｜大氣電漿大面積薄膜沉積技術

摘要：電漿技術發展至今已廣泛應用於各產業，特別於光電產業之製程應用為最；然而，習知的電漿技術需於真空環境下進行，對於欲處理之工件會受限於真空腔體之尺寸大小。本文乃介紹工研院機械所於大氣壓電漿（Atmospheric Pressure Plasma，APP）製程設備技術之開發及其應用，內容包括大氣壓電漿技術之特色與比較、電漿機構設計與分析模擬及針對大面積薄膜沉積於光電產業之應用。

Abstract: Plasma technology has been widely used in various industries, especially in process applications in the optoelectronics industry. However, conventional plasma technologyrequires a vacuum environment, and the work piece for treatment is limited by the size of the vacuum chamber. This article introduces the MSL/ITRI atmospheric pressure plasma technology (APP) in the development of process equipment technology and its applications, including the characteristics of the atmospheric plasma technology and compares the design and analysis of simulation for large institutions and plasma in the application area of optical thin film deposition industry.

關鍵詞：大氣電漿、薄膜沉積、氣流場分析

Keywords：Atmospheric Pressure Plasma, Thin Film Deposition, Simulation of Gas Flow

前言
電漿化學氣相沉積（Plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）功能性薄膜，如矽薄膜、氧化物、阻障層或其他相關材料薄膜，是現在半導體元件和先進的技術中不可或缺的技術。這是由於電漿化學氣相沉積與大多數的材料都相容，並且能夠準確的控制沉積厚度和化學組成性質。對於如何進一步的提昇電漿化學氣相沉積的速率及降低沉積溫度是相當重要的。然而以現有的電漿化學氣相沉積技術要實驗性的在低溫下提升薄膜沉積速率可能無法辦到，這是由於薄膜的結構組成是由電漿的內部參數：如自由基組成、薄膜成長的表面電漿鞘及基板表面能等等的反應相互影響著。因此，如何在兼顧低溫下提高沉積速率必須在實質上引入一個新的電漿動力學概念。採用不同的電漿源而不致使基板加熱就顯得格外的重要，因為若是要使沉積速率在低的基板溫度下增加，表面反應必須要相對的加速。由氣相及薄膜表面生成的觀點來看，以電漿在大氣壓力下進行沉積或許是一個潛在的解決方法。

大氣壓電漿（或稱為常壓電漿）乃指於一大氣壓或接近一大氣壓之狀態下所產生的電漿，在過去的二十年中業界及研究單位發展了許多非熱平衡的大氣壓電漿，相較於低壓真空電漿技術的設備成本而言，由於大氣壓電漿系統不需使用昂貴且龐大之真空設備，於成本上有絕對的優勢，更進一步的可以使製程產線簡化。大多數使用這些大氣壓電漿來沉積鍍膜的皆聚焦於氧化薄膜或碳薄膜。另一方面而言，由於大氣壓電漿的高碰撞頻率造成對基材的低離子轟擊能量，使得大氣壓電漿可以對較為柔軟的基材進行製程，因此，大氣壓電漿技術對於高質量功能性薄膜，如適用於電子裝置的半導體或絕緣層薄膜這類的發展是很有吸引力的。
大氣壓電漿技術應用於沉積薄膜在工業上的考量目標則聚焦於產線上連續處理、大面積和高產能的沉積速率。這是由於直接以大氣壓電漿技術應用在薄膜沉積有望同時實現低成本和高產量，在各種工業應用上已受到越來越多的關注。然而大氣壓電漿於鍍膜應用而言，還未能有效的克服如大面積鍍膜均勻度與鍍膜速率等幾項工業需求；本文主要針對大氣壓電漿介電層屏蔽放電（Dielectric barrier discharge, DBD）型式於大面積鍍膜方面之發展進行簡介。

線型大氣壓電漿源開發與應用
2.1 大氣電漿技術簡介
大氣壓電漿源的型式相當多元，而其中電漿源產生方式是分類的方式之一。目前產生電漿的方法以使用的功率源而言有直流放電（DC discharge）、低頻及中頻放電（數KHz到數MHz）、射頻放電（13.56 MHz）及微波放電（2.45 GHz），見圖1。
就電極結構及放電型式而言大致可分為電漿火炬（Plasma torch）、尖端放電（Corona discharge）、噴射式大氣電漿（Atmospheric pressure plasma jet, APPJ）以及介電質放電（Dielectric barrier discharge）等數種型式，以下針對其設計結構、特性與相關應用做一說明。