等離子體及其應(yīng)用介紹-鍍膜

1、等離子體及其應(yīng)用介紹中國科學(xué)院等離子體物理研究所任兆杏目錄（一）等離子體簡(jiǎn)介（二）真空鍍膜方法和設(shè)備（三）等離子體鍍膜技術(shù)的發(fā)展（一）等離子體簡(jiǎn)介一什么是等離子體二. 等離子體學(xué)科 三實(shí)驗(yàn)室等離子體四.高溫等離子體 五低溫等離子體什么是等離子體7.7.1.2.3.物質(zhì)第四態(tài)等離子體產(chǎn)生帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)7.7.5.6.4. 等離子體的準(zhǔn)中性和表征參數(shù)平均自由程和碰撞頻率 等離子體鞘層 等離子體的整體特性7.1 物質(zhì)第四態(tài)A在自然界，物質(zhì)有四態(tài)： 固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子態(tài)。A人們熟知：物質(zhì)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài) 對(duì)等離子態(tài)則鮮為人知。人類對(duì)等離子體的認(rèn)識(shí)開始于19世紀(jì)30年代的氣體放電研究。

2、在20世紀(jì)初建立了等離子體概念： 即由大量具有相互作用的帶電粒子組成的宏觀時(shí)空尺度（大于德拜屏蔽半徑） 的體系。2. 等離子體產(chǎn)生等離子體是由于載能電子碰撞中性原子變成離子的結(jié)果沙哈方程:WW II - 1 1II II r_I 屮 I I - 一卞；P實(shí)驗(yàn)也證明,只有當(dāng)kT>0.化VW氣體才有明顯的電離 復(fù)合等離子體產(chǎn)生的方法與電子的產(chǎn)生和加速密切聯(lián)系 n在后面分別介紹3帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)0在均勻缽區(qū)0B中的回養(yǎng)運(yùn)動(dòng)在VB中的回嫌運(yùn)動(dòng)SB坍B廣B4.等離子體的準(zhǔn)中性和表征參數(shù)試驗(yàn)電荷0_ © °<E>© ©4±)e &

3、#174;© <3 O ©0 c 冬一n ®0 eoo so嚴(yán)©© o正離子和電子組成的 電中中生的流體當(dāng)空間尺度V德拜半徑 就不能稱為等離子體 例如:電子束/離子束 就不能稱為等離子體粒子分布函數(shù):加)+ v2 + w2)/(kTa)密度he、m、nJ；電離度:ne/nn溫度 、TJ電子/離子的平均動(dòng)能(leV = 12000° c)等離子體能量:nkT,低密度/低溫等離子體能量很低;等離子體電位:(Vp)0X斛KpsusI4 0QO5. 平均自由程和碰撞頻率For 5 mtorr of argon （300K） with 5

4、ev electronsCollision typeMean Free Path電子電子40 rr電子-氮（動(dòng)量損失）50 cm 電子歳（電離）5 m電子題二次電離）100 m 氧氨2 cm電子能雖(eV)6. 等離子體鞘層片甘表面雯蜀;等離子佯：r *v - exp I 土字:尊離子體；:1二-b .-1-八krreJn2<? M-.' r I n.;；.dF = pda： ;:.：-'/1 I .'亠JL k嚴(yán) 7434.電子密度1血10加38電子溫度5巳V.鞘層厚度017irao:爲(wèi)Em業(yè);m m：等離子體鞘層一直是等離子體理論和實(shí)驗(yàn)的研究熱點(diǎn)等離子體 I

5、4高壓鞘層瞬態(tài)鞘層S ny6n0S7.等離子體的整體特性7.等離子體的整體特性電阻和電導(dǎo)利用電阻進(jìn)行歐姆加熱等離子體中的擴(kuò)散輸運(yùn) 單極擴(kuò)散：DkT/m電子比離子快得多 雙極擴(kuò)散：電子離子共同的擴(kuò)散二. 等離子體學(xué)科磁約東聚變堆到70年代末，等離子體已 發(fā)展成為一門獨(dú)立的分支學(xué)科, 其研究對(duì)象為：天體等離子體近地電離層空間等離子體R10¥010星際空間rnmyJ一 體發(fā)電磁約束實(shí)驗(yàn)大氣密度斗等離子體焦點(diǎn)6I001 _I_I_I一I_I_I_I一I_I_1_I_i_I_I_I_LLLJ_IO7 IO9 M涉酬1出瀘IQ15滬瀘10* IQ19 I於I稱I滬瀘於I聲於電子密度b./e1人工

