等離子清洗培訓(xùn)教程

PLASMA

培訓(xùn)教程

神馬是PLASMAPLASMAGASLIQUIDSOLIDENERGY要是把水蒸汽再加熱，比方幾千度、上萬度地?zé)?，?huì)怎樣呢？哈，哈──，這就是物質(zhì)的第四態(tài)，等離子體狀態(tài)！神馬是PLASMA

PLASMA又稱為等離子體。是物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)。它由電離的導(dǎo)電氣體組成，其中包括六種典型的粒子，即電子、正離子、負(fù)離子、激發(fā)態(tài)的原子或分子、基態(tài)的原子或分子以及光子。

事實(shí)上等離子體就是由上述大量正負(fù)帶電粒子和中性粒子組成的，并表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性氣體，也就是高度電離的氣體。無論是部分電離還是完全電離，其中的負(fù)電荷總數(shù)等于正電荷總數(shù)，所以叫等離子體。在等離子體內(nèi)部，正、負(fù)電荷數(shù)幾乎相等——準(zhǔn)中性

ne

ni

準(zhǔn)電中性神馬是PLASMA電離氣體是一種常見的等離子體普通氣體等離子體放電放電是使氣體轉(zhuǎn)變成等離子體的一種常見形式

等離子體

電離氣體神馬是PLASMA地球上，人造的等離子體也越來越多地出現(xiàn)在我們的周圍。日常生活中：日光燈、電弧、等離子體顯示屏、臭氧發(fā)生器典型的工業(yè)應(yīng)用：等離子體刻蝕、鍍膜、表面改性、噴涂、燒結(jié)、冶煉、加熱、有害物處理高技術(shù)應(yīng)用：托卡馬克、慣性約束聚變、氫彈、高功率微波器件、離子源、強(qiáng)流束、飛行器鞘套與尾跡神馬是PLASMA19世紀(jì)30年代起放電管中電離氣體，現(xiàn)象認(rèn)識(shí)建立等離子體物理基本理論框架20世紀(jì)50年代起受控?zé)岷司圩兛臻g技術(shù)等離子體物理成為獨(dú)立的分支學(xué)科20世紀(jì)80年代起氣體放電和電弧技術(shù)發(fā)展應(yīng)用低溫等離子體物理發(fā)展等離子物理學(xué)科發(fā)展簡(jiǎn)史等離子物理學(xué)科研究領(lǐng)域低溫應(yīng)用等離子體高溫聚變等離子體空間和天體等離子體等離子體分類(一)按存在分類

1).天然等離子體

宇宙中99%的物質(zhì)是以等離子體狀態(tài)存在的,如恒星星系、星云，地球附近的閃電、極光、電離層等。如太陽本身就是一個(gè)灼熱的等離子體火球。

2).人工等離子體

如：*日光燈、霓虹燈中的放電等離子體。*等離子體炬（焊接、新材料制備、消除污染）中的電弧放電等離子體。*氣體激光器及各種氣體放電中的電離氣體。

等離子體分類(二)按電離度分類

e+A

A++2e

忽略二階電離,ni=ne,

nn為中性粒子濃度

a=ne/(ne+nn)

1).完全電離等離子體

a=1

2).部分電離等離子體

0.01

<a<1

3).弱電離等離子體

~10-12

<a<

0.01等離子體分類SAHA方程

在僅含單種氣體的完全平衡和局域熱力學(xué)平衡等離子體中存在著電離平衡:A?A++eSAHA推導(dǎo)出如下方程:

a2/(1-a2)=

2.4×10-4

(T5/2/P)exp(-wi

/kT)

P

氣壓(Torr)

T

絕對(duì)溫度(°K)

wi

氣體分子（原子）電離電位(eV)kBoltzman常數(shù)

(8.614×10-5eV?deg-1)

