等离子体特性及其应用技术

1、等离子体特性及其应用技术 目前，低温等离子体技术已在材料、微电子、化工、机械及环保等众多学科领域中得到较广泛地应用，并已初步形成一个崭新的工业-等离子体工业。例如，在材料学科中，采用等离子体物理气相沉积技术和化学气相沉积技术可以合成一些新型功能薄膜材料；在微电子工业中，采用等离子体刻蚀技术可以对超大规模集成电路进行加工；在化工学科中，采用等离子体聚合技术，可以制备出一些高分子薄膜材料。可以说，“等离子体”这个名词与现在的高新技术领域已联系在一起。低温等离子体技术之所以得到如此广泛地应用，在很大的程度上得益于人们对低温等离子体的物理过程以及等离子体与固体材料表面相互作用机理等方面的研究。本章在具体讨论等离子体与固体表面的相互作用过程之前，先对等离子体的概念特性及其应用技术做以简单介绍。 1.1 等离子体特性 通常称等离子体是 “物质的第四态” ， 它是由许多可流动的带电粒子组成的体系。 通常我们在日常生活中很难接触到等离子体，其原因是在正常情况下物质是以固态、液态及气态形式存在的。实际上，在自然界中 99%的物质是以等离子体状态存在的。我们的地球就是被一弱电离的等离子体（即电离层）所包围

2、。在太空中的一些星体及星系就是由等离子体构成的，如太阳就是一氢等离子体球。当然，人们也可以在实验室中采用不同的气体放电方法来产生等离子体。用于材料表面改性或合成新材料的等离子体，一般都是由低气压放电产生的。 等离子体的状态主要取决于它的化学成分、粒子密度和粒子温度等物理化学参量，其中粒子的密度和温度是等离子体的两个最基本的参量。对于实验室中采用气体放电方式产生的等离子体主要是由电子、离子、中性粒子或粒子团组成的。因此，描述等离子体的密度参数和温度参数主要有：电子的密度 ne和温度 Te、离子的密度 ni和温度 Ti以及中性粒子的密度 ng和温度 Tg。在一般情况下，为了保证等离子体的宏观电中性，要求等离子体处在平衡状态时，电子密度近似地等于离子密度 ne ni= n0。可以用电 离度 gee nnn += （1.1-1） 这个物理参量来描述等离子体的电离程度。低气压放电产生的等离子体是一个弱电离的等离子体（D. 对于典型的辉光放电等离子体，有eV1Tk,cm10neB-3100=，这样 cm1073 D=。 等离子体另一个特性是其振荡性。一般地，处于平衡状态的等离子体在宏观上其密度分布

3、是均匀的，但从微观上看，其密度分布是有涨落的，且这种密度涨落具有振荡性。为了说明等离子体密度涨落的振荡性，不妨可以假设等离子体是仅由电子和离子组成的。由于离子的质量较重，可以看成离子是不动的，构成一均匀分布的正电荷的本底。如果在某点电子的密度突然受到扰动，相对正电荷的离子本底有一个移动，造成电荷空间分离。但这种电荷空间分离不能继续进行下去，因为库仑力的作用将试图把电子拉回到其原来的平衡位置，以保持等离子体的电中性。然而，由于电子具有惯性，它们到达平衡位置时并不能停止下来，而是朝另一个方向继续运动，造成新的电荷空间分离。这样一来，库仑力又要试图把它们拉回到平衡位置，依此下去。 这种现象即称为等离子体的振荡 ( Plasma Oscillation )。等离子体的振荡频率为 e2 0 pmen4= （1.1-4） 实际上，上面我们讨论的是等离子体中的电子密度的振荡性。由于离子的质量远大于电子的质量，因此离子的振荡频率相对很小。所以，通常讲等离子体的振荡实际上就是指电子的振荡。p是等离子体的另一个重要的物理量。等离子体电中性条件要求：等离子体放电的特征时间尺度 t 要远大于等离子体的振荡周期