6、產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)室等離子體。三. 實(shí)驗(yàn)室等離子體按其中帶電粒子溫度的相對(duì)高低，以及應(yīng) 用目標(biāo)，可將實(shí)驗(yàn)室等離子體分為：A高溫等離子體：溫度T在數(shù)十eV（幾十萬度）以上幾乎完全電離，氫彈和可控核聚變；A低溫等離子體：溫度T在數(shù)十eV（幾十萬度）以下部分電離50%,各種工業(yè)應(yīng)用.四. 高溫等離子體能源分為三大類：自然能源水力 風(fēng)力 太陽能核能核裂變核聚變化石能源木材 煤炭 油核能的現(xiàn)狀與發(fā)展:重核裂變輕核聚變儲(chǔ)量有限儲(chǔ)量充足污染環(huán)境污染小不安全安全高溫等離子體研究的主要目標(biāo)氫彈-毀滅人類的最可怕的武器 和平利用:高溫等離子體條件下氛氟核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的巨大能量，可以解決人類未來的能源問題D + T = H

7、e + n +14.5eV在海水D有極大的儲(chǔ)量,1升海水300升汽油聚變能是人類清潔而又無限的理想新能源聚變電站示意圖Fusion Power Station3Supmondudiri CellLineUhr 和 HighVacuum PumnTUdbine G&twrtor五低溫等離子體低溫等離子體的研究和應(yīng)用目標(biāo)極為廣泛：利用低溫等離子體條件下所具有的特殊的物理 和化學(xué)性質(zhì)形成了一些新技術(shù)，在材料、信息 、能源、化工、冶金、機(jī)械、環(huán)保、軍工、和 航天等領(lǐng)域表現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢(shì)。人們通常又把低溫等離子體分成為：A熱等離子體（平衡態(tài)等離子體TrTe）;A冷等離子體（非平衡態(tài)等離子體Ti&

8、#171;Te ） o1.熱等離子體及其應(yīng)用A. 等離子體焊接與切割B噴涂和表面改性C. 等離子體合成與分解D. 等離子體冶金和中間包加熱等離子體炬燃燒廢物A.等離子體焊接與切割開關(guān)電源焊接機(jī)；漏抗式電源空氣等離子體切割機(jī)；大功率可控硅電源空氣等離子體切割機(jī);開關(guān)電源空氣等離子體切割機(jī)；還可開發(fā)切割非金屬材料的切割機(jī)。開關(guān)電源有廣泛的推廣應(yīng)用前景。電弧、等離子炬噴涂：對(duì)金屬表面：可用直接電弧等離子體噴涂;對(duì)金屬表面，特別是非金屬表面可用雙電 極電弧等離子體噴涂。金屬材料表面沾火非金屬材料表面加工C. 等離子體合成與分解合成粉、合成氣、分解、化合D等離子體冶金和中間包加熱電弧煉鋼、各種有色金屬冶

9、煉;保持連鑄中間包恒溫。E.等離子體炬燃燒廢物工作溫度可達(dá)5000OC以上，幾乎所有的有毒氣體和粉體在如此高溫下都可以分解為無毒的物質(zhì)，并達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn);助燃燃煤鍋爐，降低硫排放兩倍以上；還可以應(yīng)用來助燃煤火炬，提高焚燒城 市垃圾的溫度，降低排氣污染。2.冷等離子體及其應(yīng)用大氣壓放電等離子體低氣壓放電等離子體暗放電輝光放電弧光放電I510*10 |O*e -io*604g-2I100 topoo電流I（A）A.大氣壓放電等離子體平板電極電介質(zhì)層平板電A.大氣壓放電等離子體M沖電源I絲電極高壓電源針電極平板電極平板電極高頻電源電介廣層平板電極電介質(zhì)層平板電B.低氣壓放電等離子體的應(yīng)用a.b.c.電

10、暈放電一空氣凈化、印刷制板、脫硫、脫硝、尾氣 處理、生物應(yīng)用；介質(zhì)阻擋放電一臭氧、消毒、種子處理；輝光放電一紡織、有機(jī)物表面處理；多項(xiàng)介質(zhì)放電一水處理、化工應(yīng)用刻蝕-已經(jīng)應(yīng)用鍍膜-正在開始刻蝕和制備薄膜。a. 等禺子體光源和顯不b. 等離子體表面處理c. 等離子體刻蝕加工d. 等離子體離子源等離子體制備薄膜材料a.等罔子體光源和顯示有極燈：熒光燈、納燈、鹵數(shù)燈，已廣泛應(yīng)用。無極燈：射頻燈、微波燈；發(fā)熱量小、電效率 高、使用壽命長(zhǎng)，可開發(fā)成系列產(chǎn)品。紫外光源：消毒滅菌；照射二氧化鈦，進(jìn)行有機(jī)污水處理；光聚合反應(yīng)（印刷業(yè)）O等離子體顯示電視機(jī)。b.等離子體表面處理金屬表面氮化有機(jī)材料表面侵水性處理

