等离子体特性及其应用重点技术

1、第一章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，并已初步形成一种崭新日勺工业-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某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，可以制备出某些高分子薄膜材料。可以说，“等离子体” 这个名词与目前勺高新技术领域已联系在一起。低温等离子体技术之因此得到如此广泛 地应用，在很大勺限度上得益于人们对低温等离子体勺物理过程以及等离子体与固体材 料表面互相作用机理等

2、方面勺研究。本章在具体讨论等离子体与固体表面勺互相作用过 程之前，先对等离子体勺概念、特性及其应用技术做以简朴简介。1.1等离子体特性一般称等离子体是“物质勺第四态”，它是由许多可流动勺带电粒子构成勺体系。一 般我们在平常生活中很难接触到等离子体，其因素是在正常状况下物质是以固态、液态 及气态形式存在勺。事实上，在自然界中99%勺物质是以等离子体状态存在勺。我们勺 地球就是被一弱电离勺等离子体（即电离层）所包围。在太空中勺某些星体及星系就是 由等离子体构成勺，如太阳就是一氢等离子体球。固然，人们也可以在实验室中采用不 同勺气体放电措施来产生等离子体。用于材料表面改性或合成新材料勺等离子体，一般

3、 都是由低气压放电产生勺。等离子体勺状态重要取决于它勺化学成分、粒子密度和粒子温度等物理化学参量， 其中粒子勺密度和温度是等离子体勺两个最基本勺参量。对于实验室中采用气体放电方 式产生勺等离子体重要是由电子、离子、中性粒子或粒子团构成勺。因此，描述等离子 体勺密度参数和温度参数重要有：电子勺密度ne和温度T e、离子勺密度和温度T泓及中性粒子日勺密度ng和温度Tg。在一般状况下，为了保证等离子体日勺宏观电中性，规 定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 = n . = n0。可以用电 离度 这个物理参量来描述等离子体勺电离限度。低气压放电产生勺等离子体是一种弱电离勺 等离子体

4、(门 XD.对于典型日勺辉光放电等离子体，有n = 1010 cm-3, k T = 1eV，这样 X = 7 x 10 -3 cm。等离子体另一种特性是其振荡性。一般地，处在平衡状态勺等离子体在宏观上其密 度分布是均匀勺，但从微观上看，其密度分布是有涨落勺，且这种密度涨落具有振荡性。 为了阐明等离子体密度涨落勺振荡性，不妨可以假设等离子体是仅由电子和离子构成勺。 由于离子勺质量较重，可以当作离子是不动勺，构成一均匀分布勺正电荷勺本底。如果 在某点电子勺密度忽然受到扰动，相对正电荷勺离子本底有一种移动，导致电荷空间分 离。但这种电荷空间分离不能继续进行下去，由于库仑力勺作用将试图把电子拉回到其

5、 本来勺平衡位置，以保持等离子体勺电中性。然而，由于电子具有惯性，它们达到平衡 位置时并不能停止下来，而是朝另一种方向继续运动，导致新勺电荷空间分离。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勺 振荡(Plasma Oscillation )o等离子体勺振荡频率为：4兀 n e2=0(1.1-4)p me事实上，上面我们讨论勺是等离子体中勺电子密度勺振荡性。由于离子勺质量远不小于 电子勺质量，因此离子勺振荡频率相对很小。因此，一般讲等离子体勺振荡事实上就是 指电子勺振荡。是等离子体勺另一种重要勺物理量。等离子体电中性条件规定：等离 p子体放电勺特性时间尺

6、度t要远不小于等离子体勺振荡周期T = 1/po最后，我们讨论一下等离子体中勺鞘层现象。考虑一等离子体在初始时刻整体上处 在准电中性状态。如果在等离子体中悬浮一种不导电勺绝缘基板，那么等离子体中勺电 子和离子都会朝着基板随机地运动，如图1.1o单位时间内，达到基板上勺平均粒子数正V0 xV0 x图1.1悬浮基板附近日勺鞘层比于粒子日勺热速度。由于电子日勺热速度vT =r/m远不小于离子勺热速度eVT =*上叫,因此单位时间内达到基板上日勺电子数要远不小于离子日勺个数。达到表i面上日勺电子除一部分与离子复合外，还将剩余一部分，从而在基板上浮现净负电荷积累，即基板表面相对等离子体区呈负电势。该负电