電離過程:

e+A

A++2e

kion

P2三體復(fù)合過程:

e+A++M

A+M

krecom

P3

等離子體分類常壓熱平衡條件下氮等離子體的電離度a隨溫度變化

T(°K

)a5,000 3.2×10-710,000 0.0065

15,000 0.2220,0000.82

***

星際空間氣壓很低(~101-2粒子/cm3)，低溫下即會(huì)高度電離（電離源：宇宙射線,或直接來自太陽大氣層—太陽風(fēng)）。等離子體分類

(三)按熱力學(xué)平衡分類

1.完全熱（力學(xué)）平衡等離子體

(CTE)(CompleteThermalEquilibriumPlasma)

2.局域熱（力學(xué)）平衡等離子體

(LTE)(LocalThermalEquilibriumPlasma)

3.非熱（力學(xué)）平衡等離子體

(NTE)(Non-ThermalEquilibriumPlasma)

（orNon-EquilibriumPlasma)

等離子體分類

(四)按系統(tǒng)溫度分類(1eV=11,610°K)

1.高溫等離子體

(LTE)

Tg

=Ti=Te=…=108-9

°K

(104-5

eV)

2.低溫等離子體

1).熱等離子體

Tg

Ti

Te

（~LTE)

5,000°K

<

Tg

<20,000°K

(~0.5–2eV)

2).冷等離子體

Te>>Ti

Tg

（NTE)

100°K

<

Tg

<1,000°K

Te通常為1至數(shù)十eV

(可比熱等離子體高！)電子與中性原子、分子間的基元(elementary)碰撞過程1)彈性（elastic)碰撞過程，僅有平動(dòng)能交換2)非彈性（inelastic)碰撞過程，包含內(nèi)能(振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、電子態(tài)）變化3)電離（ionization)

碰撞

e+A

A++2e4)附著(attachment)碰撞（當(dāng)A具有正電子親合勢(shì)時(shí)）

e+A+M

A-+M反應(yīng)(reactive)碰撞，如解離反應(yīng)：

e+AB

A

+B+e6)復(fù)雜

碰撞過程，如：

解離電離 e+AB

A++B+2e

解離附著 e+AB

A-+B

低溫等離子體的產(chǎn)生方式氣體放電等離子體

（電場(chǎng)作用加速荷電粒子導(dǎo)致電離）

1）低氣壓放電：直流輝光放電高頻放電（微波、射頻）

2）高氣壓放電：直流弧光放電(~LTE)

電暈放電(NTE)

介質(zhì)阻擋放電(NTE)2.熱致電離等離子體

(高平動(dòng)能原子、分子碰撞導(dǎo)致電離)

高溫燃燒、爆炸、擊波3.輻射電離等離子體

（光電離）

X-射線、紫外光等電暈層外區(qū)（暗區(qū)）電暈放電形成條件:

二電極曲率半徑相差懸殊(線筒、線板、針板）特點(diǎn)：1.高氣壓(105-106Pa)高電壓降(103-105V)低電流密度

(10-3-10-6A/cm2)4.Te>>Ti

Tg

102°K

電暈層筒狀電極線電極介質(zhì)阻擋放電形成條件:二電極間有絕緣介質(zhì)存在交變電場(chǎng)特點(diǎn)：1.高氣壓(105-106Pa)高電壓降(103-105V)低電流密度

(10-2-10-3A/cm2)Te>>Ti

Tg

102°K

HV（a.c.)大氣壓輝光放電(APGD)Masuhoro

Kogoma

etal.1987年世界上首次獲得APGD(2004年12月Kogoma

來大工訪問)早期三條件: 1)He 2)交流頻率>1kHz 3)DBD

亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng)，擴(kuò)散系數(shù)大,其能量與電離勢(shì)接近高分子膜及紡織品改性處理;大氣壓下均勻CVD等F.Massines:(8thAPCPST,Australia,July,2006) N2:APTD; He:APGD(雙介質(zhì)層;緊密接觸)[清華王新新,大工王德真等,國(guó)自重點(diǎn)基金(~2004-2007)]等離子體化學(xué)的主要應(yīng)用及若干最新進(jìn)展大規(guī)模集成電路制備中的等離子體化學(xué)刻蝕與沉積(已大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用）等離子體平面顯示器

