电浆等离子体原理及应用

1、雷聚源原理舆JS用之介文/5M家豪，魏鸿文，翁政）W,柳克弓鱼李安平，寇崇善吴敏文，曾至帛清，蔡文建 奠值川摘要n聚科技已腐泛废用於科孥研究及工棠裂程，成舄现代科技的重要指檬。本文将介阈内在n聚源方面的研畿，其中包 括雷感式雷聚源，微波表面波H聚源 ，大MW源，H聚浸没离隹子怖植及H聚火炬等等。文中将筒介各式H聚源之基本物理 及其废用畿展。物理ft月刊（廿八卷二期）2006年4月4411.前言H聚已腐泛雁用於各域，如在半 路裂造方面，果凡不同材料薄膜的成畏及1O各的食虫刻 皆普遍由H聚技彳有建成。另外在半辱封装及纺方 面，HU使用雷聚来清紫及改建材料表面以建到特殊的 功能及效果。在璘保方面，H

2、聚火炬可以安全固化焚化 燧所生之高污染灰渣。甚至在H瘵上现已有商用之用於手彳有刀具的殿菌。而在科孥研究方面H 聚更已成舄重要的工具，如奈米碳管的成H,微檄H 的研畿等等。H聚之所以能提供如此腐泛的功能主要在於Hit 中的反雁是言午多不同成分冏的作用（HeterogeneousInteractions）,其中包括紫外，中性粒子，活化粒子， 雷子及雕子的反雁。尤其是包含了具能量的粒子，它 仍能引畿言午多特殊的化孥舆物理的反雁。例如在Hit 食虫刻技彳有中，正雕子经由雷聚鞘屑 （Plasma Sheath）加速 彳务UlB矽晶IB,使其表面原子的破壤if!而能迅速 舆活化粒子it行化孥反雁建到食虫刻

3、效果。另外如在if 石膜成畏中，W-方面生成畏所需要的碳原子， 富其在表面形成日寺，雷聚中所生的氢原子热J能 舆石墨H结的碳原子it行食虫刻反雁而留下if石的H Mo在奈米碳管成畏中，鞘屑的HOiJ能建到高 方向性的成畏。是其他方法所照法it到的。在Hit技彳有中Hit源是系统的BWo目前生 雷聚的 方法以使用的功率源而 言有直流放雷（DC discharge），低原及中原放雷：（敷KHz到敷MHz）,射原 放雷（13.6MHz），及微波放雷（2.45GHz）。说行毒曜裂 程多操作在低光放雷 （mTorr到百Torr）。而 操作在1大兼摩的低温H聚裂程是现在研究的重要以半stta程而言，HU以

4、射原放雷被探用的最 多。本文将筒介敷源，包含直流放雷到微波放 H；低到大MUil：;低温10蔑到高温1OI:。 其中由柳克弓鱼教授介备召射感偶合放雷；寇崇善教 援介微波表面波W;吴敏文博士介备召中原大兼摩 低温Hit；曾金帛清博士介直流大兼摩高温Hit； H 聚浸没雕子怖植由蔡文畿博士介布瓦 本文由奠川 博士奥寇崇善教授窠褊。受限於篇幅，本文业未 全面涵瓷a内在方面的工作。2-1雷感式Hit （柳克弓鱼，清莘大孥工程舆系统科孥系）雷感偶合式 雷聚 （Inductively-Coupled Plasma, ICP）舄一结横筒罩而雁用腐泛之雷聚源。ICP之雷聚生舆持，舄利用雷磁感雁生之W,加熟Hi

5、t雷子，以MW#反雁所需。而雷磁感雁所需之日寺H（交流）磁埸，是由上通交流雷流所生。辱通 常成柱状 （column, solenoid）或平面型 （planar）之圈(coil),而交流H寺建雷流之原率多在敷十kHz至敷百MHz簸圉。H 1舄平面型ICP结横(剖面)示意 筒圈，其中圈置於真空介雷窗(dielectric window ,通常舄石英或陶瓷)夕卜，流经圈之RF雷流，走生流方向的日寺燮磁埸(B),此磁埸穿透介雷窗，於雷聚腔中感雁生一舆 RF雷流反向之fOB(E),此雷埸加速雷子业感雁形成流(Jp)。由於此雷磁感雁檄制舆舆建厘器原理相同，其中圈舄建厘器之 一次侧(primary)，而雷

