻密性高，可防止水分滲透 3.機械強度大 4.無裂縫、針孔等缺陷，可製成厚膜 5.附著性佳 6.含有氫原子 b. 氧化矽膜 SiO 用來作為電絕緣體及熱絕緣層。製程基本上同 P-SiN，進料換成 SiH4+N2O，其與傳統薄膜比較如下：

表四、Thermal CVD與 PECVD鍍 Si3N4膜性質比較

特性 Thermal CVD PECVD

反應氣體 SiH4 + O2 SiH4 + N2O 組成 SiO2 SiOx 膜均勻性 ±8% >±5% 介電常數(1MHz) 4.0~4.4 4.6 折射率 1.48 1.54 階梯覆蓋性 一般 優良 針孔密度(cm-2) 10~100 ≤3 應力 拉伸 壓縮 2.反應性濺鍍 (Reactive Sputtering) 濺鍍系統的原理是利用電漿中的離子，一般是氬原子，經電場加速撞擊濺鍍靶材

打出其表面原子，鍍到對面的基材上，一般將其歸類為 PVD製程。利用電漿有活化反應物及促進反應發生的功用，通入反應性氣體經電漿解離，再與濺鍍原子

產生反應，在表面形成薄膜。這種方式使的高熔點的固體也可以作為反應原料，

大大拓寬應用的範圍，稱之為反應性濺鍍法。典型的例子如氮化鈦(TiN)的合成，以鈦為靶材，將氮氣(反應性氣體)混合氬氣(濺鍍離子源)通入電漿製成。要注意的是靶材也會吸引反應性粒子，造成其表面的污染，通常在鍍膜前先將基材覆蓋

以檔板，先利用電漿中的氬離子清除靶材表面數層原子層以後再行鍍膜。 3.電漿聚合法 (Plasma Polymerization) 加高分子單體以蒸汽的方式通入反應器中可獲的電漿聚合高分子薄膜。這種鍍膜

方式可獲得異於傳統聚合法的高分子，其主要特徵是： 1.分子結構異於一般聚合方式，是過去不存在的。 2.可利用一般聚合方式無法利用的單體。例如甲烷、乙純等。 3.屬高度架橋(Cross Linking)的結構，具高耐熱性、高絕緣性、化學惰性，沒有針孔缺陷。 其反應器如圖七示，電漿聚合的生成機制為 1.單體活化、2.活化粒子擴散至基材、3.聚合反應 單體進入電漿形成許多自由基，再進行聚合反應，聚合反應是在氣相或表面或兩

者同時發生，膜的型態隨壓力、進料流量和電漿功率而變。其可能的機構如下：

表五、Thermal CVD與 PECVD鍍 SiO2膜性質比較

圖七、電漿聚合反應器裝置

平行板電極 RF

基材 基材

RF 感應線圈

氣體入口

電容式電漿反應器 電感式電漿反應器

Mi

Mi*

*Mk*

Mi* + M

Mi* + *Mi

Mi* + *Mi*

MiM*

MiMi

MiMk*

*Mk* + M

*Mk* + *Mi*

*MkM*

*MkMi*

圖八、電漿聚合可能的反應機構，其中Mi表示起始單體(initial monomer)，經電漿反應成(Mi*)或(*Mk*)自由基，這些自由基再和其他氣體分子(M)或自由基(Mi*)、(*Mk*)鍵結反應，生成各種大分子或大自由基，這些粒子可能會被電漿分解成小自由基或再經過另一個循環形成更

大的分子或自由基。

高密度電漿(High Density Plasma)

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) 。圖十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。

Fig. 2-4 The diagram illustrating the principle of inductively-coupled-plasma [42].

圖九、感應耦合式電漿工作原理

電子迴旋共振器(Electron Cyclotron Resonator, ECR)

電子迴旋加速器為日本於 1982年開發出來，係利用電子在磁場中迴旋的頻率 和微波的頻率 2.45GHz 一致時，會合微波產生共振現象，而在低壓下吸收高強度的微波功率形成高密度電漿。 當電子受一磁場作用時，電子會繞著磁力線作螺旋軌跡圓週運動，其所受的向心

力來自於與磁場的作用，則

e

e

mRBeVBVe

RVm

vvvv

v

=⇒×=2

)(9922.2722

GHzBmeB

meB

RV

e

cece

ece

vvvv

≅==⇒==ππ

ϖνϖ

其中，me代表電子質量；V代表電子速度，B代表磁力，R代表電子繞磁力線的半徑；νce代表電子迴旋頻率

圖十、成大化工系電漿實驗室開發 ICP電漿實際照片

當 GBGHzce 87545.2 ≅⇒=v

ν

由上式計算得知當 B=875G時，電子的迴旋頻率和微波的 2.45GHz一樣，因而可共振吸收微波。

Helicon Helicon反應器係利用天線配合磁場產生 helicon wave以形成極高密度電漿。典型 Helicon反應器及天線設計如圖十二所示：利用天線產生電磁波與軸向的磁場形成 helicon wave，此波即可傳遞藉由碰撞振動(Collision damping)及非碰撞蘭道振動(Collisionless Laudau damping)將本身能量傳遞給電漿。Helicon Wave其傳遞沿著軸向，而在徑向形成駐波，其截面形成波形圖案如圖十三所示，實際 Helicon反應器如圖十四、圖十五所示。