(PDP)(已進(jìn)入規(guī)模生產(chǎn)階段）等離子體化工合成及轉(zhuǎn)化（O3發(fā)生器，已工業(yè)化半世紀(jì)，CH4轉(zhuǎn)化，煤轉(zhuǎn)化，等離子體引發(fā)聚合，……)等離子體環(huán)境工程（燃煤電廠煙氣中氮、硫氧化物脫除，VOC脫除，汽車尾氣中氮氧化物脫除，固體廢料處理，……)紡織品等材料表面的等離子體改性

(已產(chǎn)業(yè)化）等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD)制備各種新型材料（金剛石，類金剛石，碳納米管，……)大規(guī)模集成電路制備中的等離子體化學(xué)刻蝕與沉積*全世界與大規(guī)模集成電路相關(guān)工業(yè)總產(chǎn)值已達(dá)萬億美元以上。等離子體化學(xué)刻蝕與沉積是大規(guī)模集成電路工業(yè)生產(chǎn)中的核心環(huán)節(jié)之一。*1998年7月，參觀了設(shè)在臺(tái)新竹交通大學(xué)內(nèi)的“國(guó)科會(huì)毫微米元件實(shí)驗(yàn)室”。其設(shè)備總值約1億美元，包含一套從美進(jìn)口的90年代中期水平的大規(guī)模集成電路工業(yè)生產(chǎn)流水線（超凈廠房，10級(jí)，<10塵埃/m3)。已完成250nm

元件技術(shù)開發(fā)，正在開發(fā)130nm元件制備技術(shù)。每年來此實(shí)驗(yàn)室工作的臺(tái)研究生有約400人。

大規(guī)模集成電路制備中的等離子體化學(xué)刻蝕與沉積以Si刻蝕為例：Mask制備：UV,VUVlasers:

X-ray<100nm

(同步輻射）

Electron-beamFMask

Si等離子體化學(xué)刻蝕：屬干法刻蝕，刻蝕形狀規(guī)則，應(yīng)可勝任~100nm之刻蝕。刻蝕中要求保持盡可能低的氣體壓力和盡可能高的電子密度(等離子體密度）。如90年代初工業(yè)上開始采用的新型“Helicon”射頻源（70年代中期實(shí)驗(yàn)室研究成功）氣體壓力從數(shù)百mtorr

降至數(shù)mtorr，等離子體密度從109cm-3

上升至1010-12cm-3

(相當(dāng)于電離度從10-6上升至10-3-10-1)

。大規(guī)模集成電路制備中的等離子體化學(xué)刻蝕與沉積

Si刻蝕用氣體以CF4+O2

最為常用。與刻蝕相關(guān)主要反應(yīng)：１）CF4

+e

CF3(CF2,CF,F)+e

O2+e

O+O+e

2）CF2

+O

COF+F

CF2

+O

CO+F

+F

COF+O

CO2+F

3）Si+4F

SiF4

*王友年等，新一代等離子體源刻蝕機(jī)理研究:<低氣壓多頻等離子體與材料表面相互作用

>(國(guó)自重點(diǎn)基金:2007-2010)FrontBackGlassGlassPbO,Dielectriclayer(transp.)ITO(In+TinOxide,transparentsustainedelectrode)Phosphor(RGB:red,green,blue)h=0.13mm,d=0.1mm,

1Pixel=R+G+B,1.08mmAgelectrodeAddresselectrode(Notinscale)MgO(500nm)2.等離子體平面顯示器(PDP)DBDdischarge(~200V,160kHz,2

sSq.W.)