6、聚热J祸舄二次侧(secondary)。因此，ICP又W M器偶 合式雷聚(Transformer Coupled Plasma, TCP)。雷感偶合式雷聚在低It入功率 (低雷橐密度)日寺，射i(功率之偶合是以圈 高ft位差造成的ft容式效呻主,富所形成的流大於某一低限雷:流值 (Threshold Current )日寺，才能使 W；Bit生之檄制操作在雷;感偶合模式(Inductive Mode,H mode)。由於雷感偶合模式其功率吸收段雷容偶合模式来得佳，此日寺雷聚密度将H著地增加。由於ICP之雷聚密度(n 1010- 1012 cm-3)段傅统雷容式雷聚 (n 109- 1010

7、cm-3)高一至二敷量级，通常高密度H 聚(High Density Plasmas, HDP)。此夕卜在半 用上，在晶圆座通常亦施加另一射原雷源，可猾立控 制雕子能量舆雷流，封於半辱髓裂程精碓度舆重说性 之掌握桎舄重要。在ICP之射原雷埸中，雷子加熟的檄制包括欧姆 加熟(Ohmic heating)舆随檄加熟(Stochastic heating)1。欧姆加熟檄制舆雷;子之碰撞反雁有Bi, 一 雷子於遇期性日寺建雷埸中，若前半遇期受雷埸加速， 彳爰半遇期受力方向反而孑成速，经一遇期子浮勤能业照改建。然而富加入碰撞因素日寺，部份ft子有檄在H埸方向改建的日寺候，由於碰撞而改建其行彳筌方 向，如

8、此便可能持獴得H埸加速。於碰撞原率等於 射i(功率i(率日寺，碰撞加熟效果最好。在一般工棠雁 用之弱游H雷聚(weakly ionized plasma)中，雷子之碰 撞反雁以舆中性粒子之碰撞舄主，因此富操作於低 厘日寺，中性粒子密度低，子碰撞率递低於射功 率原率，欧姆加熟效率甚低，而ICP中雷子加以随檄加熟檄制舄主。H 1舄雷感式簧中随檄加熟 檄制示意®I ,其中由於在通常操作簸S(13.56 MHz RF,n 1010 1012 cm-3), RF原率递低於震耙率，RF雷 埸在雷聚中之分怖彳堇限於翩#深度(skin depth cm)之簸圉，封一主雷:聚 (bulk plasma

9、)中向鞘)1移勤之雷： 子，由於鞘屑雷位段低而使雷子向鞘)1。由於 兼厘低，其冏未畿生碰撞，雷子速度彳堇罩方向的改 建。若雷子深度的日寺冏比射埸遇期短 日寺，雷子可能只感受到罩一方向H埸的加速而獴得能 量。由於此檄i制彳系於低碰撞原率情*兄下才越加!著， 故亦稍之非碰撞加熟 (collisionless heating)。常JI的雷感偶合式H聚源若依感雁圈形状的段 言十，可分舄螺旋状雷感式H聚源( Helical ICP)舆平 面型雷感式雷聚源 (Spiral planar lCP )。螺旋状雷感式 雷聚源中，螺旋形感雁圈圉在管状介雷真空腔外 H,其感雁射埸在管壁附近最大，朝中心以指敷 型式下

10、降，因此不易建成大面稹均匀簧。但在化孥 光tf分析、化孥合成、JI晶及康I!物虑理等方面，因 照大面稹均匀度之要求，仍有甚腐之雁用。在半辱ft 裂程雁用上，段常探用平面型雷感式H聚源(如®I 2443所示)，其中平面型螺旋圈(Spiral coil)置於平面真空介雷窗上，此段言十可利用圈之分怖或舆真空windownRF electricGOs?h：, 一I. |iJh 础 VII g i物llnniRF PowerMatchplasma萍中所合成§EM)照片及穿,布箪薄能氟skin物理斐月刊(皆八卷二顺indow06年4月Induced RF EDistance from

11、the windowfieldH 1雷感式H橐源非碰撞加熟横制示意圈窗之距雕，使晶圆表面的fOI分怖均匀2,符合现代稹路裂造大面稹晶圆裂程之需求。雷感偶合式雷 聚源除以上提及之雁用外，近年亦在奈米材料舆元件 裂程方面有重大it展，以下将介我仍最近以雷感式 技彳荷舄基磴，在奈米碳管合成方面之研究成果。我仍主要研究舄雷:聚助催化膂J式化孥K相沈稹法(Catalytic Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, Catalytic PECVD)成畏奈米碳管(Carbon Nanotubes, CNT) 和奈米碳(Carbon Nanofibers, CNF

