電漿電性檢測

本實驗中所使用的MGU 是以銅箔基板製作，屬於常壓介電質放電型微電漿系 統，當於介電質之兩側電極上施加高於崩潰電壓之交流電時，則會在各電極邊緣且 於另一側有電極之處產生微電漿，也就是A 面上 a、b 兩電極之間之間隙，以及 A、

B 兩面僅一側有電極的位置產生微電漿，其於空氣下、90%氬氣與 10%氧氣之混和 氣體下之放電情況分別如圖4.1 (b)、(d)所示。

由於介電質放電型微電漿之系統屬於絲狀放電，此現象可由微電漿之電流所 觀察而得。圖4.2 為 MGU 的電壓與電流波形，操作條件為於常壓、空氣下，施加 21.5 kHz、2.6 kVp-p之交流電，將MGU 與一已知大小電阻(300 Ω)串聯後，藉由歐 姆定律可計算出系統電流，因於此電路中，可將MGU 視為一電容，故會形成電阻 -電容時間延遲(RC time delay)，而此處之電流波形屬於位移電流；於電流波形的波 峰處有數根窄鋒，其時間長度皆小於1 μs，由此可得此微電漿屬於一個周期內有數 次絲狀放電之電漿。

將MGU 與一已知大小電容(11 nF)串聯後，可由落於電容上之電壓計算得到累 積電量，並利用此累積電量對電漿電壓作圖得利薩如圖形，進行積分後可計算出 MGU 的電漿消耗功率(P)。

本實驗中所使用之兩種MGU 設計圖案與其在空氣下之操作電壓峰間值(Vp-p)、

操作頻率(f)、對應之電漿消耗功率列於表 4.1 中。比較兩種不同電極設計的 MGU，

在相同的操作電壓、頻率、氣氛下，以指叉狀電極之功率較直線形電極之功率為大，

此原因在於當電漿產生之範圍增加，相對應之消耗功率也會上升，不過若各自之消

耗功率除以微電漿產生區域之總長度(length, L)，計算其單位長度之消耗功率，或 可稱之為電漿消耗功率線密度(linear density of plasma power consumption, PL)，則直 線形電極與指叉狀電極分別為0.00995 W/mm 與 0.0104 W/mm，兩者之電漿消耗功 率線密度相當，故可推估兩種設計的MGU 產生的微電漿對沉積於間距中的硝酸鋅 之處理效果應相近。

當操作不同的氣氛下時，電漿的崩潰電壓峰間值(VBp-p)亦不相同，當使用氬氣 氣氛時，其崩潰電壓較空氣為低，不過若於氬氣中添加部分的氧氣，則會使崩潰電 壓略為提高；此外，對本實驗MGU 而言，操作電壓亦存在上限，於空氣下 Vp-p約 至3.4 kV 時，介電質層無法耐受而被破壞，而無法繼續產生介電質放電型微電漿，

而於氬氣氣氛下，因在較低的電壓即到達其崩潰電壓，故當操作電壓過高時(Vp-p約 為1.5 kV)，可能會使 A、B 兩面之電極靠近裝置邊緣那一側，並非透過 A、B 兩 面之間的介電質層崩潰，而是直接通過氣體崩潰，使電漿之型態由介電質放電型轉 變為電弧放電。故本實驗操作電壓之選擇為崩潰電壓之1.3 倍，以指叉狀電極設計 之MGU 為例，在不同之氣氛下的崩潰電壓、操作電壓及其對應之電漿消耗功率列 於表4.2 中。

(a) (b)

(c) (d)

圖 4.1 微電漿產生單元之電極圖案與電漿實際放電情況。(a)指叉狀電極設計之電 極圖案，(b)於空氣下，使用 Vp-p為2.60 kV、頻率為 21.5 kHz 之交流電產生微電漿 時之實際放電情形，(c)直線形電極設計之電極圖案，(d)於 90%氬氣與 10%氧氣之 混和氣體下，使用Vp-p為1.43 kV、頻率為 21.5 kHz 之交流電產生微電漿時之實際 放電情形。

