在所使用的樣品中，包含矽（鍺）奈米微晶於奈米孔洞二氧化 矽薄膜，以及矽奈米微晶於氮化矽中的兩種樣品，因為我們都需要利 用到高密度化學氣相沈積系統，在此先介紹以此系統發生反應的理論 背景，以及在眾多化學氣相沈積系統中，我們選擇高密度電漿化學氣 相沈積系統的原因。
2-1 實驗原理 2-1-1 電漿原理
為瞭解化學氣相沈積系統工作原理，首要需瞭解的就是電漿的工 作原理，電漿是為一種部份離子化之氣體，由於其性質異於一般物質 三態固態、液態和氣態，可稱為是物質的第四態，正常情形下整體呈 電中性，其內部組成包括帶電荷之電子、離子及不帶電的中性氣體原 子（分子）和激動狀態的中性分子（Radicals）等物種，一般激發方 式可對氣體施加電場、電子束轟擊或雷射，都能得到電漿，內部組成 端看氣體種類、氣體壓力以及施加能量等等來決定。
首先，電漿可區分為低溫電漿和高溫電漿（熱電漿）兩種。用以分別 此二者主要取決於氣體壓力。高溫電漿（熱電漿）狀態為當在較高的 操作氣壓時，因為電子、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，氣體的離子化程度（degree of ionization）可以達到較 高的程度，甚至可以高達100﹪，高溫電漿（熱電漿）可應用於焊接 及切割和電漿焚化等等。低溫電漿狀態為當在較低之操作氣壓時，一 個粒子的動能可經下式轉換成溫度：動能 = 1/2mv2 = 3/2kT，因此 離子溫度遠比電子來得低，且中性原子或分子因無法被電場加速，加 上低溫電漿狀態為操作壓力小的緣由，受電子或離子的碰撞頻率較
低，以致於粒子間能量轉換頻率很低，因此整體溫度接近室溫，所以 氣體的離子化程度往往非常低，傳統電漿離子化程度約在1%左右，稱 之為低溫電漿。
藉由控制低溫電漿中的電子溫度，動能轉換成溫度可能達幾萬度Ｋ的 能量，利用電子碰撞原子或分子的能量轉換，由於電子的質量遠小於 原子或分子的質量，原子或分子的動能幾乎不會增加，所以能量幾乎 以位能形態傳給原子或分子，如此以高能電子打斷化學鍵，但卻不會 提高原子或分子的溫度，其最大優勢是藉由電漿反應可以取代以往需 要利用高溫分解程序的反應，甚至可應用於積體電路元件的製程，擺 脫後段製程熱穩定性問題[1]。
對於激發電漿的能量形式來說，如果以直流放電的方式，電極需裝置 在反應器內部，為避免電荷累積的情況產生，電極區也必須為良導 體，但電極裝置在反應器的內部會使得電極受到電漿的轟擊，於這種 方式容易造成電極上某些地方的損害而形成表面的小突起，如此非常 容易形成電荷累積產生小電弧（Arc），而且直流方式因為無法來回 反覆碰撞，因此需要輔以離子撞擊電極以產生二次電子來幫助解離，
如此才能產生足夠的電漿，但結果將會造成電極材料的損耗。如以射 頻激發放電，激發的情況可利用反覆碰撞一直持續下去而無需二次電 子的發射，電極或腔體也不怕損害，而且較高的離子化程度能讓系統 在較低的電極電壓下操作，對於電漿轟擊元件所導致之損壞可大幅改 善。
電漿的產生是靠極高動能電子碰撞氣體原子或分子而產生解離，其反 應包含以下數種
激發(Excitation)：電子能階由基態上升至激發態
離子化(Ionization)：電子撞擊中性粒子而產生離子-電子對 弛緩(Relaxation)：能量狀態由激發態降至另一較穩定之能階 再結合(Recombination)：正電荷與負電荷中和並釋放能量
解離（Dissociation）：電子將分子間鍵結打斷而形成自由基 電荷轉移（Charge Transfer）：粒子間電荷互換
等反應，由電場中累積到大於離子化所需要的最低能量，而能量的累 積取決於電場和平均自由徑的大小。
電子（離子）的最高動能 = 電場對電子（離子）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是粒子的平均自由路 徑，平均自由路徑是指平均移動多少距離就會碰撞到一個原子或分 子， 由上式比較電場對電子或離子做功的累積程度，在同系統中所 受相同電場作用下，由於離子有相對於電子較大的半徑，其碰撞的機 率上升許多，其平均自由路徑會比電子小，且每經過一次碰撞，原先 累積的能量效應就會耗損，而需重新累積，加上離子質量遠大於電 子，所以於相同電場下之加速度遠小於電子，故離子所具有的動能遠 較電子為低，就電子而言，因平均速度快於離子許多，如果將平板電 極其中一極以射頻驅動並以電容耦合，一般使用的是13.56MHz 頻率 下，可視為僅有電子可遵循外加電位的變動，即電子具有較大遷移 率，亦即電子海會依著射頻頻率在相對穩定的離子海中前後運動，於 是電子向邊界漂移並造成邊界附近有較多帶負電之電子，相對於接近 兩極區域的邊界，離兩極較遠的中心稱之為電漿區，則相對有較多帶 正電之離子，因而建立電場，相對於邊界電位其電漿區電位為正電 位，稱之為電漿電位。