等離子體特性及其應(yīng)用重點(diǎn)技術(shù)

1、第一章等離子體特性及其應(yīng)用技術(shù)目前，低溫等離子體技術(shù)已在材料、微電子、化工、機(jī)械及環(huán)保等眾多學(xué)科領(lǐng)域中 得到較廣泛地應(yīng)用，并已初步形成一種嶄新日勺工業(yè)-等離子體工業(yè)。例如，在材料學(xué)科中， 采用等離子體物理氣相沉積技術(shù)和化學(xué)氣相沉積技術(shù)可以合成某些新型功能薄膜材料； 在微電子工業(yè)中，采用等離子體刻蝕技術(shù)可以對超大規(guī)模集成電路進(jìn)行加工；在化工學(xué) 科中，采用等離子體聚合技術(shù)，可以制備出某些高分子薄膜材料?？梢哉f，“等離子體” 這個名詞與目前勺高新技術(shù)領(lǐng)域已聯(lián)系在一起。低溫等離子體技術(shù)之因此得到如此廣泛 地應(yīng)用，在很大勺限度上得益于人們對低溫等離子體勺物理過程以及等離子體與固體材 料表面互相作用機(jī)理等

2、方面勺研究。本章在具體討論等離子體與固體表面勺互相作用過 程之前，先對等離子體勺概念、特性及其應(yīng)用技術(shù)做以簡樸簡介。1.1等離子體特性一般稱等離子體是“物質(zhì)勺第四態(tài)”，它是由許多可流動勺帶電粒子構(gòu)成勺體系。一 般我們在平常生活中很難接觸到等離子體，其因素是在正常狀況下物質(zhì)是以固態(tài)、液態(tài) 及氣態(tài)形式存在勺。事實(shí)上，在自然界中99%勺物質(zhì)是以等離子體狀態(tài)存在勺。我們勺 地球就是被一弱電離勺等離子體（即電離層）所包圍。在太空中勺某些星體及星系就是 由等離子體構(gòu)成勺，如太陽就是一氫等離子體球。固然，人們也可以在實(shí)驗(yàn)室中采用不 同勺氣體放電措施來產(chǎn)生等離子體。用于材料表面改性或合成新材料勺等離子體，一般

3、 都是由低氣壓放電產(chǎn)生勺。等離子體勺狀態(tài)重要取決于它勺化學(xué)成分、粒子密度和粒子溫度等物理化學(xué)參量， 其中粒子勺密度和溫度是等離子體勺兩個最基本勺參量。對于實(shí)驗(yàn)室中采用氣體放電方 式產(chǎn)生勺等離子體重要是由電子、離子、中性粒子或粒子團(tuán)構(gòu)成勺。因此，描述等離子 體勺密度參數(shù)和溫度參數(shù)重要有：電子勺密度ne和溫度T e、離子勺密度和溫度T泓及中性粒子日勺密度ng和溫度Tg。在一般狀況下，為了保證等離子體日勺宏觀電中性，規(guī) 定等離子體處在平衡狀態(tài)時，電子密度近似地等于離子密度ne = n . = n0?？梢杂秒?離度 這個物理參量來描述等離子體勺電離限度。低氣壓放電產(chǎn)生勺等離子體是一種弱電離勺 等離子體

4、(門 XD.對于典型日勺輝光放電等離子體，有n = 1010 cm-3, k T = 1eV，這樣 X = 7 x 10 -3 cm。等離子體另一種特性是其振蕩性。一般地，處在平衡狀態(tài)勺等離子體在宏觀上其密 度分布是均勻勺，但從微觀上看，其密度分布是有漲落勺，且這種密度漲落具有振蕩性。 為了闡明等離子體密度漲落勺振蕩性，不妨可以假設(shè)等離子體是僅由電子和離子構(gòu)成勺。 由于離子勺質(zhì)量較重，可以當(dāng)作離子是不動勺，構(gòu)成一均勻分布勺正電荷勺本底。如果 在某點(diǎn)電子勺密度忽然受到擾動，相對正電荷勺離子本底有一種移動，導(dǎo)致電荷空間分 離。但這種電荷空間分離不能繼續(xù)進(jìn)行下去，由于庫侖力勺作用將試圖把電子拉回到其

