雷 射 (Light Amplification by Simulated Emission of Radiation, LASER)，具有單色性及指向性良好的光源，廣泛用於各種加工，不 論是通訊、娛樂、精密量測、武器、半導體製程、醫療、資料儲存都 扮演舉足輕重的角色；準分子雷射全名為電子激發分子之氣體雷射
（Electronically Excited Molecular Gas Laser, Excimer），於1970年代 德國科學家所發展出來的高功率深紫外光雷射（UV laser），準分子
（Excimer）英文是由受激發的雙原子氣體(excited dimer)英文的前後 所組成。準分子雷射具有一般雷射的特性，如：短波長、高純色性、
高功率密度、高平行度，因此其發散角度小。應用範圍廣泛，如表面 處理，包括退火(annealing)、表面清洗(clean)、摻雜(doping)、蝕刻 (etching)、物理氣相沈積(PVD)，以及半導體製程中深次微米微影 (subminiature photolithography)、鑽孔(drilling)與標記(marking)、剝線 (stripping of thin wire)等。
產生準分子雷射的原理為化學性質較活潑的鹵素氣體（halogen gas，如F、Cl、Br等）在共振腔體中混合惰性氣體（inert gas，如He、
Ne、Ar、Kr等）於基態時（ground state）並不會發生化學反應，若 加入電壓藉由電極對氣體做高壓放電，氣體分子被離子化，使其外圍
電子由基態躍升至激發態（excited state），會結合成為極不穩定的準 分子，在此狀態下，結合的分子常在極短的時間內解離，並以產生深 紫外光（Deep UV Light）之方式釋放能量。
一般較常用之準分子雷射種類如表2-1 所示。本研究即利用氟化 氪準分子雷射(KrF excimer laser)在瞬間傳遞很高的能量給材料的表 面將材料原子瞬間濺射(蒸發)而達到薄膜沉積作用，並應用雷射濺鍍 於MIS元件之製作[16-19]。
由公式(2-1)可知，在固定光速下，波長和能量成反比，波長越短 能量越強，波長越長能量越弱。
E = hv = h c/λ (2-1)
E：光子能量(J)
h：蒲朗克常數(6.625×10-34Js) v：頻率(1/s)
c：光速(m/s) λ：波長(m) 1eV = 1.6×10-19J
F2 ArF KrCl KrF XeCl XeF
準分子脈衝雷射濺鍍(Excimer Laser Sputtering) 製程是最近發展 成熟的薄膜材料製程技術。準分子脈衝雷射濺鍍是把聚焦的高能量雷 射光照射在濺鍍源上，使其瞬間受高熱氣化而噴出 plume，並在適當 位置放至基板將可使氣化的物質附著於其上而行成薄膜。
準分子脈衝雷射濺鍍具有相當多的特點：
1. 脈衝時間極短(25ns以下)、能量極高(可達5J/cm2以上)，能適用於 多種靶材(target)，容易得到不同材料的薄膜。
2. 脈衝雷射濺鍍只要控制幾個製程參數，例如：雷射能量與脈衝頻 率，甚至能以脈衝數精準控制薄膜厚度。
3. 另外其製程中不會產生其他引起材料的污染物質，以及濺鍍基板 所需的溫度低，可應用於許多不同材料基板。
4. 尤其是準分子雷射不論靶材組成元素或複合物都能在材料表面上 還沒達到熱平衡時即被瞬間氣化，而所噴出的高動能原子氣體元 素成份，比例與靶材相同，因此能直接按原有靶材組成比例沈積 於基板上，其成份之控制比其它物理氣相鍍膜技術為佳；原因是 達到熱平衡，氣態的元素比例與其蒸氣壓有關，蒸氣壓高的元素 其含量較高，低的元素含量較低。
5. 脈衝雷射濺鍍技術運用在複合材料薄膜特別有效。