11、等離子體紡織印染整理設(shè)備C.等離子體刻蝕加工微電子芯片的刻蝕加工微米、亞微米、深亞微米、納米;微機(jī)械加工;光學(xué)鏡面的刻蝕加工。D. 等離子體離子源聚變研究中的中性束加熱技術(shù)離子束技術(shù)在生物工程中的應(yīng)用離子束輔助沉積薄膜技術(shù)離子束技術(shù)簡(jiǎn)介其他應(yīng)用E. 等離子體制備薄膜材料等離子體制備薄膜材料是冷等離子體應(yīng) 用最活躍的領(lǐng)域；已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)或正在形成的產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目包 括兩方面：等離子體制備薄膜方法和設(shè)備；薄膜材料研究和產(chǎn)業(yè)。研究等離子體的主要單位高溫-等離子體所、西南物理研究院、 清華工物系、物理所、科大低溫-等離子體所、西南物理研究院、力學(xué)所、 物理所、科大、清華、大連理工、電子科技大 孝、親南關(guān)學(xué)、七

12、o東華大學(xué)、北京印刷學(xué)院、蘇大、復(fù)旦、華 申科技夫、盒漢工裡夫李、華南師大、河北 大學(xué)、西北師大、 9院、21所、國防科大（二）真空鍍膜方法和設(shè)備如上所述，等離子體在薄膜科技中有廣泛 應(yīng)用，清洗、刻蝕、去膠等，例如在微電子 行業(yè)，有40%的加工工業(yè)離不開等離子體。以下以在鍍膜中的應(yīng)用為主介紹。、傳統(tǒng)真空鍍膜的方法和設(shè)備1、離子鍍膜與等離子體增強(qiáng)鍍膜離子束增強(qiáng)鍍膜、傳統(tǒng)真空鍍膜的方法和設(shè)備沒有離子與基片和薄膜表面直接相互作用 對(duì) CVD:對(duì) PVD:汽化：蒸發(fā)、濺射等蒸發(fā)：熱蒸發(fā)：直接加熱、感應(yīng)加熱等;束蒸發(fā)：電子束、離子束、激光束。濺射：離子束濺射等。傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)：致密性差機(jī)械性能不穩(wěn)定速率

13、慢等、離子鍍膜與等離子體增強(qiáng)鍍膜有離子與基片和薄膜表面直接相互作用 PVD: PEPVD、IEPVD等活性蒸發(fā)、磁控濺射、多弧離子鍍等 CVD: PECVD、IECVD等ICPPECVD、MWECRPECVD等混合型：更廣泛活性反應(yīng)蒸發(fā)、反應(yīng)磁控濺射、反應(yīng)離子鍍等現(xiàn)在可以毫不含糊地說，鍍膜離不開等離子體!離子參與鍍膜的重要性離子的運(yùn)動(dòng)特性在沉積薄膜過程中，在傳統(tǒng)的原子、分子以及他們 的團(tuán)簇與基片和薄膜相互作用之外，增加了離子參 與與基片和薄膜表面的相互作用；在離子束輔助的情況下，離子以束流的方向和能量 與基片和薄膜表面作用；在等離子體輔助的情況下，等離子體與基片和薄膜 表面形成等離子體鞘層，離

14、子以鞘層電場(chǎng)的方向和 能量與基片和薄膜表面作用。離子與表面相互作用吸附和撲獲濺射二次電子發(fā)射化學(xué)反應(yīng)0色a褂已糕MK1 10J IO5離子龍盤（S101IOO冊(cè)離子O陥瓷、哈頤蚪&凰0-離子參與鍍膜創(chuàng)造的條件和結(jié)果成膜環(huán)境由氣態(tài)變成了等離子體態(tài);等離子體態(tài)條件下的物種:少量的電子和離子 大量的高活性的原子、分子以及自由基;結(jié)果:與基片和薄膜表面的相互作用大大加強(qiáng)，速率加快;需要的沉積溫度大大降低;大大改善薄膜質(zhì)量：致密性、附著力、結(jié)構(gòu)性能等 創(chuàng)造了制備新型薄膜條件離子鍍膜用等離子體生成膜料，同時(shí)起輔助作用常用的等離子體產(chǎn)生的方法：輝光放電：直流、脈沖、高頻和射頻等;弧光放電：直流和脈沖

15、等目前常用的是：磁控濺射多弧鍍等離子體增強(qiáng)鍍膜不用等離子體生成膜料，但采用等離子體輔助，包括鍍 前、鍍后處理。 PVD發(fā)展為PEPVD CVD發(fā)展為PECVD混合型最重要的是研究合用的等離子體源。離子能量由等離子體空間電位及鞘層負(fù)電位決定:數(shù)eV 100 eV對(duì)穩(wěn)態(tài)數(shù)百eV 數(shù)十k eV- -對(duì)快脈沖合用的等離子體源分析按產(chǎn)生和加速電子的 方法不同分10*10 io*e 10"10"2I100300電流I (A)有極放電：直流、交流、脈沖、高頻輝光：Hall;弧光：熱陰極?。唤橘|(zhì)阻擋：脈沖、高頻和射頻(CCP)等;無極放電：射頻：ICP和TCP等；微波：微波和微波ECR等。