VUV(147nm[Xe*],173nm,[Xe2*])

Phosphorescence(RGB) Ne(96%)+Xe(4%),400Torr

Ne+e

Ne* Ne*+Xe

Ne+Xe+(PenningIonization)

Xe++Xe+M

Xe2++M

Xe2++e

Xe*+Xe

Xe*

Xe*

+h

Xe*

+Xe+M

Xe2*+M

Xe2*

Xe2*

+h

PDP優(yōu)點(diǎn):

1).相對(duì)于CRT,低電壓(<200V) 2).相對(duì)于LCD,寬視角3).超大屏幕顯示PDP需要改進(jìn)之處:

電光轉(zhuǎn)換效率低

=Blum/Pelec Blum–熒光功率(lm)

Pelec

–輸入電功率(W)

CRT:

=5lm/WPDP:

=1.5lm/W（平面顯示器：CRT,LCD,PDP,OLEDs,DLP,

E-Paper)

3等離子體化工合成及轉(zhuǎn)化(示例)

O3制備

DBD放電，已工業(yè)化（瑞士等發(fā)達(dá)國(guó)家飲用水凈化）半個(gè)世紀(jì)，不斷有新的應(yīng)用（小家電消毒、滅菌）。

*初始過程DH(eV)

O2+e

O2*(1Dg)+e

0.997

O2+e

O+O+e

5.115

O2+e

O+O-+e

3.654

O2+e

O+O(1D)+e

7.082……*O3生成

O2+O+M

O3+MO-+O2*

O3+e……

大連凌水有O3發(fā)生器工廠，從數(shù)百瓦到數(shù)十千瓦）

4.等離子體環(huán)境工程(示例

)

人類新世紀(jì)面臨的三大環(huán)境問題CO2等溫室氣體排放帶來的全球氣候變暖及海平面升高等災(zāi)害2.NOx,SOx

等排放帶來的酸雨等災(zāi)害3.臭氧層破壞帶來的紫外輻射穿透到大氣層問題

4.等離子體環(huán)境工程(示例

)

最重要的空氣污染物:氮氧化物(NOx=NO,NO2,N2O)硫氧化物(SOx=SO2,

SO3

)(酸雨?。┛蓳]發(fā)性有機(jī)化合物(VOC’s)

如甲醛、苯、甲苯等

VOC=VolatileOrganicCompounds

4.等離子體環(huán)境工程(示例

)

NOx

脫除

1).還原法

NOx+NH3(HR,CO,H2,…) →N2+H2O(+CO2)

*

火力發(fā)電廠燃燒尾氣:NH3-selectivecatalytic reduction(overoxidesofV,Ti,W).

已產(chǎn)業(yè)化

*

汽車尾氣(oxygen-free）

三效催化劑（Three-WayCatalysts) 同時(shí)脫除NOx,HR&CO 已產(chǎn)業(yè)化

*

富氧燃燒(lean-burn)內(nèi)燃機(jī)尾氣

選擇還原催化劑開發(fā)中

2).氧化法

NO+O(O3,HO2)→NO2

NO2+OH→HNO3 HNO3+NH3→NH4NO3

3).分解法

NOx→N2+O2

*

熱力學(xué)可行

*

最理想也最困難Plasma產(chǎn)生的條件足夠的反應(yīng)氣體和反應(yīng)氣壓反應(yīng)產(chǎn)物須能高速撞擊清洗物的表面具有足夠的能量供應(yīng)反應(yīng)后所產(chǎn)生的物質(zhì)必須是可揮發(fā)性的細(xì)微結(jié)合物,以便于VacuumPump將其抽走Pump的容量和速度須足夠大,以便迅速排出反應(yīng)的付產(chǎn)品,及再填充反應(yīng)氣體工作原理13.56MHz+Are-+Are-產(chǎn)品Ar高頻電極地極當(dāng)chamber內(nèi)部之壓力低到某一程度(約10-1torr左右)時(shí),氣態(tài)正離子開始往負(fù)電極移動(dòng),由于受電場(chǎng)作用會(huì)加速撞擊負(fù)電極板,產(chǎn)生電極板表面原子,雜質(zhì)分子和離子以及二次電子(e-)…等,此e-又會(huì)受電場(chǎng)作用往正電極方向移動(dòng),于移動(dòng)過程會(huì)撞擊chamber內(nèi)之氣體分子(ex.:Ar原子…等),產(chǎn)生Ar+等氣態(tài)正離子,此Ar+再受電場(chǎng)的作用去撞擊負(fù)電極板,又再產(chǎn)生表面原子以及二次電子(e-)…等,如此周而復(fù)始之作用即為Plasma產(chǎn)生之原理.EZ刻蝕機(jī)的工作原理O2Plasma