圖十一：典型 ECR系統(a)系統結構(b)軸向磁場變化，顯示有一或多個共振區，視磁場數目而定

圖十二：上圖為 Helicon右手螺旋天線；下圖為左手螺旋天線設計

圖十三：Helicon反應器截面波形分佈，其中實線為磁力等位線，虛線為電力等位線

圖十四：由 Lucas Signaton公司出產 Vortex Helicon Etcher

圖十五、Helicon反應器結構圖(MØRITM Helicon Reactor)

真空電弧(Vacuum Arc) / PIII (Plasma Immersion Ion Implantation)

既然我們所能用電場吸引的只有帶電離子(電子當然也會被吸引，但他打到基板只是產生熱，沒有鍍膜、蝕刻等特性)，想像一種狀態是整個反應腔體幾乎只存在離子，其選擇性最高，所能達到的深寬比亦將是最大，這就是 PIII技術。基本上係配合電弧技術，藉施加一個脈衝式電源給基板即可將離子一個一個垂直

的拉到基板，而整個製程的心臟為真空電弧電漿源。所謂真空電弧電漿與一般的

輝光放電不一樣的是其離子源並非來自於解離氣體，而是電極本身，但又與濺鍍

技術藉打出靶材原子進行鍍膜不同的是其產生的是離子態。真空電弧技術所需要

的電源供應器為便宜的直流電源(DC)，設備簡單維修容易，而其結合了蒸鍍高鍍膜速率及高密度電漿高解離率等優點，是一個關鍵的鍍膜技術。

在真空環境下，當正負極距離很近時只需要提供極小的電壓就可以產生放

電，當電流提高電極溫度跟著提高，一旦電流足夠大時電漿的特性會將放電區域

集中在陰極上的一小點，稱為弧根(Spot)，其結構如圖十六所示，此點的溫度可以想像會較其他區域的溫度上升的更快，在足夠的高溫下，電弧呈現自我維持狀

態，在此熱電子由弧根發射撞擊到氣體分子而產生解離，氣體離子再受到陰極的

吸引打回陰極靶產生更多的熱因而放出更多的熱電子。在原理說明時提到電弧放

電是一個惡性循環，是失控的狀態，此時唯有維持電流量才能控制整個放電狀

態。弧根是高電流集中流過的點，其溫度已達到該材料的熔點，甚至到達昇華溫

度，所以其鍍膜速度較其他方法快，陰極材料氣化脫離表面，正好經過高解離的

電漿區，因而很快的解離成離子態，這就是為何此技術解離率幾乎達到 100%。弧根並非固定在陰極上而會在整個陰極靶材上快速移動，其移動方向及速度可由

外加磁場加以控制。弧根高溫造成陰極靶材的局部氣化會伴隨大顆粒的金屬液滴

(即Macroparticles之由來)，此大顆粒的金屬液滴是此技術最大的致命傷，文獻指出，金屬液滴直徑範圍在 10-6~10-9mm之間，因為金屬液滴造成鍍膜均勻度及光滑性下降，對於鍍膜品質產生不良的影響。

全世界有許多研究群針對 VAC進行研究，不過到目前為止還不能夠解決金屬液

熔融液態

固態陰極 固態陰極

氣化

熱電子

電漿

離子流 液滴微粒

圖十六：弧根結構與形成機構示意圖

滴問題。現在普遍採用磁場過濾的方式去除掉金屬液滴，不過對於電漿密度、解

離率皆有極大的損耗，到達基板之離子數大約為電弧源產生離子數目的 1%。 由於一般的磁場過濾裝置多為呈 90o導管，外加磁場裝置限制離子前進的途徑，

如下圖所示。但這種裝置雖然可以完全消除大顆粒，但亦會造成離子數目的大量

消耗。

以上介紹的一些常見的高密度電漿，其中部分因牽涉到較高深的電漿物理，並沒

有作深入的說明，而這些亦並非就是全部的技術，另外的高密度電漿如中空陰極

電漿(Hollow cathode plasma)、表面波(Surface wave)及螺旋共振器(Helical Resonator)等限於篇幅並未描述。電漿技術進步的腳步很快，在台灣對這方面的研究還只是剛起步，必須仰賴外國進口機台而沒有自己研發的能力，比較令人欣

慰的是近幾年開始有台灣自行開發技術的廠商推出產品，希望不久的將來這方面

的技術能在台灣開發結果。

圖十七、 典型磁場過濾裝置 陰極電弧靶材 基板 90o導管 磁場

結語： 電漿反應產生豐富的活性粒子可以利用之來進行許多工作。本文概略的介紹

電漿產生的原理與普遍使用在半導體業的一些反應器，後半段介紹的高密度電漿

則是近幾年許多先進國家為因應愈來愈嚴苛的需求所積極開發的技術，台灣在電

漿技術的開發有明顯落後的趨勢，仰賴進口機台來從事生產的工作，值得慶幸是

近幾年來終於在國際相關展覽上見到國人自行研發的機台。電漿並非只能用在高

科技的半導體製程上，而電漿現象亦非多麼艱澀難懂的理論，希望藉由本文的簡

介讓更多相關產業瞭解電漿的相貌，期待能有更多的人才投入研究。

參考文獻： 1. B. N. Chapman, Glow Discharge Processes, John Wiley & Sons, 1980

2. J. L. Vossen, W. Kern, Thin Film Processes II, Academic Press, 1991

3. M. A. Lieberman, A. J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and

Materials Processing, John Wiley & Sons, 1994

4. M. Konuma, Film Deposition by Plasma Techniques, Springer-Verlag, 1992

5. 洪昭南, 電漿反應器, 化工技術, 1995

6. 洪昭南, 郭有斌, 以化學氣相沉積法成長半導體薄膜, 化工技術, 2000