16、三、離子束增強(qiáng)鍍膜 不用離子束生成膜料，但采用離子束輔助,包括鍍前、鍍后處理。 PVD發(fā)展為IEPVD CVD發(fā)展為IECVD混合型，包括多種形式的混合。 最重要的是研究合用的離子束源o離子束源的基本概念作用于薄膜表面離子的能量由離子束加速電壓決定lOOeV 一數(shù)keV )東中性牝器合用的離子束源分析有極放電：考夫曼、潘寧、佛里M(Freeman)> 雙壓縮、雙潘寧、射頻容性耦合(CCP)無極放電：微波ECR、射頻感性耦合(ICP)其它離子源：束一等離子體離子源（三）等離子體鍍膜技術(shù)的發(fā)展一、等離子體鍍膜技術(shù)的發(fā)展歷程二、等離子體鍍膜技術(shù)的應(yīng)用形式三、非平衡等離子體磁控濺射技術(shù) 四、等離

17、子體增強(qiáng)蒸發(fā)鍍技術(shù)五、射頻ICP等離子體增強(qiáng)鍍膜技術(shù)六、微波ECR等離子體增強(qiáng)鍍膜技術(shù)亠、等離子體鍍膜技術(shù)的發(fā)展歷程首先大規(guī)模應(yīng)用在半導(dǎo)體和微電子生產(chǎn)線上 前期：直流磁控濺射、CCP等；近期：微波ECR和ICP等。隨后大規(guī)模應(yīng)用在裝飾鍍和硬質(zhì)膜最典型的是多弧離子鍍膜機(jī)磁控濺射鍍膜機(jī)近年來應(yīng)用在光學(xué)膜和光電子薄膜國內(nèi)已有數(shù)十家專業(yè)等離子體鍍膜設(shè)備廠商二、等離子體鍍膜技術(shù)的應(yīng)用形式單片式：半導(dǎo)體和微電子工業(yè) 旋轉(zhuǎn)式：光學(xué)薄膜工業(yè)/基片殲V膜崖V ? <ABJ-:丄燕氣淹電于束料増堀合金特單塞粗塢從檯定連絨送進(jìn)Xbi-Xeh 的博池中慕發(fā)XtXbi懸掛式：裝飾和機(jī)械工業(yè) 卷繞式：電器和包裝工業(yè)

18、多室連續(xù)式：顯示薄膜工業(yè)，大批量1、非平衡磁控濺射技術(shù)A. 什么是平衡非平衡？B. 非平衡磁控濺射的兩種形式C. 物理特性D. 非平衡的優(yōu)點(diǎn)E. 圓形靶的設(shè)備F. 矩形靶的設(shè)備A什么是平衡非平衡?平衡和非平衡磁控器是通常應(yīng)用的術(shù)語 平衡的術(shù)語一般地應(yīng)用與傳統(tǒng)的磁控器 非平衡磁控器被應(yīng)用來描敘： 在沉積薄膜的同時(shí)也能夠?qū)Ρ∧け砻娈a(chǎn) 生離子轟擊。B非平衡靶的兩種形式CYLINDRICAL MAGNETSOFT IRON'Windows andSavvides1是第一個(gè)定義考慮和把非平衡磁控分類的ANNULAR MAGNETSource: B. Window and N. Savvides,

19、 J. Vac Sci. Technol.A 4(2), 196 (1986).C.物理意義電子在損失到磁控器之前必須經(jīng)過所有磁力線到達(dá)零點(diǎn)磁“零點(diǎn)”的位置和磁場(chǎng)強(qiáng)度 來定義磁系統(tǒng)是平衡還是非平衡如果Z大e. >W 那么電子逃 逸的機(jī)會(huì)小 因此磁控是 好的平衡電子在磁控等離子體中的運(yùn)動(dòng)當(dāng)電子離開靶運(yùn)動(dòng)時(shí)， 電子被冷卻和損失能量。好的磁捕獲可使電子的能量損失得更多。陽極位置對(duì)等離子體電子的影響陽極的作用是有利還是有害與工藝有關(guān)。因此，陽極的位置是磁場(chǎng)設(shè)計(jì)的組成部分,對(duì)離子轟擊基片的水平有很大的影響。D非平衡的優(yōu)點(diǎn)增加了等離子體的反應(yīng)能力;來自于非平衡磁控器的離子轟擊對(duì)一些應(yīng)用有很大的益處;

20、對(duì)形成化合物有利;PP150對(duì)致密涂層有利。Variable VTECH Magnetrons我宀能夠改變磁平衡和非平衡的水平 可變VTECH磁控也就是改變了離子轟擊生長(zhǎng)薄膜的水平Variable VTECH MagnetronsVT150 fully unbalancedposition Bz=0 73,5mmin > > :nVT150 middle balanced position Bz=0 111mm圓 Vtech可變磁控器 的磁陣列設(shè)計(jì)矩形 Vtech variable magnetronsBalancedUnbalancedVT100300 fully unbala