6. 由雷射蒸發出來的氣體分子吸收紫外光雷射的能量具有相當高的 動能，可增加這些分子與周圍氣體分子間的化學反應，不但可促 進薄膜的成長更能降低基板成長溫度，使成長出來薄膜有良好的 磊晶品質。
然而，雷射濺鍍實際應用於工業薄膜濺鍍上仍有一些困難頇克
服，若能克服下述一些缺點，準分子脈衝雷射濺鍍在薄膜技術上將更 具有廣泛的應用：
1. 受限於雷射光束聚焦面積小，無法達到大面積的薄膜，雖然可利 用基板移動或雷射來回掃瞄來提升大面積薄膜，但改善畢竟是有 限的，而且會使濺鍍速率下降。
2. 在脈衝雷射濺鍍中未氣化且熔融之物質會形成液珠(drop)，將會落 在鍍膜表面凝結成顆粒狀，影響薄膜之表面粗糙度；通常，可以 利用表面加熱或利用短波長雷射可避免微粒(particle)的產生。
3. 系統需要精確聚焦及適當的透明光窗玻璃。
4. 波長必頇能被蒸發材料有效吸收，能轉換率低。
採用高功率脈衝雷射之高能量光子所產生的熱效應及光解離效應 (photolysis)，使材料表面於瞬間(~10-9 sec)吸收光子能量，產生熱電子 (hot electrons) ， 熱 電 子 將 能 量 轉 換 成 晶 格 振 盪 之 聲 子 (latticer vibration)能量而致使表面溫度上升達到蒸發。另外光解離效應是利用 雷射高能量光子將材料表面原子間的鍵結打斷，使表層物質瞬間快速 以極微細的粒子型態剝離，可以維持其成分不便，因此常被用來批復 成分複雜的化合物，鍍膜的品質甚佳。它和電子束加熱或濺射的過程 有基本上的差異，準分子雷射脫離的是微細的顆粒，電子束加熱則是 以分子形式脫離。依光子能量的差異，準分子雷射XeCl及XeF用以剝
離有機聚合物，KrF用以剝離玻璃、陶瓷及金屬，ArF用以剝離高等 級的陶瓷及鑽石等，而F2則用以剝離特殊高溫材料。另一種用途就是 微蝕刻，稱為類LIGA，在微機電製程為一極佳的工具，可以穿鑚高 深寬比的小孔，直徑小於數百微米。
在脈衝雷射濺鍍系統的原理方面關係到材料表面與高能量光子脈 衝的相互作用，整個過程可分為以下四個階段：
1. 靶材固態分子與光輻射撞擊之作用。
2. 氣態分子射出往基板之動力學。
3. 氣態分子在基板表面之吸附作用。
4. 吸附分子在基板上之成核、生長及形成連續薄膜的機制。
第一個階段，由於受到高能量密度雷射光束的聚焦照射在靶材表 面上，使靶材表面分子瞬間加熱至蒸發溫度而產生氣化，因為在非熱 平衡狀態下，以致其所氣化之分子組成成份與靶材一致。當一固態物 體受到具能量力子撞擊(Particle bombardment)時，其所受的效應視粒 子動能的大小而定，大致可分成如下的幾個層次：
1. 動能小於5eV，產生的效應只限於最外層表面。撞擊粒子可能和物 體達到熱平衡並被吸附，也可能被反彈出去，當然也可能具有足 夠的能量，把已經物理吸附在其表面的分子打散。
2. 當動能超過晶格原子的結合能(Bindind energy 約 2~10eV)時，會
發生表面的遷移或表面的破壞。
3. 動能超過四倍昇華能時，靶材表面原子開始被撞出主體而進入氣 相，此種現象及稱之為物理濺射，所需的最低能量即為其底線能 (Threshold energy)。一般濺射只達肌膚之深，不會超過五個原子 層，濺射後多餘的能量大多經由晶格的震盪轉換成熱能而消失。
4. 當動能超過10KeV時，此能量足以激發原子的內層電子，當其回 到基態時即輻射出X光。撞擊的粒子會深入靶物，晶格的破壞在所 難免。
5. 超高的能量則會更深入原子核，這已進入核子反應的領域了。
除了上述這些現象之外，有些分子會被反射，同時也會產生一些 離子及二次電子，實際可能發生的情形如圖2-1所示。
圖2-1 粒子撞擊固體表面之效應