4、p/1=。 最后，我们讨论一下等离子体中的鞘层现象。考虑一等离子体在初始时刻整体上处于准电中性状态。如果在等离子体中悬浮一个不导电的绝缘基板，那么等离子体中的电子和离子都会朝着基板随机地运动，如图 1.1。单位时间内，到达基板上的平均粒子数正 鞘层区 等离子体区 x V(x) 离子 V0 电子 图 1.1 悬 浮 基 板 附 近 的 鞘 层 比于粒子的热速度。由于电子的热速度eeBmTk= eTv远大于离子的热速度iiBmTk i=Tv，因此单位时间内到达基板上的电子数要远大于离子的个数。到达表面 上的电子除一部分与离子复合外，还将剩余一部分，从而在基板上出现净负电荷积累，即基板表面相对等离子体区呈负电势。该负电势将排斥向表面运动的后续电子，同时吸引正离子。直到基体表面的负电势达到某个确定的值使离子流与电子流相等时为止。显然，由于基体表面呈负电势，那么在基体表面与等离子体交界处形成一个由正离子构成的空间电荷层，也就是离子鞘层。可以证明：在这种情况下，基板上的电势为 ieieeBmTTmeTk/ )/1 (2ln)2(V0+= (1.1-5) 实际上，不仅是悬浮的基板，凡是与等离子体交界

5、的任何绝缘性物体，包括放电室的器壁、电极等，都会在其表面附近形成一离子鞘层。特别是，在等离子体材料表面改性和合成薄膜材料技术中，通常在被加工的工件或基体上施加一负偏压，从几百伏到几十千伏。这时，其表面将会形成一很厚的离子鞘层。下面将看到这种离子鞘层对等离子体的工艺过程起着重要的影响，它直接决定着入射到工件表面上的带电粒子的能量分布和角度分布。 1.2 等离子体的产生 在实验室中，有很多方法和途径可以产生等离子体，如气体放电、激光压缩、射线辐照及热电离等，但最常见和最主要的还是气体放电法。在气体放电实验中，根据放电条件（如气压、电流等）的不同，可以将气体放电分为电晕放电、辉光放电和电弧放电。对于等离子体材料表面改性和合成薄膜材料的工艺，所使用的等离子体通常都是由辉光放电产生的。在辉光放电实验中，气压一般要小于 100 Torr、 施加的电场强度在 50 1000 V/cm，产生的电子温度约为 1eV 左右，电子密度为910 1210 cm3。辉光放电产生的等离子体是一种冷等离子体，有时也称为低温等离子体.，其电子温度远大于离子的温度。 辉光放电又可以分为直流辉光放电、射频辉光放电和微波放

6、电。下面分别对这三种放电形式做以简单介绍。 （1）直流辉光放电（Direct-Current Glow Discharge） 典型的直流辉光放电实验如图 1.2 所示。在一密封的石英玻璃中充满待要放电的气体，气压约为 0.1- 10 Torr，并插入两个金属电极。当管内气压处于上述气压范围某一固定值，且当电源电压 V 高于气体的击穿电压BV时，气体开始电离，形成辉光放电。这种放电的电压约为几百伏，电流约为几百个毫安培。 等离子体 阴极 阳极 直流电源 图 1.2 直 流 辉 光 放 电 装 置 示 意 图 在直流辉光放电管中，从阴极到阳极基本上可以划分八个区域，即阿斯顿暗区、阴极辉光区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极暗区和阳极辉光区。其中，前三个区总称为阴极位降区。大部分源电压是在该区域下降，主要是由于从阴极发射出来的电子在阴极位降区被加速。阴极位降区较暗，不发光。从阴极位降区出来的电子将与负辉区中的原子或分子发生碰撞，使其激发或电离。因此，负辉区发出的光较明亮。经过负辉区后，电子的能量变得较低，以至没有足够的能量再去激发原子或分子，因此在法拉第暗区，发光较暗。在正柱区，电