21、need position Bz=0 44mmVT100300 middle balanced position Bz=0 61mmVT100300 fully balaneed position Bz=0 80mm3J/;nB -./M : b I rf彥:Linked2 x VT100300 Unbalanced附加磁平衡和非平衡程度的磁極性將對(duì) 靶前區(qū)域的等離子體性質(zhì)具有很大的影響2x VT100300 Un balanced2x VT100300 Balanced2xVT100300 Bala need Linked謬p篦四、等離子體增強(qiáng)蒸發(fā)鍍技術(shù)1.新的挑戰(zhàn)2. 等離子體增強(qiáng)沉積技術(shù)

22、離子束增強(qiáng)沉積技術(shù)1新的挑戰(zhàn)有機(jī)光學(xué)元件基片材料的采用;光纖通信工業(yè)應(yīng)用中提出了更高的技術(shù)要求;多層光學(xué)涂層薄膜;以及其他需要發(fā)展新工藝的應(yīng)用。蒸發(fā)鍍是光學(xué)涂層的主要制備方法，但它不能滿足更高的致密性要求、改善機(jī)械性能和產(chǎn)品的快速生產(chǎn)等方面的要求。引入離子增強(qiáng)沉積在一定程度上能夠改善熱蒸發(fā)沉積薄膜的持久性和穩(wěn)定性方面的性能;這種工藝的功能已經(jīng)在材料等許多領(lǐng)域被證明，當(dāng)然 它不一定能滿足一些涂層應(yīng)用的特殊要求。薄膜沉積對(duì)離子源的要求近十年來，離子源在材料改性、刻蝕和 薄膜沉積領(lǐng)域有著越來越重要的作用；同時(shí)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展對(duì)離子源也提岀了 更高的要求，例如要求：A可靠性更高、A運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)、A維護(hù)更

23、簡(jiǎn)便、低污染以及A能量可調(diào)、束流更均勻等。實(shí)現(xiàn)等離子增強(qiáng)的工藝方法按能區(qū)將離子增強(qiáng)分為兩大類:等離子體增強(qiáng)：PEPVD、PECVD:離子能量由等離子體空間電位及鞘層負(fù)電位決定：數(shù)eV100 eV對(duì)穩(wěn)態(tài)數(shù)百eV 數(shù)十keV對(duì)脈沖;離子束增強(qiáng)：IBEPVD, IBECVD:作用于薄膜表面離子的能量由離子束加速電壓 決定（100eV 數(shù)keV ）。2、等離子體增強(qiáng)沉積技術(shù)用等離子體源(PS)技 術(shù)可以使離子輔助沉積加 工達(dá)到比較高的水平。PS以很均勻的強(qiáng)離子流 度覆蓋大面積基片架。試驗(yàn)顯示，薄膜具有優(yōu)良 的光學(xué)性能1. 熱陰極等離子體源的優(yōu)點(diǎn)為了提高熱陰極抗氧化，采用LaB6陰極；采用螺線管磁體建立

24、磁力線，提高了離化率， 并約東電子沿磁力線螺旋運(yùn)動(dòng)，驅(qū)使等離子體 到達(dá)基片架表面。能在氣壓低于10-4mbar的范圍內(nèi)運(yùn)行。 蠶勰黠豔體電離'因而增長(zhǎng)了基片上慨時(shí)蠶冊(cè)子的表面遷移率,LaB6陰極的缺點(diǎn)使用壽命仍然很短；（標(biāo)定為幾百小時(shí)， 實(shí)際僅用幾小時(shí)），價(jià)格太貴（6000元/只以上）；有極放電，雜質(zhì)比較多；特別是反應(yīng)氣體是氧氣或腐蝕性氣體時(shí), 對(duì)實(shí)際應(yīng)用來說，價(jià)值比較小。2. Hall等離子體源用于薄膜沉積和等離子體表面過程的離子源都能追溯到:離子火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和離子推進(jìn)器 陽極層離子推進(jìn)器(Anode layer ion thruster)磁體層離子推進(jìn)器(Magnet layer i

25、on thruster)磁體層等離子源Magnet layer sourcesCeramicChannelCathodeMagneticGas feed優(yōu)點(diǎn):氣壓較低缺點(diǎn):結(jié)構(gòu)復(fù)雜Anode'UMagnetic weedingAnode陽極層離子源Anode layer sourceGas feedCathodeMagnetic fieldAnodeMagnetic weeding優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)： 氣壓較高 利用陰 極鞘層電位 差較大原理 提高離子能 量分布電子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)示恵圖29ElectronsXX XMagnetic fieldHall離子源的工作原理Zliall