12、)。 Catalytic CVD主要是利用含碳的在催化金J!表 面熟裂解而成HCNT/CNF ,而以H聚之It助可以大大降低其裂程温度，此外亦易於控制 CNT/CNF的成 JI特性及匾域，业能舆微裂程技彳有整合。另一方面，由於雷聚鞘屑之雷埸垂直基板表面，促使 CNT/CNF 垂直基板表面成舄理想之埸畿射H子源。我仍以 自行研裂之高密度簧雷感式偶合簧系统，在低 温、低厘下以乙烯的混合簧成JI均匀垂直基板 之CNF障列3,如圈3(a)所示。此外，亦利用雷聚光 制莪、部莪舆H牟If探金十(Langmuir probe)，即日寺量 中粒子的澧度和成分比例、H聚密度、雷子温度、雷聚雷位，以及以RF阻抗言

13、十量测在基板的RF雷厘和雷流，而獴得知雕子能量、雷流舆簧鞘雷埸。业一步探言寸基板表面的雷埸强度、雷聚中的粒子椒 和澧度、基板温度，封奈米碳的外在形貌、内 部结横、整髓的石墨化程度和埸畿射特性的影警4 o除了透整最佳的成JI利於埸畿射雁用 的CNF夕卜，我仍亦利用晦埸(in situ)雷聚前Jt理及彳爰虔理的方式，来改善其埸畿射特性。CNT/CNF障雷感式雷聚在1990-1995年期冏成功畿展雁用於半SIHM程之大面稹高密度均匀H聚技彳有，封於稹 髓雷路裂造it入200 mm 300 mm 晶圆舆深次微米世代有决定性之WM,在如今21世备己之奈米科技备己元，雷感式雷橐相技彳何仍精,朝向更大面稹、

14、 更均匀、更具强性之裂程畿展，扮演更重要之角色。2-2微波表面波源(寇崇善，清莘大孥物理系)微波表面波雷聚源是以雷磁波(2.45GHz)激畿雷列的整髓埸畿射表现，除了取决材料本身的性II(如功函敷、尖端曲率)夕卜，亦控制 CNT/CNF密度， 在 增加埸畿射源敷目 项 降低雷埸屏蔽效雁”雨因素 冏取得最佳化。我仍利用高能的氟MW,以 埸前虑理中高温形成的催化洌奈米II粒，控制催化洌 颗粒的密度，可有效的控制成畏出来 CNT/CNF的密 度。我仍亦成功利用氟理，改建 CNT/CNF畿何及aWMW，改善埸畿射特性。 CNF 经氟兼雷橐彳爰虑理之结果如®I3(b)所示。在高能氟IC雷橐的彳

15、爰虑理下，CNF由於物理性的霾擎效雁，原本 柱状的结横改建其成舄尖«>,原本位於K端的催化 金粒亦由於雕子霾擎而建小或消失。我仍提出一 侗共同官虫刻-沈稹檄制”来解释碳管在非反雁性雕子 «»TW於其形貌上的改建舆影警其埸畿射行舄的因 子5。此外，在彳务匿理的裂程中，我仍畿说IK端 的催化洌奈米II粒其尺寸可因的霾擎而降低 至敷侗奈米大小，因此我仍誉展一椒新的裂程来 再成畏挂卜的罩壁碳管 (Single-Walled Carbon Nanotubes, SWNT)横跨於经彳爰Jt理的 CNF上。在成 < SWNT的倏件不燮下，藉由彳灸虚理的参敷，我 仍可

16、以得到彳灸虚理CNF及其IK端催化洌粒的大小最逋於SWNT成畏的最佳参敷，如04所示6。此裂程封往彳爰SWNT的研究以及ft子或光ft元件的裂 作上，均桎有助益。h 4 (a)最佳awsarn成挂卜罩壁奈米碳管之 SEM照片；(b)罩根横跨舍勺10微米距离隹之挂卜的罩壁 奈米碳管6。聚中的表面波舄其檄制。考虑由雷聚，石英板及空K所鲍成的三。富雷聚密度潇足 就> «（1+粉1/2日寺 （羁石英之介雷系tt ）,雷磁波在及空中以指tt 的方式迅速衰孑咸，因此雷磁波能量沿著1B簧表面傅遁 而横成雷聚表面波 （plasma surface wave）。表面波雷;聚 源的特黑占在於形成高