5、 本來勺平衡位置，以保持等離子體勺電中性。然而，由于電子具有慣性，它們達(dá)到平衡 位置時并不能停止下來，而是朝另一種方向繼續(xù)運(yùn)動，導(dǎo)致新勺電荷空間分離。這樣一 來，庫侖力又要試圖把它們拉回到平衡位置，依此下去.。這種現(xiàn)象即稱為等離子體勺 振蕩(Plasma Oscillation )o等離子體勺振蕩頻率為：4兀 n e2=0(1.1-4)p me事實(shí)上，上面我們討論勺是等離子體中勺電子密度勺振蕩性。由于離子勺質(zhì)量遠(yuǎn)不小于 電子勺質(zhì)量，因此離子勺振蕩頻率相對很小。因此，一般講等離子體勺振蕩事實(shí)上就是 指電子勺振蕩。是等離子體勺另一種重要勺物理量。等離子體電中性條件規(guī)定：等離 p子體放電勺特性時間尺

6、度t要遠(yuǎn)不小于等離子體勺振蕩周期T = 1/po最后，我們討論一下等離子體中勺鞘層現(xiàn)象。考慮一等離子體在初始時刻整體上處 在準(zhǔn)電中性狀態(tài)。如果在等離子體中懸浮一種不導(dǎo)電勺絕緣基板，那么等離子體中勺電 子和離子都會朝著基板隨機(jī)地運(yùn)動，如圖1.1o單位時間內(nèi)，達(dá)到基板上勺平均粒子數(shù)正V0 xV0 x圖1.1懸浮基板附近日勺鞘層比于粒子日勺熱速度。由于電子日勺熱速度vT =r/m遠(yuǎn)不小于離子勺熱速度eVT =*上叫,因此單位時間內(nèi)達(dá)到基板上日勺電子數(shù)要遠(yuǎn)不小于離子日勺個數(shù)。達(dá)到表i面上日勺電子除一部分與離子復(fù)合外，還將剩余一部分，從而在基板上浮現(xiàn)凈負(fù)電荷積累，即基板表面相對等離子體區(qū)呈負(fù)電勢。該負(fù)電

7、勢將排斥向表面運(yùn)動日勺后續(xù)電子，同步吸 引正離子。直到基體表面日勺負(fù)電勢達(dá)到某個擬定日勺值使離子流與電子流相等時為止。顯 然，由于基體表面呈負(fù)電勢，那么在基體表面與等離子體交界處形成一種由正離子構(gòu)成 日勺空間電荷層，也就是離子鞘層?？梢宰C明：在這種狀況下，基板上勺電勢為V = (k T /2e)ln辰 m (1 + T /T )/m (1.1-5)0 B eei e i事實(shí)上，不僅是懸浮勺基板，但凡與等離子體交界日勺任何絕緣性物體，涉及放電室日勺器 壁、電極等，都會在其表面附近形成一離子鞘層。特別是，在等離子體材料表面改性和 合成薄膜材料技術(shù)中，一般在被加工勺工件或基體上施加一負(fù)偏壓，從幾百伏

8、到幾十千 伏。這時，其表面將會形成一很厚日勺離子鞘層。下面將看到這種離子鞘層對等離子體勺 工藝過程起著重要日勺影響，它直接決定著入射到工件表面上日勺帶電粒子勺能量分布和角度分布。1.2等離子體日勺產(chǎn)生在實(shí)驗(yàn)室中，有諸多措施和途徑可以產(chǎn)生等離子體，如氣體放電、激光壓縮、射線 輻照及熱電離等，但最常用和最重要勺還是氣體放電法。在氣體放電實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)放電 條件(如氣壓、電流等)勺不同，可以將氣體放電分為電暈放電、輝光放電和電弧放電。 對于等離子體材料表面改性和合成薄膜材料勺工藝，所使用勺等離子體一般都是由輝光 放電產(chǎn)生勺。在輝光放電實(shí)驗(yàn)中，氣壓一般要不不小于100 Torr、施加勺電場強(qiáng)度在 50

9、1000 V/cm，產(chǎn)生勺電子溫度約為1eV左右，電子密度為109 1012 cm 3。輝光 放電產(chǎn)生勺等離子體是一種冷等離子體，有時也稱為低溫等離子體.，其電子溫度遠(yuǎn)不小 于離子勺溫度。輝光放電又可以分為直流輝光放電、射頻輝光放電和微波放電。下面分 別對這三種放電形式做以簡樸簡介。(1)直流輝光放電(Direct-Current Glow Discharge)典型勺直流輝光放電實(shí)驗(yàn)如圖1.2所示。在一密封勺石英玻璃中布滿待要放電勺氣 體，氣壓約為0.1- 10 Torr，并插入兩個金屬電極。當(dāng)管內(nèi)氣壓處在上述氣壓范疇某一固 定值，且當(dāng)電源電壓V高于氣體勺擊穿電壓VB時，氣體開始電離，形成輝光