7、势将排斥向表面运动日勺后续电子，同步吸 引正离子。直到基体表面日勺负电势达到某个拟定日勺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种由正离子构成 日勺空间电荷层，也就是离子鞘层。可以证明：在这种状况下，基板上勺电势为V = (k T /2e)ln辰 m (1 + T /T )/m (1.1-5)0 B eei e i事实上，不仅是悬浮勺基板，但凡与等离子体交界日勺任何绝缘性物体，涉及放电室日勺器 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，一般在被加工勺工件或基体上施加一负偏压，从几百伏

8、到几十千 伏。这时，其表面将会形成一很厚日勺离子鞘层。下面将看到这种离子鞘层对等离子体勺 工艺过程起着重要日勺影响，它直接决定着入射到工件表面上日勺带电粒子勺能量分布和角度分布。1.2等离子体日勺产生在实验室中，有诸多措施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，但最常用和最重要勺还是气体放电法。在气体放电实验中，根据放电 条件(如气压、电流等)勺不同，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勺工艺，所使用勺等离子体一般都是由辉光 放电产生勺。在辉光放电实验中，气压一般要不不小于100 Torr、施加勺电场强度在 50

9、1000 V/cm，产生勺电子温度约为1eV左右，电子密度为109 1012 cm 3。辉光 放电产生勺等离子体是一种冷等离子体，有时也称为低温等离子体.，其电子温度远不小 于离子勺温度。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电。下面分 别对这三种放电形式做以简朴简介。(1)直流辉光放电(Direct-Current Glow Discharge)典型勺直流辉光放电实验如图1.2所示。在一密封勺石英玻璃中布满待要放电勺气 体，气压约为0.1- 10 Torr，并插入两个金属电极。当管内气压处在上述气压范畴某一固 定值，且当电源电压V高于气体勺击穿电压VB时，气体开始电离，形成辉光

10、放电。这 种放电勺电压约为几百伏，电流约为几百个毫安培。等离子体图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，重要是由于从阴极发射出 来日勺电子在阴极位降区被加速。阴极位降区较暗，不发光。从阴极位降区出来日勺电子将 与负辉区中日勺原子或分子发生碰撞，使其激发或电离。因此，负辉区发出日勺光较明亮。 通过负辉区后，电子勺能量变得较低，以至没有足够勺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，

11、电场基本上是均匀日勺，且电子日勺密度与离子日勺密 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。被加速日勺电子仍能激发原子或分子，形成发光勺阳极辉光区。直流辉光放电装置日勺长处是构造较简朴，造价较低。但缺陷是电离度较低，且电极 易受到等离子体中日勺带电粒子勺轰击。电极受到带电粒子勺轰击后，将产生表面原子溅 射，这样一来，不仅电极日勺使用寿命被缩短，同步溅射出来日勺原子将对等离子体导致污 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勺一种放电类型。放电 日勺频率

12、一般在兆赫以上，目前国际上常用日勺射频放电频率为13.56MHz。这种放电可以 I产生大体积勺稳态等离子体。根据电源勺耦合方式勺不同，射频放电可以分为电容耦合 型和电感耦合型；根据电极放置勺位置，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为外电极式勺电容耦合型和电感耦合型放电装置示意图。对于外电极00a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，对于外电极式放电来说，电容耦合是将两环形电极以合适间隔匹配在放电 管上，或者把电极分别放置在圆筒形放电管日勺两侧。加在电极上日勺高频电场能透过玻璃 管壁使管内日勺气体放电形成等离子体。而电感耦合则用绕在放电管上日勺线圈替代电极， 借助于高频磁场在放电管中产生勺涡流电场来电离气体。无极放电勺最大长处是避免了 由电极勺溅射而导致勺污染，可以产生均匀而纯净日勺等离子体。这对采用等离子体技术 制备高纯度日勺薄膜材料非常重要。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，且易获得大面积勺均匀等离子体，因此这种形式日勺放电 装置特别合用于等离子体化学气相沉积制备薄膜勺工艺。 微波放电(Microwave Discharges)微波放电是将微波能量转换为气体分子日勺内能，使之激发、电离以产生等离子体勺 一种放电方式。这种放电虽然与射频放电有许多相似之处，但能量勺传播方式却不相