17、密度雷聚。如以2.45 GHz微波舄例，雷聚密度可高於1011 cm-3。早期表面波H聚源以激畿小圆柱形之H聚舄主， 其直彳国金勺舄1-2 cm。舄建到激畿大面稹簧的要求， 我仍提出以平面型可式表面波共振腔W 7-10。其示意如® 5所示其特黑占在於：（1）分怖式 的微波偶合结横，微波能量以平面型的方式展彳爰舆 真空腔偶合，用以激畿大面稹的Wo（2）微波傅输生匾分隔，如此能孑咸少生彳受封於微波傅输的影警，而分怖式的微波偶合方式方能建成。H 5平面型可式表面波共振腔雷橐激分怖式的微波偶合主要是利用微波中的梳型遇期 性慢波结牌 如H 5所示，在此W±,微波是以表 面波的方式BW

18、,其功率主要彳局限在梳型的表 面，往真空腔方向以指敷的方式衰孑成。而在横方向舄 均匀分布。此一遇期性慢波微波能量以平面的 方式展来说分怖式微波偶合的想法。此外，舄 了有效地使用微波功率及獴得段高埸弓鱼，探用共振腔 的段言十业使其操作於兀模式（微波每经一遇期之相位差 舄m共振原率的整则是藉由改燮梳窗的高度来建 成。圈5即舄12遇期之可式表面波共振腔。而前面提到的第 2项特黑占即微波生匾分 隔，热J是靠石英板如圈 5所示，此石英板不 彳堇具有分隔和偶合的功用，最重要的是，由其所造成 之簧不速界面遢能激畿出簧表面波，使簧密 度能高於1011cm-3l 6就是大面稹平面型微波Hit 源系MMWHo微波

19、经由偶合器it入可式表面波共 振腔，激畿出-模式表面波，再经由雨埋石英板的偶 合而生大面稹之平面型Wo藉由U牟K探金十即可 it行H聚特性及均匀度的量测o物理ft月刊（廿八卷二期）2006年4月446疽 iiLTLe tuiiea' 、three 成ub tunerpower head2.5 GHzcouplermovable smbtrate holderquartz platesubstrate1movable Lirigimir probetlifftTEM 商pumping9tq?pingmcitflrhell Dwspumping 电*mH 6大面稹平面型微波雷橐源系寰酷结果

20、示，在兼摩低於30 mTorr日寺，可以激畿50cm >25cm之大面稹雷聚，其均匀度舄土 0%。在高密度不均匀是由於石英板不速所造成 （如®I 7所示）。圈8 1!示H聚密度在不同微波功率的建化。由於雷聚表面波的激畿，30 mTorr,微波功率2.0 kW日寺，雷聚密度可建 1012cm-3。 其雷聚温度%勺舄 1.5eV,雷位%勺12 V。0 010203040z (cm)H 7 U聚分怖50601110 L101001000Microwave power2500W1500W2000W1000Wpressure (mtorr)H 8雷橐密度在不同fCS的建化在此表面波H聚源

21、中亦量测到H聚共振现象（plasma resonance）9。雷聚之介雷常敷舄 弓=1-做2 / 2酒,故富雷橐原率等於雷磁波i（率日寺，屯可舄零。因为 electric displacement, D = & E,必,故雷:埸 大幅增加。此舄H聚共振说象。由於H聚表面波的激使簧密度值必高於一密度下限。但由於雷子撅 散效雁，使lg«界虑有一 簧密度衰愈靠近 遑界密度就愈低。由於此衰孑咸匾的存在，使率 做有檄畲等於雷磁波i（率，即防 切，故引共振现象。WWW1H示富匾域簧密度等於一侗特定值日寺，微波雷:埸大幅增大形成MMB大值。如H8所示而aUB空冏分怖改建日寺，此一H埸桎大值

22、的位 置也畲改燮，但所封雁的匾域雷聚密度不燮。此外， 雷埸增大量舆10簧密度的梯度成正比，逼舆理 相符。另一方面，富共振畿生日寺，高能量11子也随之生。在雁用研究方面，本系统主要用於if石膜，尖状 结横及奈米鳞石柱成畏之研畿。此外»M其埸畿射 及散熟之特性11-19。如圈10所示，我仍己成功的 研畿出罩晶之奈米鳞石柱。disbuwe £i*uiii quArtz pLaLs (on)(WUWW导旨二01*i1(e 5 。 5 z 1 L &一£1 稍 j m'slw-s国WEH 8雷聚密度舆微波雷埸空之分怖。功率各舄1.1kW及1.6 kWo2-3