26、CurrentBAnodeHall離子源的設(shè)計(jì)進(jìn)氣室Hall離子源設(shè)計(jì)參數(shù)r參數(shù)單位設(shè)計(jì)值放電電壓kV0.7 3.0最大放電電流mA/cm10 30最大放電功率1W/cm33100n匚作氣壓mtorr0.1 10最大進(jìn)氣流量Sccm/cm3平均禺子能量eV10 20Hall離子源的應(yīng)用基片預(yù)處理增強(qiáng)沉積Poo surface wettability Low surface energy Big contact anglejC contact/ dropletSubstrata|Good surface wettability High surface energy Small contact

27、angle基片表面接觸角四、離子束增強(qiáng)沉積技術(shù)1、離子束預(yù)清洗2、離子束刻蝕3、離子束沉積4、離子束濺射沉積5、離子束輔助沉積6、大面積基片的應(yīng)用1、離子束預(yù)清洗 Ion-beam cleaning, IBC Ion(Ar,*) SourceIon beamEphsqns2、離子束刻蝕 Ion-beam etching, IBEGasesIonSourceIon beam3、離子束沉積Ion-beam deposition, IBDThin film or coatingGases andProcursorsIonSourceIon beamBebsqns4、離子束濺射沉積Ion-beam s

28、putter depositionJBSD5、離子束輔助沉積Ion-beam assisted deposition, IBAD6、大面積基片的應(yīng)用Ion beamIon beamcleaning Assisted Deposition連續(xù)式卷繞式1五、射頻ICP和TCP刖呂2射頻ICP和TCP的原理3. 結(jié)構(gòu)和參數(shù)4. 射頻匹配網(wǎng)絡(luò)5. ICP和TCP離子束源6. 實(shí)驗(yàn)及分析1.、Fd冃U g等離子體廣泛應(yīng)用于材料改性、刻蝕和 薄膜沉積領(lǐng)域射頻感應(yīng)耦合等離子體（RF ICP）源有 獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：能產(chǎn)生高密度的純凈等離子體；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能價(jià)格比好；使用壽命長(zhǎng)。應(yīng)用等離子體參數(shù)的比較應(yīng)用等離子體類

29、型的比較等離子體參數(shù)DCRFICPMWMWECR放電頻率(MHz)DC13.5613.5624502450電子溫度(eV)幾個(gè)幾個(gè)幾個(gè)幾個(gè)幾十氣壓(P#)1-1001-100.1-101-100.001-0.1電子密度(1出°)0.1-1110-1000110-100電離率()<0.111-10120-50最大離子能量(eV)數(shù)百數(shù)百數(shù)十?dāng)?shù)十?dāng)?shù)十射頻ICP和TCP的截面圖ICP源和TCP源1 Hie cross-sectional view of a cylindrical-type ICPTCP射頻ICP和TCP的截面圖1 Hie cross-sectional view o

30、f a cylindrical-type ICPTCP射頻ICP和TCP的截面圖環(huán)狀螺璇天線石英杯RF源平面螺族天線RFW I石英板1 Hie cross-sectional view of a cylindrical-type ICPTCP射頻ICP和TCP的截面圖1 Hie cross-sectional view of a cylindrical-type ICPTCP射頻ICP和TCP的截面圖1 Hie cross-sectional view of a cylindrical-type ICPTCP射頻ICP和TCP的截面圖2.ICP的原理圖1 Hie cross-sectional

31、 view of a cylindrical-type ICPTCP射頻ICP的原理概述射頻源的發(fā)射天線繞在電絕緣的真空容 器外邊；當(dāng)通過匹配網(wǎng)絡(luò)將射頻功率加到天線上 時(shí)，天線中就有射頻電流通過，于是產(chǎn) 生射頻磁通，并且在真空容器的內(nèi)部沿著圓筒形容器的軸向感應(yīng)岀射頻電場(chǎng);真空容器中的電子被電場(chǎng)加速，從而產(chǎn) 生密集的等離子體，同時(shí)天線的能量被 耦合到等離子體中。1-射頻源5 天線射頻ICP離子源的結(jié)構(gòu)和參數(shù)4射頻功率源：300 800W4離子能量：100 2000eV6離子流密度：2 mA/cm2真空室運(yùn)行氣壓v lxlO_2Pa2匹配網(wǎng)絡(luò) 3 流量計(jì)4石英放電室6 引出柵射頻匹配網(wǎng)絡(luò)的必要性在

32、射頻放電回路中，為了使得射頻發(fā)生器的輸出阻抗與負(fù)載阻抗能夠匹配，需要在射頻電源和放電 發(fā)生器之間設(shè)置一阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。射頻電源天線ICP離子源氣體放電17 2 03 PM5. ICP和TCP離子束技術(shù)如果希望撞擊工件表面的離子能量穩(wěn)定地提高到lOOeV以上，還可以在等離子體引出口處增加離子束引出柵來實(shí)現(xiàn)。施加到引出柵上的電壓將決定撞擊到工件表面 上離手耒的能量。與等離子體源不同，撞擊到工件表面的離子 （中性）束的能量幾乎為單能。與脈沖負(fù)偏壓技術(shù)相比，對(duì)凹凸不平的表面比 較難以均勻作用；但對(duì)放電干擾小。離子束源的分類有極放電：考夫曼、潘寧、佛里曼(Freeman)雙壓縮、雙潘寧、射頻容性耦合無極放