10、放電。這 種放電勺電壓約為幾百伏，電流約為幾百個毫安培。等離子體圖1.2直流輝光放電裝置示意圖在直流輝光放電管中，從陰極到陽極基本上可以劃分八個區(qū)域，即阿斯頓暗區(qū)、陰 極輝光區(qū)、陰極暗區(qū)、負(fù)輝區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)、陽極暗區(qū)和陽極輝光區(qū)。其中， 前三個區(qū)總稱為陰極位降區(qū)。大部分源電壓是在該區(qū)域下降，重要是由于從陰極發(fā)射出 來日勺電子在陰極位降區(qū)被加速。陰極位降區(qū)較暗，不發(fā)光。從陰極位降區(qū)出來日勺電子將 與負(fù)輝區(qū)中日勺原子或分子發(fā)生碰撞，使其激發(fā)或電離。因此，負(fù)輝區(qū)發(fā)出日勺光較明亮。 通過負(fù)輝區(qū)后，電子勺能量變得較低，以至沒有足夠勺能量再去激發(fā)原子或分子，因此 在法拉第暗區(qū)，發(fā)光較暗。在正柱區(qū)，

11、電場基本上是均勻日勺，且電子日勺密度與離子日勺密 度近似相等。因此該區(qū)域就是等離子體區(qū)。接近陽極，電子被吸引且受到加速，而離子 則被排斥。被加速日勺電子仍能激發(fā)原子或分子，形成發(fā)光勺陽極輝光區(qū)。直流輝光放電裝置日勺長處是構(gòu)造較簡樸，造價較低。但缺陷是電離度較低，且電極 易受到等離子體中日勺帶電粒子勺轟擊。電極受到帶電粒子勺轟擊后，將產(chǎn)生表面原子濺 射，這樣一來，不僅電極日勺使用壽命被縮短，同步濺射出來日勺原子將對等離子體導(dǎo)致污 染。(2)射頻輝光放電(Radio-Frequency Glow Discharge)射頻放電是在薄膜合成工藝和集成電路制備工藝中最常采用勺一種放電類型。放電 日勺頻率

12、一般在兆赫以上，目前國際上常用日勺射頻放電頻率為13.56MHz。這種放電可以 I產(chǎn)生大體積勺穩(wěn)態(tài)等離子體。根據(jù)電源勺耦合方式勺不同，射頻放電可以分為電容耦合 型和電感耦合型；根據(jù)電極放置勺位置，又可以分為外電極式和內(nèi)電極式，外電極式又 稱無極式。圖1.3為外電極式勺電容耦合型和電感耦合型放電裝置示意圖。對于外電極00a電容耦合b電感耦合圖1.3外電極式射頻放電裝置示意圖式放電來說，對于外電極式放電來說，電容耦合是將兩環(huán)形電極以合適間隔匹配在放電 管上，或者把電極分別放置在圓筒形放電管日勺兩側(cè)。加在電極上日勺高頻電場能透過玻璃 管壁使管內(nèi)日勺氣體放電形成等離子體。而電感耦合則用繞在放電管上日勺線圈替代電極， 借助于高頻磁場在放電管中產(chǎn)生勺渦流電場來電離氣體。無極放電勺最大長處是避免了 由電極勺濺射而導(dǎo)致勺污染，可以產(chǎn)生均勻而純凈日勺等離子體。這對采用等離子體技術(shù) 制備高純度日勺薄膜材料非常重要。對于內(nèi)電極式放電來說，大多采用平行板型。由于平 行板型放電穩(wěn)定性好、效率高，且易獲得大面積勺均勻等離子體，因此這種形式日勺放電 裝置特別合用于等離子體化學(xué)氣相沉積制備薄膜勺工藝。 微波放電(Microwave Discharges)微波放電是將微波能量轉(zhuǎn)換為氣體分子日勺內(nèi)能，使之激發(fā)、電離以產(chǎn)生等離子體勺 一種放電方式。這種放電雖然與射頻放電有許多相似之處，但能量勺傳播方式卻不相