若以電流的觀念敘述，於一週期內驅動端電極 的淨電流不為零，於是電極上開始堆積負電荷，形成負偏壓，穩定時 負偏壓值將剛好使驅動端電極的淨電流為零，如此形成的電漿電位負 偏壓稱為自我偏壓(self bias)，而基材表面或系統槽壁上會形成負 偏壓的電漿暗區（Sheath）[2]，sheath將開始減速電子而加速離子，
離子則因受sheath的影響乃被加速而撞擊基材表面，而導致整個系統 電漿反應。如圖2-1-1-1所示，利用電漿暗區的觀念，電感式耦合電 漿系統其晶體基板放置的那一電極，稱為基板電極，串聯一個阻絕電
容，因為產生一自我偏壓的原因，會使的電漿暗區的負壓強度加深，
使得操作的相對負壓範圍加深許多，因此基板電極所受到對離子的電 場強度相對提高，對於製程反應提升有所幫助。
2-1-2 沈積薄膜的成長模式
決定沈積薄膜成長的模式在於三種參數，分別為基板，界面，薄 膜的表面自由能。文獻中[3]提出會有三種薄膜成長模式接近熱平 衡，決定於三種參數在整個表面自由能之間的關係，如圖
2-1-2-1[7]，第一種成長模型[4]是依次成長二維層狀薄膜在基板 上，其特徵為薄膜和界面之間的自由能總合會小於基板的自由能。第 二種成長模型[5]是運用在沈積材料若能最小化它本身的自由能，而 這最小化的方式是以增加表面區域交換以減少的界面區域，如同水滴
RF
Dielectric cap
阻絕電容 ICP source
圖2-1-1-1 電漿化學氣相沉積系統結構示意圖，
(基板電極串聯阻絕電容)
滴在玻璃上，此成長模型會形成島狀結構，和第一種模式相反，它的 薄膜和界面的自由能總合會大於基板的自由能。第三種成長模型[6]
是因為沈積材料的晶格常數與結晶基板的不匹配導致，加上界面能 低，若磊晶厚度高於張力所能承受的臨界厚度，薄膜會破裂而產生缺 陷，SK模式可用於自聚性量子點成長，其特點就是在薄膜破裂前，島 狀物剛形成時，即停止成長磊晶，這樣可得到無缺陷的量子點，其成 長是由建立二維的潤溼層開始，在形成幾層單一層之後會開始島狀結 構的形成，其成因是在島狀結構內部為了降低應力而使得錯位合併。
在此，薄膜與界面自由能的總合不一定會大於或小於基板的自由能，
由薄膜厚度改變來決定。由於不匹配產生應力的貢獻增加，厚度上升 會使的薄膜的表面自由能上升，因此對於薄膜和界面之間的自由能總 合會小於基板的自由能的成長狀態，會形成層狀成長，但膜厚增加，
便會使薄膜和界面之間的自由能總合會大於基板的自由能的成長狀 態，於是島狀結構的成長會產生。
2-1-3 薄膜成核沈積理論
晶圓上之所以可以產生薄膜，初始於達基板的原子必須將縱動 圖2-1-2-1 三種薄膜成長模式示意圖
量發散，佈滿在晶圓表面上的許多氣體分子或其他粒子，如原子團 (Radical)和離子等。這些粒子可能因為發生化學反應，再沉積在晶 圓的表面上，或是在表面擴散運動之後，被晶圓表面所吸附而再進 行沉積的。而薄膜沉積的機制，以下與圖2-1-3-1說明整個化學氣相 沉積的過程[8][9][10]：
(a)長晶(Nucleation)
反應氣體粒子到達晶圓表面時，因失去部分的動能而成為吸附原 子。這些吸附原子可能與其他的吸附原子因交互作用，或者反應，
在晶圓的表面上形成一穩定的核團(Cluster)，如果核團的半徑大於 此一臨界半徑（Critical Radius），此核團不但能在表面上存在，且化 學性地被吸附在表面上。吸附原子可能經吸解(Desorption)而回到原 來的氣相內。因此佈滿晶圓表面的氣體分子所進行的成長凝結 (Condensation)為粒子的吸附與吸解達平衡時的結果。基本上，晶 圓表面溫度愈高，因為粒子在表面所具有的活動力較高，吸附原子 被表面所吸附的能力就愈低。
(b)晶粒成長(Grain Growth)
當進入個別的晶粒成長之後，晶粒成長所需要的原子來源，除了吸 附原子，也可以是氣相中傳來的粒子，經晶粒碰撞後而成為晶粒的 一部份。但晶粒初期的成長大多都依賴吸附原子的加入，因為當晶 粒的體積還小時，粒子碰撞發生的可能性較低。
(c)晶粒聚結(Coalescence)
因晶粒的成長所增加的半徑，使得原本個別且獨立的晶粒已大到開
因晶粒的成長所增加的半徑，使得原本個別且獨立的晶粒已大到開