23、大兼辉光雷聚（吴敏文，核能研究所）低fg （Low-pressure）或真空辉光雷聚自1970年即始雁用於半辱髓元件之裂造舆各椒工棠材料之虑理，目前在半SHtXit每年金勺隽U造100值美元之座值。但是，由於理技彳有需要昂胃:的真空段彳肴，H 9鳞石尖状结横H 10罩晶奈米it石柱且其座量受到限制，因此，封附加僵值段低舆需要大 座量之傅统座棠例如造备氏I!等，其雁用成本 偏高而未具有兢争力。因此，舄了降低H聚之雁用成 本，近年来阈内外暮家均稹桎研需真空的大10! 光强聚。低厘辉光1B簧舄非熟平衡其1B簧整髓之温 度接近室温，故又K舄低温1B簧，其低温特性碓保其 在材料虔理上不造成材料之揖僵，而

24、其最大僵黑占舄 其含有多檬化的化擘活性H(Chemically active species)及良好的H聚空冏分怖之均匀性，故在材料虔理裂程 上3其他方法可以取代。大光H聚除照需在真 空中操作外，亦必具有低及雷聚空冏分怖均匀之特性，才:®合高品之材料虑理需求。雷量放雷；(Corona Discharge )舆介雷:屏蔽板潺生 放雷(Dielectric Barrier Townsend Discharges) 等Wfli放 Hj!生之HiJW然能潇足低温的需求，但因其H聚密 WMiafta之空冏分怖的均匀度不佳等缺黑占，故彳堇 能合段低品1®之材料虑理需求。而簧密度高且具

25、良好均匀性之大兼辉光放，於1988年首先研畿 成功20,目前最成熟且市埸上已有商品之大10!光H聚分舄雨大其一舄介H屏蔽板式大辉 光雷聚(Atmospheric Pressure Glow Discharge Plasmas, APGD),其二舄喷射式大索;辉光雷聚 (Atmospheric Pressure Glow Discharge Plasma Jet, APPJ)等。其中，喷射式大光毒t之钢I消耗量 大及面稹段小，而介雷屏蔽板式大光H聚之H聚 面稹最大，最;®合大面品等高分子材料之表面 改II 22,23 o因此，其座生之物理檄制最值得深 入探言寸。根披已畿表之文献20,2

26、1,欲在大MMTit生大 面稹且均匀之辉光簧，其放雷兼髓舆雷 源i(率等均是iilt因素。介雷屏蔽板式之大10!光雷 聚源之基本横造如®I11所示，其iilt性鲍件包含上介雷屏蔽板(Dielectric plates)之金桎、惰性 高摩雷源等三项,兹将探言寸三件封座生大 光Hit扮演之角色。H 11大IO?光雷橐源之基本横造首先，所黏之介雷屏蔽板舄其第一liilt 性结横，由於大兼摩下之10!密度比真空(<0.1 Torr)高出%勺10,000倍，因此其雷子、It子舆索?H碰撞之檄 率很高，辱致其平均自由路径很短，其二次畿射雷子 (Secondary Emission Elec

27、trons)游生之速H 反雁，辱致桎短日寺冏内走生大量之雷：子H 物理ft月刊(廿八卷二期)2006年4月448（Avalanche）,在形成辱It通道而If生It弧放 Ho而若WW之冏有介雷屏蔽板，HU其二次畿射之 雷子H将在正H桎之介雷屏蔽板上累稹且均匀分散，些雷子H舆移勤慢而聚集在附近之雕子H 生一空冏雷荷W,因其方向舆外加雷埸相反，而 抵金肖了大部分的外加w,因而降低了之n 埸，也降低短日寺冏大量溺至之雷子敷目，因此能防止 雷弧放雷。座生穗定之大10!光H聚之第二项要件舄探用惰 性lot如MM氤兼或氟兼等。由於氮兼具有以下三 项猾有之特性：其一舄在相同距下，氮IC的崩（Breakdow