O2是利用自由原子以化學(xué)方法蝕除有機(jī)物的。

O2+e------>2O＋eCO2+H2O＋e優(yōu)點(diǎn):清洗速度比較快,并且清洗的效果顯著,

比較干凈缺點(diǎn):不適宜易氧化的材料的清洗有機(jī)物ArPlasma

利用比較重的離子,以物理方法打破有機(jī)物脆弱的化學(xué)鍵并是表面污染物脫離被清洗物表面,清除有機(jī)物得方程式為﹕

Ar+e------>Ar++2e------>Ar++CxHy優(yōu)點(diǎn):由于Ar為惰性氣體,不會(huì)氧化材質(zhì),因而被普遍使用缺點(diǎn):清洗效果較弱.因此O2比Ar的效果比較好PlasmaProcess:EnergeticProcess(積極的處理)適合于Etching/cleaningModerateProcess(中等的處理)適合于表面活化表面活化主要用于聚合體(Polymers),通過Plasma的洗,(在O2或ArPlasma中進(jìn)行短暫的暴光即可),可以增加表面的粘著力.

原理:通過Plasma,清除表面的污染物,使其表面變粗,可以暴露出更多的表面區(qū)域,以建立miniaturedipoles(微形的雙極子),從而增加電性的粘著力.

表面活化檢驗(yàn)方法應(yīng)用最為廣泛.當(dāng)一滴水珠滴到未清洗的基板上時(shí)的擴(kuò)散效果會(huì)很差,而經(jīng)清洗后的基板則會(huì)很好.ContactAngle最高點(diǎn)等離子體科學(xué)涵蓋了受控?zé)岷司圩?、低溫等離子體物理及應(yīng)用、國(guó)防和高技術(shù)應(yīng)用、天體和空間等離子體物理等分支領(lǐng)域。 等離子體科學(xué)在能源、材料、信息、環(huán)保、國(guó)防、微電子、半導(dǎo)體、航空、航天、冶金、生物醫(yī)學(xué)、造紙、化工、紡織、通訊等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。等離子體研究領(lǐng)域?qū)θ祟惷媾R的能源、材料、信息、環(huán)保等許多全局性問題的解決具有重大意義?？偨Y(jié)C1R4C2+O+M+HO2R7R6R5+HR2R3+HO2+O+OH+O+O2R1+N2(A)E2+eF4+HF2F3+OHF1+O+N2(A)E1+eHCHOCOCHOCO2等離子體脫除甲醛反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)圖等離子體脫除甲醛反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)圖等離子體技術(shù)在VLSI中的應(yīng)用

1.等離子體清洗技術(shù)2.離子注入

3.干法刻蝕

4.等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）

離子注入將雜質(zhì)離化、加速，注入到晶體內(nèi)部經(jīng)退火形成特定雜質(zhì)分布的技術(shù)。離子注入的特點(diǎn)注入雜質(zhì)的純度高雜質(zhì)濃度范圍選擇寬可精確控制雜質(zhì)的分布和深度，均勻性好低溫工藝摻雜工藝靈活橫向擴(kuò)散小離子注入的設(shè)備離子源離子加速質(zhì)量分析器掃描裝置工藝腔（終端臺(tái)）等離子體技術(shù)在VLSI中的應(yīng)用

1.等離子體清洗技術(shù)2.離子注入

3.干法刻蝕

4.等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）

干法刻蝕干法刻蝕：利用等離子體激活的化學(xué)反應(yīng)或者是利用高能離子束轟擊完成去除物質(zhì)的方法。干法刻蝕主要分為以下三種：一種是利用輝光放電產(chǎn)生的活性粒子與需要刻蝕的材