撞擊離子
＋ 反射離子
＋ 二次電子
－ 濺射源子
靶材表面
晶格破壞
植入離子 晶格破壞
當高速粒子撞擊固體表面時，可能發生的現象包括：從表面釋放 出中性原子或分子、二次電子(Secondary electrons)的發射、二次離子 (Secondary ions)的發射、入射離子的反射(Reflection)，以及被濺射離 子返回而轟擊表面產生的散射粒子(Back scattering) ，如圖2-1所示。
除了這些具質量的粒子外，光子(Photon)和X光的輻射也經常產生。
還 有 靶 材 被 離 子 轟 擊 後 會 產 生 化 學 分 解 或 反 應 、 體 擴 散 (Bulk diffusion)、晶格破壞、氣體的去吸附(Desorption)與分解(Dissociation) 等，多餘的能量會轉換成為熱能。
在第二階段，表面氣化的物質根據氣體動力學，在真空中以扇狀 分佈向基板方向運動；其中，電漿體溫度的分佈將影響濺鍍薄膜厚度 的均勻性；另外，靶與基板的距離也是另一個影響濺鍍範圍因素，增 加基板與靶材距離可以使得濺鍍範圍變大。如圖2-2所示，為易於了 解問題，在此僅討論垂直的撞擊，假設一個質量m的粒子以速度v撞 擊靜止中的靶物，靶物的質量為M，初速度V=0；撞擊後粒子的速度 為v’，靶物的速度為V’。由物體相撞的動能轉移公式，可得如下結果：
v’=[(m-M)/(m+M)]v (2-2) V’=[2m/(m+M)]v (2-3)
由撞擊前後粒子和靶物動能的變化可推算出動能的轉移比率為：
β=4mM/(m+M)2 (2-4) 由式(2-4)可知撞擊粒子的質量越大，能量轉移的比例越多，也就
是濺射的效率越好，因此濺射使用的氣體分子量不宜太小。
圖2-2 動量之轉移
第三階段是決定薄膜品質的關鍵，具有高動能的分子與基板表面 的作用，此作用將產生如下的影響：1、具有較高之動能分子，有助 磊晶發生並能降低製程溫度。2、高動能分子對表面之撞擊也會造成 表面磊晶應力之優選方向結晶之形成並改善磊晶品質，亦可增強薄膜 密度與表面附著力。高能量分子氣體對表面之撞擊會產生表面的部份 原子濺射，而在入射分子與濺射原子之間產生了一個碰撞對流區，這 個區域是表面凝結分子的場所，只要凝結流量密度比濺射高，當達到 熱平衡時，由於鍵結分子能量降低致使薄膜在基板表面形成，但對高 能量分子碰及基板表面也會對基板造成破壞。
最後階段是薄膜的晶粒(Grain)生成，它經歷了成核及成長兩個階 段，才能形成完整晶粒，最初進入成長階段的薄膜並非完整及連續，
m 撞擊離子
靶材 Ｍ Ｖ＝０
Ｖ’ 靶材 靶材 v v’
2-3 準分子脈衝雷射表面加熱效應 conductivity)，K為熱擴散率(thermal diffusivity)，而A(x,y,z,t)為(x,y,z) 點再時間t時單位體積中產生的熱量，在此A(x,y,z,t)為由雷射脈衝導致 數(absorption coefficient)，可定義為
= 4 B
(2-7)其中B為材料吸收指數(absorption index)，λ為光波長；當在短波長 (248nm)時吸收係數可視為極大，由(2-6)式可知
e
z
較接近條件，假設光束功率不隨時間變化並且光束橫截面積光功率均
氮化鋁(AlN)受到雷射照射表面溫度瞬間加熱，我們可由(2-13) 式經由理論加以計算能量對氮化鋁材料瞬間溫度的關係；經由模擬計 算得到能量－溫度關係圖。
圖 2-3 雷射能量與溫度關係圖
2-4 準分子脈衝雷射濺鍍系統介紹
以準分子雷射 ( LAMBDA PHYSIK LPX200i ) 規格如表 2-2 所
以準分子雷射 ( LAMBDA PHYSIK LPX200i ) 規格如表 2-2 所