28、n voltage）比非惰性索;H （如氮索;舆空M）低很多如®I 12所示，崩aHM低，HU Hit源可操 作在段低雷摩，而低雷摩所走生之雷子增殖 （multiplication）也小，因此可避免f!生雷;弧放雷;；其 二舄氮斐穗憩分子（He Metastables）之嘉命（敷秒）,可暂存放雷之能量彳爰再以寺冏慢慢II放。因 此，氮之克穗憩分子亦可避免全部能量在桎短日寺冏放 出而造成雷弧放雷；其三具有能量段高（20 eV）的氮曲S憩能牝能储存更多之放雷能量，故更能避 免短日寺冏H流太大而生的雷弧放H。H 12各椒lot之崩溃雷厘高摩雷源之原率舄座生大光雷聚之第三项重 要因素。由於I

29、!命之氮53S憩分子舆氮之中性 基BS或IMMIt等之碰撞，在放H彳笏M能持生H 子舆雕子。此延理座生之雷子舆雕子，舆下一侗高厘 月辰波在日寺冏上重叠之程度舆高厘之i（率有ih在前一 侗高厘月辰波座生延理雷子舆雕子最多日寺，刚好下一侗高摩月辰波之出现，因而有最大之51游H（Preionization）效雁，最有利於生大10!光放也是最佳之 高摩雷源原率，通常在 1-100 kHz之冏。若雷源之原 率太低，HU前一高厘月辰波座生之延理雷子舆雕子已完 全消失彳爰，下一侗高摩月辰波才出现，因先游雕之 雷子，故Wfit生大兼*罩光Ulio H 13舄核研所研的介雷屏蔽板式之大光H聚源及其放雷情 形。H

30、 13核研所H畿之大罩光H橐源Utt及放雷情形大兼辉光雷橐之雁用H甚腐包括：（1）胡品、备氏、塑膝、橡膝舆生!材料等高分子材料之表面改 22,23,塑膝材料之膜， 室内空器材 之消毒舆诚菌，（4）玻璃舆多屑PC板之清紫，及（5）罩 事上保密段施之隧形等，其雁用前景未可限量。2-4直流雷聚火炬筒介（曾至帛清，核能研究所）熟雷聚火炬大致可分舄雷感偶合雷聚火炬 （Inductively Coupled Plasma Torch ,筒稍舄 ICP Torch）、交流雷聚火炬（AC Plasma Torch）及直流雷聚火 炬（DC Plasma Torch）等三雷感偶合雷聚火炬因使 用射原雷源供雁器提供

31、10!放雷所需的雷力，投 U高、效率低而且规模放大段困蒐隹；交流H聚火炬 由於雷桎使用I!命比短，而且有畿何安排的限制， 因此，目前大多敷的簧熔融虑理系统探用直流雷 聚火炬，而且舄孑成低率，增修遇期，皆 探用管型Wtt+o直流H聚火炬放雷的一椒形式，即工作ICIS大於1 atm的自我持弧光放雷，其雷流密度舄 102107Amp/cm 2,雷埸弓鱼度%勺 5、20 V/cm ；其舆 II流的呈抛物下降形式，31随工作索的大 小、及放雷结横等而有所改燮24。高功率直流簧火炬的工作雷厘由敷百伏特至敷仟伏特，而 雷流HU在敷拾至敷仟安培之冏；雷桎的流失量在心 葡1的情况%勺10-7公克/B,而在空心囹

32、1的情况 下，配合螺旋流勤 （Vortex flow）的工作索?it或外加磁 埸，使弧根在陪桎上作圆周勤，降低雷桎温度业孑咸 少雷流失量（金勺10-9心0-10公克/康命）。雷流失量舆 通的籍r霞荷敷成正比，因此，在额定的功率下，雁盍可能提高火炬的工作TO,孑咸小放雷雷流，才能 延畏火炬雷桎的使用嘉命。直流簧火炬可分舄傅 ft型直流雷聚火炬（Transferred DC Plasma Torch）及非 傅输型直流雷聚火炬（Non-Transferred DC Plasma Torch）雨椒操作模式；傅输型火炬的雷桎一彳固在火炬 本髓上，另一侗HU在被虑理物上，藉著改建火炬舆工 作物的距雕、lo

33、t流量及整火炬的功 率；而非傅输型火炬的雨彳固H桎都在火炬的本ft上， 主要是藉著改流量及兼髓的（来整火炬的 输出功率。漩流走生器（swirler）用以生火炬空心11桎 内的漩流MH,造成密度梯度使空心!桎中心的 密度比接近雷桎壁之密度底，有利於延著雷 桎中心放H；此外，旋WMH快速地流勤可把放 ft加在Wft壁的高幅射熟迅速带走，降低H桎的温 度及穗定雷弧,业且造厘力梯度将雷弧沿漩流座生器 雨端的延伸拉H,增加火炬的输出功率。漩流座 生器保由一彳固有封I!切孔洞的圆管、火炬放雷室及 Mttrn室所鲍成，lot由切孔洞it入火炬放雷室 彳爰，即造成旋WMfJo圆管和空心雷桎的尺寸及结横 必配合