5 mm 5 mm

5 mm 5 mm

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 -1500

-1000 -500 0 500 1000 1500

V (V)

time (ms)

-60 -40 -20 0 20 40 60

I (mA)

圖4.2 於空氣下，使用 Vp-p為2.60 kV、頻率為 21.5 kHz 之交流電產生微電漿時之 電壓(V)與電流(I)波形。

表4.1 操作於空氣下之兩種微電漿產生單元之操作條件與其電漿消耗功率

電極設計 L (mm) Vp-p (kV) f (kHz) P (W) PL(W/mm) 直線形

36.6 2.6 21.5 0.364 0.00995

指叉狀

135.2 2.6 21.5 1.40 0.0104

表4.2 指叉狀電極設計之微電漿產生單元於不同氣氛下的操作情況比較

氣氛 VBp-p (kV) Vp-p (kV) f (kHz) P (W) 空氣 約2.0 2.60 21.5 1.40

氬氣 約0.90 1.17 21.5 0.328 90%氬氣與 10%氧氣之

混和氣體 約1.1 1.43 21.5 0.368

4.1.2 電漿放光光譜

因不同原子與分子具有其特徵光譜，故可由電漿放光光譜得到電漿氣氛的特 性資訊。圖 4.3 中之(a)、(b)、(c)分別為本實驗之介電質放電型微電漿於空氣、氬 氣、90%氬氣與 10%氧氣混和氣體下之電漿放光光譜，於圖 4.3 (a)可看出在空氣下 之電漿放光光譜以氮氣的分子光譜為主，主要分布於可見光之低波長波段，與章節 4.1.1 圖 4.1 (b)之照片中呈紫色的電漿相符；於圖 4.3 (b)可看出在氬氣氣氛下是以 氬氣原子光譜為主，另外可能還含有系統中殘餘水氣而形成的OH 之放光，而於圖 4.3 (c)則可看出當於氬氣中混和氧氣後，其放光主要仍以氬氣為主，氬氣原子光譜 主要分布於紅外光波段，於可見光波段中無明顯之放光，與章節4.1.1 圖 4.1 (d)之 照片中呈現偏白色之電漿相符。雖於氬氣中添加氧氣後之電漿放光光譜與純氬氣 電漿之放光光譜皆是以氬氣原子光譜為主，不過比較圖 4.3 (b)與(c)時，可發現兩 者之強度分布略為不同，為詳加比較兩者之差異，將兩者於長波段處之光譜疊圖後 如圖4.4 所示，可發現於純氬氣電漿中 750 nm 與 811 nm 處之強度相差不大，但於 氬氣中添加氧氣後之電漿放光光譜於750 nm 的強度明顯提高，此差異與電子溫度 以及電子能量分布有關¹⁰⁷；此外，當添加氧氣時，於777 nm 處有 O 之原子放光，

而純氬氣之電漿則無。

200 400 600 800

wavelength (nm)

圖4.3 於不同氣氛下之電漿放光光譜。(a)於空氣下，使用 Vp-p為2.6 kV、頻率為 21.5 kHz 之交流電，(b)於氬氣下，使用 Vp-p為1.17 kV、頻率為 21.5 kHz 之交流 電，(c)於 90%氬氣與 10%氧氣之混合氣體下，使用 Vp-p為 1.43 kV、頻率為 21.5 kHz 之交流電。

(a)

(b)

(c)

N2 2^nd positive

Ar

Ar OH

H

700 750 800 850 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

n o rm al iz ed i n te n sit y (-)

wavelength (nm)

90% Ar + 10% O

2

Ar

圖4.4 於氬氣、添加氧氣之氬氣氣氛下之電漿放光光譜比較。微電漿條件：於氬氣 下，使用Vp-p為1.17 kV、頻率為 21.5 kHz 之交流電；於 90%氬氣與 10%氧氣之混 合氣體下，使用Vp-p為1.43 kV、頻率為 21.5 kHz 之交流電。