等離子體與固體表面相互作用原理

等離子體與固體表面相互作用原理大連理工大學(xué)物理系2004年2月等離子體物理專(zhuān)業(yè)碩士生選修課程ContentChapter1:IntroductionChapter2:PlasmasheathsChapter3:Tow-bodyelasticcollisionsinsolidsChapter4:NuclearstoppingpowerChapter5:ElectronicstoppingpowerChapter6:Project-rangetheoryforenergeticionsinsolidsChapter7:SputteringphysicsChapter8:Secondaryelectronemission第一章：引言一、等離子體特性

1、成分的復(fù)雜性

對(duì)于等離子體合成薄膜及等離子體刻蝕等工藝過(guò)程，通常采用一些化學(xué)活性的氣體作為工作氣體。這些氣體電離后含有豐富的粒子種類(lèi)，如電子、離子、原子、分子、離子團(tuán)、活性基團(tuán)及光子。如合成類(lèi)金剛石薄膜，采用的工作氣體為CH4

和H2，這樣形成的Plasma中有：

如利用CF4

進(jìn)行等離子體刻蝕工藝，Plasma中有：2、荷能性

等離子體中的電子、離子及中性粒子均是攜帶能量的。在低氣壓等離子體中，電子的溫度約為幾個(gè)電子伏特，離子和中性粒子的溫度約為幾百度。但當(dāng)在基片上施加偏壓時(shí)，離子的能量更高，取決與施加的偏壓。對(duì)于電弧等離子體，整體荷能，電子溫度和離子溫度均在上萬(wàn)度。3、開(kāi)放性

（1）為了維持放電或控制Plasma的形態(tài)，通常施加外電磁場(chǎng)。如：微波電磁場(chǎng)、射頻感應(yīng)耦合電磁場(chǎng)、靜磁場(chǎng)等。

（2）對(duì)于等離子體工藝過(guò)程，放電時(shí)要不斷進(jìn)氣和抽氣。工作氣體的密度要改變。4、時(shí)空變化性

空間非均勻性：

?放電裝置的空間尺度有限

?器壁、電極、基片附近的等離子體空間非均性的宏觀體現(xiàn)：擴(kuò)散、熱傳導(dǎo)、粘滯等

時(shí)間的瞬變性：放電的初期，變化的外電磁場(chǎng)5、Plasmaoscillations

Langmuir振蕩：是電場(chǎng)力和慣性力共同作用的結(jié)果。（高斯單位制）6、PlasmaScreening

在外界擾動(dòng)下，plasma中要出現(xiàn)電荷分離現(xiàn)象，產(chǎn)生局域電場(chǎng)。但這種局域電場(chǎng)要受到等離子體的屏蔽。

DebyeScreening:7、等離子體的基本條件

一個(gè)放電系統(tǒng)，要產(chǎn)生plasma的基本條件為：放電時(shí)間：放電空間尺度：附加條件：二、等離子體源

1、DCglowdischarges

2、RFglowdischarges(a)Capacitivecoupling;Inductivecoupling3、Microwavedischarges

electroncyclotronresonance(ECR)discharges4、Atmospheric-pressure

dischargesDielectricbarrierdischarges(DBD)

1、DCglowdischargesplasmaAnatomyofaCathodeGlow,andSomeObservations90%ofthevoltagedropoccursjustinfrontofthecathode

2、

Radio-frequencydischarges(a)電容耦合RF

RFpowerplasma(b)感應(yīng)耦合

柱狀天線耦合的ICP平面天線耦合的ICPRadiofrequency(RF)glowdischargeplasmasource(RFGD):producealargevolume,highdensityofstableplasmaCapacitiveRFdischargesweretheetchingindustrystandardforyears,andareslowlybeingreplacedbyinductivelycoupledplasmas(ICP).Inductivecoupling:RFcurrentispassedthroughaconductingcoilseparatedfromtheplasmachamberbyaninsulatingwindowAcurrentisinducedintheplasmamuchinthesamewayasinanaircoretransformerWithexternalelectrodesadischargetubethatismadeofglass(quartzorborosilicateglass)isusedRFat13.56MHzisaindustry-standardforinRFGD’s

3、

MicrowaveECRdischarges

plasma三、plasma的診斷：

?“打進(jìn)去”的方法：探針、微波等方法

?“拉出來(lái)”的方法：光譜法（發(fā)射光譜、激光誘導(dǎo)熒光光譜、拍照）

?“打進(jìn)去”+“拉出來(lái)”的方法（1）靜電探針結(jié)構(gòu)示意圖通過(guò)測(cè)量伏安特性：V-I,可以確定出等離子體參數(shù)

plasma（2）光譜分析（3）微波透射分析3、plasma的基本參數(shù)電子溫度Te、電子密度ne

離子溫度Ti、離子密度ni

中性粒子Ta、中性粒子密度na

typicalplasmaparametersforlow-pressuredischarges:Thepressureduringdischargeisbetween10-3and100Torr(1atm=760torr=1.013103Pa)Theelectrondensityinlow-pressurevariesfrom1015to1017m-3,theelectrondensityinmediumpressurecanreach1018m-3ElectrontemperatureisseveraleVandtheiontemperatureisafractionofeV四、低溫等離子體技術(shù)