34、，io簧火炬才能建到最佳工作倏件 25。物理ft月刊（廿八卷二期）2006年4月450H 14直流雷橐火炬结情（左圈），非傅输型模式（中圈）及傅输型模式（右圈）直流雷聚火炬的段言十要黑占在於如何（1）提高雷能II换效率，以有效地加熟工作let!。（2）增畏火炬雷桎的使用I!命，以增修遇期。要建到要求， 火炬雷桎之形状通常探用管状形式31且提高火炬的工 作雷厘，配合旋II兼流的作，可防止弧根固定在雷 桎的同一定黑占上而It重侵iiWo要使火炬穗定 W,旋II兼流的弓鱼度必符合下列倏件：Dc/DT 湖切速度 5速 .（1）其中，Dc舄漩流走生器的内径,d F舄火炬前H （或 喷嘴雷桎）的内彳虱 在

35、符合（1）式的倏件下，Dc/Df的比 值通常在1、8之冏，而4刖舄最佳敷值。a Dc/Df的 比值小於 1日寺,不能生足钩的漩流弓鱼度；而H Dc/Df > 8日寺，流和Wft壁生很大的阻力，揖 失大部份能量，亦照法走生足钩弓鱼度的漩流。在氧泉； 璟境工作下，雷桎材料的邀撑是很重要的，通常邀用 飙或飙、铝、金艮、髭、金目等之合金。此材料氧化彳爰 曾形成一）1保膜防止内部材料氧化，因此，可在氧化索;氛下的使用嘉命，此外，有效地降 低雷桎温度亦是防止快速氧化的有效方法。结横段言十 上，彳爰雷桎的畏度Lr和内直彳至Dr的比值雁在 530之削而前葡1的畏度Lf和内直彳至 Df的比值雁在5S0之冏

36、，而且 Dr/Df的比值雁在 0.5入2.5之冏，此 外，放雷雷流I和前Df的比值雁在502000 安培/英口寸之冏。富Lr/Dr <5日寺，弧根曾打在彳安雷桎 的底部成固定黑占，而将雷桎熔穿破洞，但Lr/Dr30日寺，HU放1!情形呈不穗定状熊i。HLf/Df < 5日寺，放WtMtm法在出口均匀混合，但富Lf/Df > 40日寺，WJMft的能量曾被H桎大量吸收，孑成低火炬的II能II换效率。富Dr/Df < 0.5日寺，彳爰葡1的管口曾被H重侵触但H Dr/Df2.5日寺，放呈不I!定状憩。除此之 外，可在前彳爰雷桎加翰向磁埸26使雷聚旋方向和漩流方向相同，一来可

37、以增高工作雷摩提高效率，二 来可以使弧根在H桎内壁快速旋II,孑成少位面 稹所承受的熟量，降低温度，增WgfiW命。直流雷聚火炬可生温度%勺5,000? 20,000 C、能量密度%勺10? 100 MJ/kg及功率条勺10? 8,000 kW 的雷 可做舄奈米粉末生11、化合物合成、金!冶!W、全氟化有（PFC）及有害事物虑理等工棠 雁用的源27-29。核能研究所已畿完成直流 雷聚火炬技彳有，火炬功率可建3,000 kW , 用於虑理低放射性康物及焚化燧灰渣，建到孑咸容、固化、照害化或U源化等多重效果。物理ft月刊(廿八卷二期)2006年4月454H 15、漩流走生器内部速度分怖（左圈）及厘

38、力分怖（右圈）始*用£ » E:x .I,命4« IMJE ME*. .2-5雷聚浸没雕子怖植技彳有（蔡文畿，核能研究所）雕子怖植（ion implantation）彳系以逋富的It子能量 舆洌量怖植固ft材料（母材或靶材）内，以便封母材先天不足的雷性、檄械、物理舆化孥等特性逵行改 腐泛雁用於半辱髓走棠。然而因其受到罩方向 （line-of-sight） It子怖植限制，寺的射束才帚瞄及昂H 的靶台基座，阻磔其在其它座!的畿展。直到 1987 年美阈威斯康辛核工系J.R. Conrad教授30提出一三雕子怖植技彳有，浸没雕子怖植技彳有（Plasma Immersi

