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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，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。
e- + Ar →Ar* →Ar + hν (3)
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。
參考文獻：
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