（與固體表面相互作用的過(guò)程有關(guān)的）沉積功能薄膜材料和材料表面改性集成電路(芯片)輔助加工微電機(jī)系統(tǒng)(Micro-electro-mechanicalsystem,MEMs)輔助加工超大平板顯示系統(tǒng)(等離子體彩電)

1、等離子體薄膜制備技術(shù)

合成各種新型薄膜材料，如光電子薄膜、超導(dǎo)薄膜、生物薄膜及納米薄膜等負(fù)偏壓靶基片plasma物理氣相沉積技術(shù)（濺射技術(shù)）反應(yīng)性氣體基片CH4化學(xué)氣相沉積技術(shù)

等離子體合成類(lèi)金剛石薄膜等離子體合成納米管（絲）為什么需要低介電常數(shù)的薄膜？正在從微電子學(xué)到納米電子學(xué)轉(zhuǎn)變，由此帶來(lái)：

芯片上器件的密度增加

器件的工作頻率增加低介電常數(shù)的薄膜2、等離子體材料表面改性技術(shù)傳統(tǒng)的離子注入技術(shù)：Plasmasource引出系統(tǒng)離子束工件“視線”型離子束改性技術(shù)：效率低，僅適用于簡(jiǎn)單表面形狀的工件等離子體離子流鞘層

等離子體源離子注入(PSII)示意圖特別適用于復(fù)雜工件（如齒輪）的表面改性3、等離子體刻蝕技術(shù)等離子體刻蝕技術(shù)的應(yīng)用(1)超大規(guī)模集成電路的制備(2)微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)的制備MEMS在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用MEMS在人體醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用刻蝕的工藝流程沉積薄膜涂光刻膠暴光刻蝕去膠等離子體輔助加工過(guò)程工藝PlasmaEtchingfeedgasesabsorptionReactionwithSurfaceDiffusionofproductsfromsurfaceSubsequentsurfacereactionsdesorptionMaterialremovalE-FieldionsCathodeRFPowerExhaust13.56MHzStraightSidewalls離子原子四、等離子體與固體表面相互作用的基本過(guò)程plasma濺射中性粒子二次電子ALLPlasmaSpeciesInteractStronglywiththeWallsubstrateEnergyFlowfromPowerSupplytoPlasmaSpeciesWall

1.表面吸附等離子體中的中性粒子（原子、分子及基團(tuán)）將不受鞘層電場(chǎng)的作用，直接向表面遷移。實(shí)際上并不是所有沉積到固體表面上的中性粒子都可以被表面吸附，這與撞擊粒子的種類(lèi)、能量及表面的性能有關(guān)。被吸附的粒子數(shù)與入射到表面的粒子數(shù)之比被稱(chēng)為吸附率。在等離子體化學(xué)氣相沉積成膜工藝中，薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程也就是中性粒子的沉積過(guò)程。2、離子注入如果入射離子的速度方向與固體表面的夾角大于某一臨界角，它將能夠進(jìn)入固體表面層，與固體中的原子發(fā)生一系列的彈性和非彈性碰撞，并不斷地?fù)p失其能量。當(dāng)入射離子的能量損失到某一定的值（約為20eV左右)時(shí)，將停止在固體中不再運(yùn)動(dòng)。上述過(guò)程被稱(chēng)為離子注入過(guò)程。

IonEatoms離子注入的結(jié)果將使固體的表面成分發(fā)生改變。入射離子的能量損失可以分為兩部分：一部分用于靶原子核的反沖運(yùn)動(dòng)，另一部分用于激發(fā)或電離靶原子核外的電子，分別對(duì)應(yīng)于核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng)。對(duì)于低能離子，核阻止本領(lǐng)是主要的，而對(duì)于高能離子，電子阻止本領(lǐng)則是主要的。3、原子的級(jí)聯(lián)運(yùn)動(dòng)

如果固體中的原子在同入射離子碰撞時(shí)獲得能量大于某一閾值時(shí)，將做反沖運(yùn)動(dòng)。該反沖原子將進(jìn)一步與其它靜止原子發(fā)生碰撞，形成新的反沖原子。這樣依次下去，形成一系列原子的運(yùn)動(dòng)，被稱(chēng)為原子的級(jí)聯(lián)運(yùn)動(dòng)。如果初始時(shí)固體是一個(gè)完美的晶體，那么原子級(jí)聯(lián)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果將在固體表面層產(chǎn)生缺陷或原子的位錯(cuò)。經(jīng)退火后，固體表面將會(huì)非晶化，從而改變了固體的表面結(jié)構(gòu)。

4、濺射現(xiàn)象

當(dāng)級(jí)聯(lián)運(yùn)動(dòng)的原子運(yùn)動(dòng)到固體表面時(shí)，如果其能量大于表面的勢(shì)壘，它將克服表面的束縛而飛出表面層，這就是濺射現(xiàn)象。濺射出來(lái)的粒子除了是原子外，也可以是原子團(tuán)。濺射出來(lái)的原子進(jìn)入鞘層后，與鞘層內(nèi)的離子碰撞后將發(fā)生電離，形成新的離子。濺射原子或原子團(tuán)也可以穿過(guò)鞘層進(jìn)入等離子體，并捕獲等離子體中的電子，形成帶負(fù)電的粒子或粒子團(tuán)，通常稱(chēng)為“塵埃粒子”。塵埃粒子的存在將造成對(duì)等離子體的污染，這對(duì)采用等離子體技術(shù)制備高質(zhì)量的薄膜