电浆的基础讲解
何谓电浆
何謂電漿?電漿電視又是什麼?一般說物質有三態固態液態與氣態由於原子間的交互作用當原子相互間有固定結構時處於所謂固態每個原子基本上在固定帄衡位置上微小振幅的振動(此振動的巨觀表現就是溫度)當溫度增加時使得每個原子獲得更多動能振動的更厲害於是原子間無法保持固定結構但是仍然具有相互吸引力而聚在一起因此通常液體的形狀隨容器而改變但是維持固定的體積(從固體轉變成液體狀態的過程所吸收的熱量破壞原子間固定的鍵結且距離更遠了)當溫度繼續提昇原子獲得更多動能則彼此間距離愈拉愈長終於破壞彼此間相聚的狀態而成為氣體(想一想18克的水變成氣體時所佔體積從原來18cc 變成24.5升左右增加了1000倍以上難怪攝氏100度每克水需要吸收539卡的熱量才能轉變成同溫度的氣體)此時原子間幾乎不再有交互作用(很微弱) 每個原子的運動相互獨立而成為氣態所謂電漿態Plasma 則是將原子外層的電子和原子分離彼此獨立如同氣體狀態的運動由於來源是中性的原子內部有等量的正離子與電子數目(大陸上plasma翻成為等離子體便是取其涵義)這些正負電荷的離子再同一個區域內猶如氣體分子般運動可以利用磁場等將其限制在區域內地球上處於電漿態的情形相對較少例如日光燈管內有微弱的比例處於電漿態但是地球大氣層以外的世界幾乎98%以上的區域都處於電漿態如太陽的內部電漿態的離子會再度結合也會因碰撞而將原子有分離這些過程都會產生電磁波詳見本網站日光燈的原理所謂電漿電視便是利用類似日光燈的原理在螢幕區域分成千萬個封閉低壓的空氣腔可以說每個就像一個小日光燈內部有微量氖氣neon和氙氣xneon然後每一個腔內背面都分別有塗紅綠藍的螢光劑當施加電壓時腔內會產生電漿放電產生紫外光這些紫外光打在螢光劑上後能量被吸收釋放出對應的可見光便形成光點影系統的光點分布必形成電視畫面那現在的核融合實驗爐利用電漿把反應的物質限制於一個區域內，使得其高溫不會接觸到爐體，也是利用這種原理，那麼他是如何將反應的物質放入電漿中呢？？？？？核融合所討論的電漿和日光燈管內的電漿有些差別日光燈管內游離的電漿所佔比例很少核融合電漿幾乎全部都游離了核融合不是將反應的物質放入高溫的區域內是直接加熱反應的物質使其達到電漿態足夠高溫時觸發核融合反應這是傳統的核融合電漿實驗另外也有利用雷射將反應的物質瞬間加熱使其達到核融合的條件生等离子效应，放出紫外线，激发三原色，红蓝绿RGB三原色的发光体不经由电子枪扫描或背光的明暗所产生的光，而是每个个体独立发光的，产生不同三原色的可见光，并利用激发时间的长短来产生不同的亮度。
电浆与溅镀原理简介
8KW × 2S × 3靶 ＝ 8KW × 3S × 2靶
低功率時，鍍膜速率與功率非呈線性
8KW × 2S × 3靶＞4KW × 4S × 3靶＞2KW × 8S × 3靶
友威科技-電漿與濺鍍原理簡介 10
T/S 距 離
1.靶材到基板距離
2.T/S短可增加鍍膜率,但基板受熱亦增加 3.T/S太長,則沉積的靶原子與其他粒子碰撞機 率增大 →鍍膜速率降低
＜ 10-2
10-2 ~ 10
10 ~ 105
＞ 105
友威科技-電漿與濺鍍原理簡介 7
製程氣體通量
1.通入太少 →無法維持電漿 2.通入太多 →未參與碰撞之Ar變成殘餘氣體
→增加pump之負荷
→與靶原子一起沉積在基板上的 機率變大 3.須視鍍膜壓力來設定通入量
友威科技-電漿與濺鍍原理簡介 8
鍍 膜 功 率
友威科技-電漿與濺鍍原理簡介 2
Ar+ Ar Ar
eeAr+ Ar Al Ar Al Ar
eAr
Pump
抽真空
基板
撞 擊 狀 況
Al 靶材 ee-
Ar+
Al 圖一適當能量 Ar埋入
Ar+ 圖三 能量不足
Ar+ e-
Ar e圖四 撞擊角度不恰當
Ar+ 圖二 能量過量
友威科技-電漿與濺鍍原理簡介 3
鍍 膜 參 數
濺鍍集中區域