39、on Ion Implantation, PIII）,克服WM# 子束罩方向怖植的限制，31於 1988年獴得暮利，使得 雕子怖植技彳有在非半SHtSiliW用有了突破性畿展。PIII段彳肴非常子怖植横的雕子源建 成一彳固大腔ft的H聚源，目檬靶材浸泡於H聚内，外 加一月辰彳斯雷摩於靶材上，子便彳足四面八方垂 直怖植工件，完全免除雕子怖植檄的雕子束引出、加 速、偏向n帚瞄、以及靶台基座等昂it配他 是一椒便宜、高效率、经漕效率高的三雕子怖植技彳何，特别逋合髓稹大且形状亲隹的工件31，如匮| 16所示。PIII工作原理32:封一浸泡於雷聚密度 n的平面 靶材而言，富imtHtMV起勤瞬冏（

40、71;奈秒），靶材周圉的雷子立刻感受到作用而被往外推但因 雕子惯性不勤因而形成一)tn子It乏匾的雕子障列鞘屑(matrix sheath) So=(2 耳 oV/ne)1/2 於靶面附近30,其 中舄介雷常敷。等到雕子感受厘作用日寺(M微秒)，此日寺鞘屑内的雕子便藉由鞘屑位降的加速而垂直 怖植靶内。舄了持鞘Jf内雕子敷平衡要求，迫使鞘 屑厚度S(t)=So(2/3)场t + 1 1/3随著雕子怖植不If往外鞘Jf内雕子敷孑咸少，此日寺雕子流强度可以Child-Langmuir 方程式 Ji(t)=(4 ?o/9)(2e/M) 1/2V/(S(t) 2 来表示33，其中M舄雕子1!量，而雕子率

41、 -pi=(ne2/ oM) 1/2o 随著鞘大，鞘交蠲的 界面簸圉伴随tg大。富由雷聚漂移(drift) it入鞘屑界面 的雕子敷舆怖植靶材的雕子敷相等日寺，鞘Jf厚度趟於 穗定，建到所的穗定鞘屑(stationary sheath)34。因此，每一月辰衡的怖植雕子洌量d= (0pJi(t)dt,其中tp舄月辰衡宽度；而量舄 D=d ft,其中f舄月质彳斯 原率，t植日寺冏。怖植雕子在靶内的碰撞舆暹移!程中，新合金相生成、高温熟激畿撅散等横制舆效 雁，可使靶材表屑有效改II。PIII雁用镇域相菖匿泛32,包括半辱醴、精密模 具刀具、横械鲍件、汽檄州:、航太舆生II等座棠。如 在精密模具刀具3

42、5及人工筋36耐磨延I!等雁用 上，主要利用高能量雕子直接我入工件表面，不畲影 警其精密度，且因照明II界面Jf,不畲畿生膜改 屑剥落等冏题。在半辱髓的雁用潜力，舄PIII能钩封整埋矽晶片同日寺怖植的僵 高效率生SOI(silicon on insulator)矽晶片32,有效降低成本舆提高兢争 力，如圈17所示。至於 PIII在檄械、汽檄卓舆航太 等鲍件37的改雁用，是利用 PIII具有雕子怖植 舆被覆燮功能的合裂程技彳有38,例如先於基材生一屑硬度高的氮化屑，做舄彳爰PIII合成硬膜(例如 DLC)的支BMW,加弓鱼提昇耐磨效果。典型例子如雁 用於商用舆罩用汽檄卓引擎零鲍件(例如偏输、凸输

43、翰、翰承等)耐磨虔理，提高使用I!命，如®I18所示。PiwrrrSiniircpTTirbo pop3.褊吾EZ JuEliitrH'iiVd FOfWtT MijnlixnH 16 PIII 示意圈H 17香港城市大孥利用 PIII裂造SOI矽晶片10H 18美阈西南研究所将 PIII技律IB用大於戟卓事由承元件耐磨虚理39本文介有聚源的研究。任何一源的研畿必定包含了物理、材料、置！、檄械的知 舆技彳有，故需要整合多方面的源才能突破。另外Hit源的研畿必用研究相结合，如此才能研畿出逋合的IB簧特性舆系统。随著雷聚技彳何雁用的撅大，相信更多新型1B簧源将出现。

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