7、场基本上是均匀的，且电子的密度与离子的密度近似相等。因此该区域就是等离子体区。接近阳极，电子被吸引且受到加速，而离子则被排斥。被加速的电子仍能激发原子或分子，形成发光的阳极辉光区。 直流辉光放电装置的优点是结构较简单，造价较低。但缺点是电离度较低，且电极易受到等离子体中的带电粒子的轰击。电极受到带电粒子的轰击后，将产生表面原子溅射，这样一来，不仅电极的使用寿命被缩短，同时溅射出来的原子将对等离子体造成污染。 (2) 射频辉光放电 (Radio-Frequency Glow Discharge) 射频放电是在薄膜合成工艺和集成电路制备工艺中最常采用的一种放电类型。放电的频率一般在兆赫以上，目前国际上常用的射频放电频率为 13.56MHz 。这种放电可以产生大体积的稳态等离子体。根据电源的耦合方式的不同，射频放电可以分为电容耦合型和电感耦合型；根据电极放置的位置，又可以分为外电极式和内电极式，外电极式又称无极式。图 1.3 为外电极式的电容耦合型和电感耦合型放电装置示意图。对于外电极 a 电容耦合 b 电感耦合 图 1.3 外电极式射 频 放 电 装 置 示 意 图 式放电来说，对于外电极

8、式放电来说，电容耦合是将两环形电极以适当间隔匹配在放电管上，或者把电极分别放置在圆筒形放电管的两侧。加在电极上的高频电场能透过玻璃管壁使管内的气体放电形成等离子体。而电感耦合则用绕在放电管上的线圈代替电极，借助于高频磁场在放电管中产生的涡流电场来电离气体。无极放电的最大优点是避免了由电极的溅射而造成的污染，可以产生均匀而纯净的等离子体。这对采用等离子体技术制备高纯度的薄膜材料非常重要。对于内电极式放电来说，大多采用平行板型。由于平行板型放电稳定性好、效率高，且易获得大面积的均匀等离子体，因此这种形式的放电装置特别适用于等离子体化学气相沉积制备薄膜的工艺。 (3) 微波放电（Microwave Discharges） 微波放电是将微波能量转换为气体分子的内能，使之激发、电离以产生等离子体的一种放电方式。这种放电虽然与射频放电有许多相似之处，但能量的传输方式却不相同。在微波放电中，通常采用波导管或天线将由微波电源产生的微波耦合到放电管内，放电气体存在的少量初始电子被微波电场加速后，与气体分子发生非弹性碰撞并使之电离。若微波的输出的功率适当，便可以使气体击穿，实现持续放电。这样产生的等离子体

9、称为微波等离子体。由于这种放电无需在放电管中设置电极而输出的微波功率可以局域地集中，因此能获得高密度的等离子体。 图 1.4 是一种微波电子回旋共振 ( Electron Cyclotron Resonance, 简称 ECR ) 放电装置。这种放电装置分为两部分， 即放电室和工 微波 进气阀 线圈 图 1.4 ECR 微 波 等 离 子 体 放 电 装 置 作室。在放电室中，工作气体中的初始电子在由电流线圈产生的稳恒磁场的作用下，绕磁力线做回旋运动。电子的回旋频率为 ecemeB= (1.2-1) 其中 B 是磁感应强度。通过适当地调整磁场的空间分布，使得电子回旋频率在沿放电室的轴向上某一位置与微波的圆频率一致，那么就会产生共振现象，称为电子回旋共振。对于这种类型的放电装置，微波的频率一般为 2.45GHz，那么发生共振的磁感应强度为875 高斯。实际上，磁场沿着轴线是发散的。借助于发散磁场的梯度，可以将放电室中产生的等离子体输送到工作室中以供使用。 1.3 等离子体诊断方法 研究等离子体物理过程的方法有两种，一种是采用理论分析和计算机模拟，另一种就是所谓的“等离子体诊断”方法，即采用实验测试的方法来确定等离子体中的一些物理参数，如带电粒子的密度和温度、电场和磁场的空间分布、各种输运系数等。诊断低温等离子体的方法很多，涉及到的内容也很广，但基本上可以分为两类：一类是“打进去”的方法，而另一类则是“拉出来”的方法。前者是派一些“尖兵”深入到等离子体内部去“侦察”。用科学的语言表述就是人为地向等离子体内部送入各种形式的探针，如静电探针、微波探针、粒子探针等。根据这些探针在等离子体中所产生的影响，即可以了解到等离子体内部的情况。而后者是根据

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