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什麼是RF
RF：Radio Frequency射頻
頻率範圍：50KHz~100MHz RF電漿：13.56MHz RF加熱：400KHz
友威科技-電漿與濺鍍原理簡介 14
电浆预处理
电浆预处理
电浆预处理是一种常用的表面处理技术，主要用于塑料、金属、陶瓷等材料的表面处理，以提高其表面能，增强其粘附力和印刷性能。
电浆预处理的基本原理是利用等离子体中的高能粒子对材料表面进行轰击，使材料表面的原子或分子的电子被剥离，形成带正负电荷的离子或自由基。
这些离子或自由基具有很高的活性，可以在材料表面进行化学反应，形成新的化学基团或层，从而改变材料表面的化学性质。
电浆预处理的优点包括：
1.适用范围广，可以处理各种材料表面；
2.处理效果好，可以提高表面能、增强粘附力和印刷性能；
3.操作简单，自动化程度高；
4.环保无污染。
在电浆预处理过程中，需要注意以下几点：
1.调整电浆参数，如功率、气压、处理时间等，以达到最佳的处理效果；
2.注意保护材料表面不被电浆腐蚀或氧化；
3.注意电浆处理后材料表面的清洁和干燥；
4.注意安全操作，避免电浆对人体和环境造成伤害。
电浆原理与电浆清洗机简介I
Source of some figures: gouge.free.fr/ AND http://ridge.icu.ac.jp/biobk/BioBookCHEM1.html
為什麼電漿有用？
電漿中含有電子、離子以及氣體原子。低溫電漿是 因為僅有一部份質量輕的電子在快速躍動著，而氣 體中的原子與分子相互碰撞。通常高溫是化學反應 的必要條件，但在這裡低溫也能有所作為。 另一方面，電漿能發出各式各樣的顏色光(紫外光和 可見光等等)，而我們能利用這個特性來做照明。
Turbo pump
機台部品使用
多用途真空計控制器 Ion Gauge高真空計
MKS 627B (金屬外殼可加熱式)
熱對流式低真空計
機台部品使用
RF power Generator
ICP Power與Bias Power均使用美國 AE dressler 或是 德國Cito系列 13.56MHz 的RF Power，含相位鎖 定功能，不會產生power之間的干擾。 ICP Power Max: 1000 Watt Bias Power Max.: 600 Watt
腔體需加裝ㄧ介電窗才可導入感應磁場
為得到更有效率的蝕刻製程，便發展出所謂變 壓耦合式電漿源（Transformer Coupled Plasma, TCP）以及感應式耦合電漿源的高密 度電漿系統。TCP與ICP兩者在名稱上雖有不 同，但其實為同一原理。統稱為ICP system。 基材與腔體等電位
Down Stream Mode (Inductive Coupled Plasma)
Pressure Control
Pumping
Temperature Control
機台部品使用
Angle Valve
电浆原理 for ASE Trainning
RF Power Generators
132mm*38mm LCD顯示面板， 可同時監控所有相關數據。
Automatching Network 控制區 ，提供匹配網路之電容值調校。
Program程式選單
RF power控制
Automatching Networks
依據電磁波傳輸原理，要達到 最大的功率轉換效益，在電負載之間 的阻抗必需匹配。 市面上常見之RF Generator 設計之輸出端阻抗通常為50Ω，而負 荷端Plasma Reactor的阻抗通常僅有 僅有0.5~10Ω，此時就需要一個良好 的匹配網路系統來平衡負載之阻抗。
