等離子體基礎知識介紹

一、什麼是等離子體（plasma）？

等離子（plasma）是除固體、液體、氣體之外的第四種物質狀態，主要是由氣體在高電磁場作用下發生解離，形成一種包括電子（帶負電），正離子（帶正電），自由基和中性氣體分子組成的高活性物質，通產情況下會發光，一般情況下，等離子中的正電荷數等於負電荷數，所以整體呈電中性（Quasi-neutral）。日常生活中見到的閃電、日光燈、霓虹燈就是等離子體發光現象。

圖1 物質的四種狀態

二、等離子的產生

等離子的產生有很多種方法，但生成和維持都需要外部能量的輸入。電子從外加電磁場獲得能量，然後發生非彈性碰撞產生激發（excitation）、解離吸附（dissociative attachment）、解離（dissociation）、離子化（ionization）、在結合（recombination）反應，由此產生二次電子、原子、分子、離子等物質，然而在解離碰撞中，電子可能與氣體離子有再結合作用，或者因為漂移及擴散而離開電磁場範圍等原因消失，因此當電子產生與消失的速率相等時，此時的plasma即為穩定狀態。這裡列舉四種ETCH常用產生plasma的方法，後面會詳解介紹。

CCP：Capacitively Coupled Plasma

ICP：Inductively Coupled Plasma

TCP：Transformer Coupled Plasma

ECR：Electron Cyclotron Resonance

圖2 plasma產生示意圖

三、等離子體的參數

平均自由路徑（Mean Free Path，MFP）：

粒子與粒子碰撞前能夠移動的平均距離。MFP與環境壓力P呈反比，壓力越高，MFP越短，壓力約低，MFP越長，這就是為什麼plasma產生要在低壓近似真空環境下產生，因為在大氣壓力下（760Torr），電子的MFP很短，很難獲得足夠的能力來使用氣體離子化。

圖3 MFP示意圖

電離度：

等離子體中電子濃度佔離子和中性粒子濃度之和的比例。電離度主要取決於plasma中電子的能量，大部分plasma反應室中的電離度低於0.01%，高密度等離子體的電離度約1%~5%，太陽中心處的電離度近似100%。

四、等離子體的應用

目前等離子體技術廣泛應用於各類產業，如半導體產業，生物醫藥產業，食品與化工產業，汽車零件產業等，後面文章介紹plasma在半導體ETCH中的應用。

圖4 ETCH chamber 示意圖