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奇妙的電漿與電漿的應用

  電漿(稱做等離子體),它是在固態液態氣態以外的第四大物質狀態。在日常生活中使用的日光燈就是電漿的應用,隨著科技日益進步電漿也廣泛的應用在半導體製造中,像薄膜沉積製程中的濺鍍、化學氣相沉積;蝕刻製程的乾式蝕刻與佈植技術方面,都是用電漿原理來實現半導體的製程,而其中佈植領域的電漿浸潤式離子佈植 (簡稱:PIII) 就是半導體製程的換膚手術。如今人類與電漿接觸的機會越來越多,電漿研究對基本物理發展扮演極為重要的角色。

什麼是電漿?

      電漿(又稱做等離子體),它是在固態液態氣態以外的第四大物質狀態,其特性與前三者完全不相同。氣體在高溫或強電磁場下,會變為電漿。電漿為一種帶有等量的正電荷與負電荷的離子化氣體,它是由離子、電子與中性的原子或分子所組成的。電漿被科學家稱為物質的第四狀態,科學家估計宇宙中有近百分之九十九的物質都是以電漿狀態存在。

電漿的產生方式

      藉由外加的能量來促使氣體內的電子獲得能量並且加速撞擊不帶電中性原子,由於不帶電中性原子受加速電子的撞擊後會產生離子與另一帶能量的加速電子,這些被釋出的電子,在經由電場加速與其他中性原子碰撞(如圖(一)所示)。如此反覆不斷,進而使氣體產生崩潰效應 (gas breakdown),形成電漿狀態

圖(一) 撞擊示意圖。圖(一) 撞擊示意圖。

日常生活中的電漿

    而在我們日常生活中的所使用的日光燈就是電漿的應用,燈管內充滿了低壓氬氣或氬氖混合氣體及水銀蒸氣,而在玻璃螢光管的內側表面塗上一層螢光物質,在燈管的兩端設有由製成的燈絲線圈。當通電之後,電流會通過燈絲加熱並且釋放出電子,電子會把管內氣體變成電漿(plasma),並讓日光燈管內的電流加大,當兩組燈絲間的電壓超過一定值之後燈管開始產生放電,使水銀蒸氣發出紫外線,燈管內側表面的螢光物質會吸收紫外線,並釋放出可見光。(如圖(二)所示)。

圖(二)日光燈示意圖。圖(二)日光燈示意圖。

半導體的電漿與半導體換膚手術

    隨著科技日益進步電漿也廣泛的應用在半導體製造中,像在薄膜沉積製程中的濺鍍 (Sputtering)、電漿化學氣相沉積 (PECVD) ;蝕刻製程中的乾式蝕刻 (Dry etching) ;在佈植技術方面,離子佈植機的離子源頭 (Source Haed) 以及電漿浸潤式離子佈植 (plasma immersion ion implantation)(如圖(三)所示),都是用電漿原理來實現半導體的製程,而其中電漿浸潤式離子佈植 (簡稱:PIII) 就是半導體製程的換膚手術。我們利用產生的電漿與腔體內的製程氣體發生碰撞讓氣體離子化,而離子化的氣體會被吸引到晶片上進行表面改質(如圖(四)所示),讓原本純矽的半導體因摻雜了砷形成N型半導體,或是摻入了硼形成P型半導體,因而形成晶片表面的換膚手術(如圖(五)所示)

圖(三)半導體的製程機台示意圖。圖(三)半導體的製程機台示意圖。
圖(四)電漿浸潤式離子佈植腔體示意圖。圖(四)電漿浸潤式離子佈植腔體示意圖。
圖(五)N、P型半導體的示意圖。圖(五)N、P型半導體的示意圖。

結語

  隨著科學技術的發展和社會的進步,人類與電漿接觸的機會越來越多,人造電漿在實驗室和工業界大量地出現,人類對電漿的依賴也越來越大。電漿研究對基本物理發展扮演極為重要的角色,同時也因被廣泛地應用而呈現出更為寬闊的願景。