波義爾定義 P1V1=P2V2 Plasma working pressure about 25mtorr 25/760000=28.14/V1 V1=855456L(1mole粒子在25mtorr, 70℃下所佔的體積 d=6.02x1023/855456=7.04x1014個/c.c
λ=0.507cm 電漿環境中的平均自由路徑
反應性離子蝕刻(Reactive Ion Etching 簡稱RIE)
最為各種反應器廣泛使用的方法，便 使是結合(1)物理性的離子轟擊與(2)化 學反應的蝕刻。此種方式兼具非等向 性與高蝕刻選擇比等雙重優點，蝕刻 的進行主要靠化學反應來達成，以獲 得高選擇比。加入離子轟擊的作用有 二：一是將被蝕刻材質表面的原子鍵 結破壞，以加速反應速率。二是將再 沈積於被蝕刻表面的產物或聚合物 (Polymer)打掉，以使被蝕刻表面能再 與蝕刻氣體接觸。而非等向性蝕刻的 達成，則是靠再沈積的產物或聚合物， 沈積在蝕刻圖形上，在表面的沈積物 可為離子打掉，故蝕刻可繼續進行， 而在側壁上的沈積物，因未受離子轟 擊而保留下來，阻隔了蝕刻表面與反 應氣體的接觸，使得側壁不受蝕刻， 而獲得非等向性蝕刻。
电浆的基础
直流电浆源[Direct Current (DC) Plasma], 用 于离子佈植机(Ion Implanter) 射頻电浆源[Radio Frequency (RF) Plasma], 用于感应式耦合电浆(ICP) 在抽至高真空的反应室内的两个平行板电极之 间加上电压来產生电浆
电浆的产生
由於这两个平行板 电极就好像电容器 中的电极,所以也称 為电容耦合型 (Capacitively Coupled)电浆源
RF电浆的产生
两电极中通RF高电压,产生交流电场 如RF能量够高,自由电子会被加速 直到自由电子得到足够的能量来和反应室中的 原子或分子碰撞以产生另一个离子和另一个自 由电子 离子化碰撞是一连串的反应,因此整个反应室 就迅速地充满了等量的电子和离子,也就是充 满了电浆
A* → A + hv hv 是光子能量, h是蒲朗克常數,v为決定电浆发光顏色 的发光頻率
松弛过程(Relaxation Collision)
1
h: 蒲朗克常數 v: 光子頻率
hv 激發態 hv
原子核
基態
分解碰撞(Dissociation Collision)
电子和分子碰撞时,如果因撞击而传递到分子的能量会 比分子的键结能量要高戥,那就能打破化学键并且产生 自由基(Free Radicals) e- + AB → A + B + eAB 是分子,而A和B两者都是由分解碰撞所產生的自由 基 自由基是至少带有一个不成对电子的一种分子碎片,因 此并不稳定 自由基在化学上是非常活泼的,因為它们有一种狠强的 倾向去抢夺其他原子或分子的电子以形成稳定的分子
弄懂锂电池浆料必须了解的理论知识
弄懂锂电池浆料必须了解的理论知识一、胶体理论导致胶体粒子团聚的主要作用，是来自粒子间的范德华力，若要增加胶体粒子稳定性，则由两个途径，一是增加胶体粒子间的静电排斥力，二为使粉体间产生空间位阻，以这两种方式阻绝粉体的团聚。
最简单的胶体系统系由一分散相与一相分散媒介所构成，其中分散相尺度范围于10-9~10-6m间。
胶体内的物质存在于系统内需具有一定程度以上的分散能力。
根据溶剂与分散相的不同而可产生多种不同的胶体型态，如：雾气即为液滴分散于气体中之气胶、牙膏即固态高分子微粒分散在液体中的溶胶。
胶体的应用在生活中比比皆是，而胶体的物理特性需视分散相与分散介质的不同而有所差异。
从微观角度观察胶体，胶体粒子并非处于恒定状态，而是在介质内随机运动，这便是我们所称的布朗运动(Brownian motion)。
绝对零度以上，胶体粒子均会因热运动而发生布朗运动，这便是微观胶体的动力学特性。
胶体粒子因布朗运动而产生碰撞，是为团聚(aggregate)发生的契机，而胶体粒子在热力学上处于不稳定状态，因而粒子间的交互作用力为分散的关键因素之一。