33、電：微波ECR、射頻感性耦合(ICP)其它離子源：束一等離子體離子源亠與等離子體源一樣，ICP離子束源性價(jià)比最高。離子束的引出左圖是兩柵電極引出離子束的示意圖;離子在負(fù)電位 的作用下由左 向右加速；電子在正電位 的作用下由右 向左加速。放電等離子體門7皿5冷離子軌還2eZ DTri云工作電壓（A/如）離干軌跡電如前所述：）中閭電壓等離子源技術(shù)的 發(fā)展是離子束技術(shù) 發(fā)展的基礎(chǔ)。提高離子束的引出性能提咼引出離子 流密度和好的 束性能；降低電子反流;采用三電極（加減速）引 出柵；"電斥電檢電荷交快中忙 將f的“擊負(fù)電&電吸樓電電極-V.v»o電生 的軌詢合理地選擇幾 何尺

34、寸和電參 數(shù)。離子束的品質(zhì)因素導(dǎo)流系數(shù)（設(shè)計(jì)最佳化）以及能耗、運(yùn)行氣壓和氣體效率為了在基片架上獲得均勻的離子流,可以合理地設(shè)計(jì)引出柵的曲率。離子束的中和離子束在束等離子體中被部分中和；所 以，測(cè)量耒電流一鞭要為小。為了獲得較完全的中性粒子束，可在引 岀柵后增加電子源，增加中和效率。實(shí)際上，即使沒在引岀柵后增加電子源, 由工在纟|出啟后會(huì)嚴(yán)生耒等禺牛體；當(dāng)離子束到達(dá)工件架時(shí)，也有部分被束 等離子體中的電子中和。ICP離子束的研究icp離子源由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能產(chǎn)生高密度的純凈等離子體、 使用壽命長(zhǎng)、以及性能價(jià)格比好, 正在被廣泛推廣使用。射頻ICP源的設(shè)計(jì)參數(shù)射頻功率源：300 1000W離子能量：

35、100 - 2000eV電極岀口的離子流密度：2mA/cm?真空室運(yùn)行氣壓可接近lxlOPa0200400600800100012001400160018002000Derivation Voltage (V)離子束流與引出柵電壓的關(guān)系0.15-(上 0/VUJ) ZSQCIc<Dro0.100.05 n0.00-引出離子束流與輸入射頻功率的關(guān)系0200400600800100012001400160018002000Derivation Voltage (V)0200400600800100012001400160018002000Derivation Voltage (V)26242

36、2<旦 luauno Uo-oelx3l201100V 800V 500Vx 200V100 120140160rf power (W)180 2000200400600800100012001400160018002000Derivation Voltage (V)引出離子束流與工作氣壓的關(guān)系 100 V 500V 800V 1100V302826242220(VE) luauno Uo-t5elx 山2220 81 I16 I14 24 I o88Gas Pressure (10'2Pa)8長(zhǎng)方型結(jié)構(gòu)TCP離子束源HF supply HESMfe i r Ptenlns4器也

37、00ClwnberDrfsIucrUicWindowHi的V漏geRFColSn<7£n A-Asioud六、微波等離子體及其在薄膜材料研究中的應(yīng)用1. 微波ECR等離子體物理及其應(yīng)用研究 RF偏置；超低氣壓；原子束流源2. 微波等離子體物理及其應(yīng)用研究制備金剛石膜；大體積等離子體徵淬_波導(dǎo)管低氣壓、 高宙度ECR + RF偏晝裝晝庫理低氣壓、 高宙度ECR + RF偏晝裝晝庫理磁場(chǎng)電于回雄濁低氣壓、 高宙度ECR + RF偏晝裝晝庫理低氣壓、 高宙度ECR + RF偏晝裝晝庫理=:ECR共振層基板低氣壓、 高宙度ECR + RF偏晝裝晝庫理低氣壓、 高宙度ECR + RF偏晝

38、裝晝庫理RF偏葺低氣壓、 高宙度ECR + RF偏晝裝晝庫理1 微波ECR等離子體物理 及其應(yīng)用研究等離子體特性研究RF偏置；超低氣壓；原子束流源；沉積SiO2薄膜。微波ECR等離子體特征凈荷備純多制得的的獲強(qiáng)質(zhì)-能性物(1) ecr微波放電是無電極放電, 的等離子體，同時(shí)兼有濃度高、? 態(tài)離子和反應(yīng)基團(tuán)，適于作高純/ 和處理，而且工藝效率更高。(>io%)的等離子體。反冋能量轉(zhuǎn)換率高，微波能量有95%以上轉(zhuǎn)化 為等離子體能量。微波ECR等離子體特征(3) 磁場(chǎng)約束，減少了等離子體與器壁的相互作用。(4) 等離子體產(chǎn)生區(qū)與工藝加工區(qū)分開，從而 可以對(duì)轟擊的離子能量和流量進(jìn)行獨(dú)立播制。(5