1-1，胶体动力学性质布朗运动起始自19 世纪初，植物学家布朗由显微镜观察到花粉粒子在水中的不规则运动得名。
粒子因温度而造成布朗运动后将产生碰撞行为，由粒子表面的范德华力引起团聚现象。
胶体的凝聚速率与以下两者有密切的关系：1）胶体粒子间彼此碰撞的频率，2）粒子经碰撞后，产生的热能是否足以克服胶体间的排斥能量。
Smoluchowski 提出胶体快速凝聚理论，是由浓度差造成扩散速率所控制。
胶体粒子团聚的速率为：(1)n表示在时间t时，单位体积溶液所含的胶体粒子数，k2为二次反应速率常数(second-order rate constant)。
由于团聚使得溶液中的胶体粒子浓度减少，因此以表示为负号。
当t=0，n=n0, 积分上式可得：(2)胶体部分团聚后，由于排斥能障将随粒子的粒径增加而成长，溶液将达到平衡，使得凝聚速率下降。
电浆基础实验
電漿基礎實驗何主亮教授編撰一、實驗目的本實驗的目的在於親自動手體驗輝光放電電漿的產生過程,並透過實驗觀察與記錄，了解電漿特性及基本行為,以便未來投身在電漿材料製程中能夠嫻熟運用這些基本定律。
二、實驗原理電漿(Plasma)是物質的第四態，內能和動能遠高於固態、液態和氣態，因而可玆用於：1.材料加工製造：電弧融鍊(Arc refinement) 及電漿融射(Plasma spraying)。
2.薄膜製造：濺鍍(Sputter deposition)、電漿輔助物理氣相沉積(Plasma assisted physicalvapour deposition)及電漿輔助化學氣相沉積(Plasma assisted chemical vapour deposition)。
3.表面改質：電漿氮化(Plasma nitriding)、離子佈植(Ion implantation)4.發電與推進：高效率的MHD發電(Magnetohydrodynamic energy conversion)、核融合發電(Nuclear fusion power generation)、太空推進(Spacecraft ion propulsion)。
5.材料分析：感應藕合電漿分光分析儀(Inductively coupled plasma optical emissionspectrometer)、輝光放電分光分析儀(Glow discharge optical emission spectrometer)。
6.光源：霓虹燈(Neon light)、雷射(Laser light)電漿的定義是一團帶電荷的氣体分子，並且其中的正電荷（通常為正離子）和負電荷（通常為電子）總數約略相等；換言之電漿整体呈電中性。
通常被激發成電漿態的氣體除了這兩種帶電荷粒子之外，還有若干激動狀態的中性氣體分子。
故通常電漿內含有中性氣體分子、離子、電子和激動狀態的中性氣體分子。
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原子核
基態
分解碰撞(Dissociation Collision)
电子和分子碰撞时,如果因撞击而传递到分子的能量会 比分子的键结能量要高戥,那就能打破化学键并且产生 自由基(Free Radicals)
e- + AB → A + B + e AB 是分子,而A和B两者都是由分解碰撞所產生的自由
在抽至高真空的反应室内的两个平行板电极之 间加上电压来產生电浆
电浆的产生
由於这两个平行板 电极就好像电容器 中的电极,所以也称 為电容耦合型 (Capacitively Coupled)电浆源
RF电浆的产生
两电极中通RF高电压,产生交流电场 如RF能量够高,自由电子会被加速 直到自由电子得到足够的能量来和反应室中的
游离率也与压力,电极间的距离,製程气体的种 类以及电浆反应器的设计有关
控制施加的功率→控制电子能量→控制游离率
电浆的产生