39、) 離子能量低，可大大降低工件表面的損傷, 同時(shí)離子能譜窄，能獲得較好的選擇性。III襯底(基片)溫度低，使得在那些不耐高 溫的材料上沉積薄膜成為可能。III300等離子體參數(shù)對(duì)薄膜沉積的影響25W- 砂 -15W- 爐-孫 (u-UI/nlsoD uossochG120180240300 360420480540.Microwave Power (W)8o r54321/0 -6C沉積速率與微波功率關(guān)系等離子體密度與微波功率的關(guān)系180P=2D(WL<15tfcP=6mlar印4O2D81 di JI 1 (u一 EAU2OL) uos(Dod(Dcl4856905251SLbdr龍e

40、axiN pcsiticn(cni沉積速率與基片位置關(guān)系_ 一 r - 7 - n 16128 4 Q§IO-) B 窮 UUP ELUSE-d膜料電離度對(duì)膜質(zhì)量的影響在金屬膜賤射鍍膜中，如果基片離賤射 源太近，由于膜料的電離度不夠高，薄 膜質(zhì)量粗糙；如果離的太遠(yuǎn)，沉積速率不夠高，膜太 薄；只有在比較適當(dāng)?shù)奈恢?，才能快速沉積 高質(zhì)量的薄膜。工作氣壓對(duì)沉積速率的影響5 0 5 0 5 0 5 0 5 04433 2 211 右00二盲。P E日去dPressure mtorro沉積速率與工作氣壓關(guān)系等離子體密度隨氣壓的變化沉積速率與進(jìn)氣配比的關(guān)系沉積速率與進(jìn)氣配比的關(guān)系300250n厶

41、U15U0100(IHUYLU 01) OJeH UOESOd9Q 耳 12沉積速率與進(jìn)氣配比的關(guān)系沉積速率與進(jìn)氣配比的關(guān)系沉積速率與O2:SiH4進(jìn)氣配比關(guān)系沉積速率與基片溫度的關(guān)系120<100-P =200WUL=80AP=5mTorr80>|>i>i-0100200300Substrate temperature (°C)沉積速率與基片溫度關(guān)系400射頻偏置改變T轟擊基板表面的離子能量能量分布由單峰變?yōu)殡p峰結(jié)構(gòu)一個(gè)能量峰升高，另一個(gè)能量峰降低。離子能量雙峰分布與等離子體鞘層電位的關(guān)系轟擊基片表面離子能量的作用表面覆蓋有大量OH根，其中強(qiáng)約束OH根必須在

42、離 子轟擊作用下才能解除吸附，脫離氧化物表面。其 化學(xué)反應(yīng)過程如下：2SiOH (s) + Ar+ - Si-O-Si (s) + H2O (g) + Ar+射頻偏壓通過提高離子能量增強(qiáng)上述化學(xué)反應(yīng),Ar+O2+離子對(duì)表面的轟擊又進(jìn)一步使H2O從基片中脫出，從而形成Si-O-Si鍵，進(jìn)而影響薄膜的化學(xué)計(jì)量比。A射頻偏置對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的影響(a) 無射頻偏壓(b)50W射頻偏壓(c)100W 射頻偏壓(d) 100W 射頻偏壓SiO?薄膜的AFM、STM顯微形貌»射頻偏置對(duì)Si。?薄膜化學(xué)計(jì)量比的影響(SC3) Al-suzu 一 >一肓- XSiC)2薄膜XPS Si 2p譜形狀A(yù)

43、射頻偏置沉積薄膜表面粗糙度的研究2751HEtoiHLHd曲勵(lì)to以血紗tk50W射頻偏置下的薄膜表面的AFM輪廓圖和相應(yīng)的高度分布圖射頻偏置沉積薄膜表面粗糙度的研究60 D80100 D 120 J140Height 肉烏血&R曲1OOW射頻偏置下的薄膜表面的AFM輪廓圖和相應(yīng)的高度分布圖微波ECR氧原子束源原理圖1短路活塞2環(huán)3、5做蕨確磁鋼4中性北皇6貢備圧中隹板7接真空實(shí)金室8中性氣束流9第離子體沆 10石英真空杯11履號(hào)諧撮腔12 W13外導(dǎo)體 U戳茨同軸接頭500磁場(chǎng)設(shè)計(jì)JB <O> I OOO 一500微波ECR緊湊型氧原子束源等離子體產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果在微波功率100W，氣壓為4.0x10-4Pa時(shí)到達(dá)靶 上的