直流电浆源[Direct Current (DC) Plasma], 用 于离子佈植机(Ion Implanter)
射頻电浆源[Radio Frequency (RF) Plasma], 用于感应式耦合电浆(ICP)
离子化碰撞(Ionization Collision)
当电子与一个原子或一个分子相碰撞,它会将 部分的能量传递至受到原子核或分子核所束缚 的轨道电子上
如果轨道电子获得的能量而足以脱离核子的束 缚,它就会变成自由电子
e- + A → A+ + 2 e (e-代表电子,A代表中性原子或分子,而A+代表
原子或分子碰撞以产生另一个离子和另一个自 由电子 离子化碰撞是一连串的反应,因此整个反应室 就迅速地充满了等量的电子和离子,也就是充 满了电浆
电浆中的碰撞
有许多非弹性碰撞的种类会同时发生在电浆中: 电子和中性分子、中性分子和离子、离子和离 子、电子和离子等
使用在半导体製程中的电浆而言,有叁种碰撞 是最重要的: 离子化碰撞(Ionization Collision), 激发和松弛碰撞(Excitation-Relaxation Collision),以及分解碰撞(Dissociation Collision)
基 自由基是至少带有一个不成对电子的一种分子碎片,因
此并不稳定 自由基在化学上是非常活泼的,因為它们有一种狠强的
倾向去抢夺其他原子或分子的电子以形成稳定的分子
分解碰撞(Dissociation Collision)
自由基能够促进蚀刻和CVD反应室的化学反应 例如, 在氧化物蚀刻和CVD反应室清洁的步骤
激发原子或分子会迅速地松弛到原来的基态, 并以光子的型态把它从电子撞击中所获得的多 餘能量释放出来,即是发光
A* → A + hv hv 是光子能量, h是蒲朗克常數,v为決定电浆发光顏色
的发光頻率
松弛过程(Relaxation Collision)
1
h: 蒲朗克常數 v: 光子頻率
hv 激發態
e- + A → A* + e-
A*是激发状态下的A,撞(Excitation Collision)
1
基態電子
激發態電子
撞擊電子
入射撞擊電子
原子核
原子核
松弛过程(Relaxation Collision)
激发状态既不稳定而且短暂,在激发态轨道的 电子无法在此能量较高的轨道层中停留太久, 它会掉回到最低的能阶或基态,这个过程就叫 松弛(Relaxation)
在电浆中,电子的浓度大约和离子的浓度相等, 即ne = ni
电子浓度对所有气体浓度的比例被定义為游离 率(Ionization Rate)
游离率 = ne/(ne+nn) ne =电子浓度,ni =离子浓度,nn =中性原子或分
子的浓度
电浆的成份
半导体製程所使用之电浆的游离率通常都狠低, 例如PECVD所產生的游离率大約是小于 0.0001%,RIE的大约是小于0.01%,而ICP的大约 是1至5%
正离子)
离子化碰撞(Ionization Collision)
12
軌道電子
入射撞擊電子
原子核
原子核
兩個自由電子
激发和松弛碰撞(Excitation-Relaxation Collision)
在碰撞的过程中,有时候轨道电子无法获得足 够的能量来逃脱原子核的束缚
但碰撞后,电子能传递足够的能量而使轨道电 子跃升到能量更高的轨道层, 这个过程称为激 发(Excitation)
中: e- + CF4 → CF3 + F + e-
分解碰撞(Dissociation Collision)
入射撞擊電子
B A
B A
电浆的基础原理
1
电浆的定义
电浆 (plasma) 又名等离子 定义: 具有等量的正电荷和负电荷的离子气体,
就是有着带电与中性粒子之準中性的气体 以能量而言,可将电浆视為物质的第四态
Solid → Liquid → Gas → Plasma
电浆的成份
成份: 中性原子或分子,负电(电子)和正电(离 子)