等离子体特性及其应用技术Word格式.docx
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1）。
当
时，为完全电离等离子体。
对于实验室中采用低气压放电产生的等离子体，电子的温度T
约为110eV（1eV=11600K）,远大于离子的温度T
（只有数百K，基本上等于中性粒子的温度）。
有时称这种等离子体为冷等离子体（ColdPlasma）。
等离子体在宏观上是呈电中性的。
但如果受到某种扰动，其内部将会出现局域电荷空间分离，产生电场。
如在等离子体中放入一带正电量q的小球，由于该电荷的静电场的作用，它将对等离子体中的电子进行吸引，而对离子进行排斥。
这样，在它的周围将形成一个带负电的球状“电子云”。
这时，带电小球在等离子体中产生的静电势不再是一简单的裸库仑势，而是一屏蔽的库仑势，如：
（1.1-2）
其中
（1.1-3）
为德拜屏蔽长度（DebyeShieldingLength）.可见电子云对带电小球产生的库仑势（或场）起着屏蔽作用，这种现象被称为等离子体的德拜屏蔽。
德拜屏蔽长度是等离子体的一个重要物理参量。
为了保证一个带电粒子系统是一个等离子体，通常要求其空间尺度L要远大于德拜屏蔽长度，即：
L>
>
.对于典型的辉光放电等离子体，有
，这样
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（PlasmaOscillation）。
等离子体的振荡频率为
（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。
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
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
远大于离子的热速度
，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
（1.1-5）
实际上，不仅是悬浮的基板，凡是与等离子体交界的任何绝缘性物体，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100Torr、施加的电场强度在50~1000V/cm，产生的电子温度约为1eV左右，电子密度为
~
cm
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-CurrentGlowDischarge）
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0.1-10Torr，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
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-FrequencyGlowDischarge）
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（MicrowaveDischarges）
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（ElectronCyclotronResonance,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1.4ECR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
（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。
而后者是根据从等离子体中辐射出来的各种电磁波及发射出来的各种粒子来推断出等离子体内部的状况，如发射光谱法、激光诱导荧光光谱法。
下面仅介绍几种最常见的等离子体诊断方法。
（1）静电探针法
静电探针也称朗缪尔探针，是一种最早用来测试等离子体特性的工具之一。
由于它的结构简单，用途广泛，至今仍被人们所使用。
图1.5是一个静电探针测试装置的结构示意图。
实际上，探针就是一根金属丝，除了顶端外，其余本分是用绝缘材料包起来的。
阳极阴极
探针
可变电阻
电源
图1.5静电探针测试装置的结构示意图
由于电子的热速度远大于离子的热速度，因此当探针插入到等离子体中时，电子首先到达探针的表面。
这样，探针的表面电位是负的。
当接上外界电源之后，探针上面就有电流通过。
通过测量探针的伏安曲线（V~I），即可以确定出等离子体的密度
和电子的温度
因为探针表面的电位是负的，只有那些动能大于表面势垒的电子才能到达探针的表面。
这些电子的密度分布为
，其中
为没有插入时的等离子体密度。
这样流过探针表面的电流为
，
是暴露出来的探针的表面积，
为最大饱和电流。
由此可以得到电子的温度为
（1.2-2）
通过测量最大饱和电流
，可以得到等离子体的密度为
（1.2-3）
虽然静电探针在等离子体诊断技术中已被广泛地使用，但会对等离子体的平衡状态造成扰动。
特别是对于高频放电，静电探针会产生很大的干扰。
（2）光谱分析
由于光谱分析技术操作简单，选择性好，灵敏度高等优点，而广泛地应用于测量等离子体参数。
我们知道大多数低温等离子体工艺过程都是在辉光放电条件下进行的。
辉光放电本身可以发射出很强的光，有红外光，紫外光，直至X光。
发射出来的光谱有的是连续的，有的是不连续的，它们的特性与等离子体内部的状态有着直接的关系。
通过对等离子体发射出来的光谱进行分析，不仅可以测量等离子体的参数，同时还可以对工艺过程进行监控。
一般的光谱诊断系统由单色仪、光电倍增管、放大器及记录仪等组成，如图1.6所示。
辉光放电发射出来的光经过由放电室的光学窗口引入单色仪。
在单色仪的出口夹缝处装有光电倍增管，将单色仪发散后的不同波长的光转换成电信号，再经过放大器放大
后进入记录仪，其中单色仪是这个测量系统中的一个关键部件。
在记录仪中装有光探测元件，可以对发射出来的光谱进行拍照。
将拍照出来的光谱与已知元素的光谱线进行比较，即可以推断出等离子体中所含的成分，而根据底片的感光程度及暴光特性，则可以
记录仪
光电倍增管
单色仪
图1.6光谱测量系统
推断出等离子体中电子的温度。
假定两次测得不同频率（为
和
）处的发光强度之
比为
，则电子的温度可以由下式确定
（1.2-4）
（3）微波透射测量法
微波是一种频率很高的电磁波。
它的频率范围为109~1011赫兹，波长从几个厘米到几个毫米。
根据等离子体波动理论可以证明，频率为
的电磁波在非磁化等离子体中传播时，波的色散关系为
（1.2-5）
可见，当
时，电磁波在等离子体中不能传播，称这种现象为波的截止现象。
利用波的截止现象可以测得电子的密度。
图1.7为微波透射测量装置示意图。
调整微波发生
可调衰减器
可调相移器
电源
检测器
接收器
微波发生器
图1.7微波透射测试装置示意图
器的发射频率，是波的传播处于临界截止状态，即
由此可以得到等离子体的密度为
（1.2-6）
可见，这种测量方法较为简单。
1.4等离子体与固体表面相互作用的基本过程
在等离子体材料表面改性及合成薄膜工艺过程中，固体的表面将受到等离子体中大量的荷电粒子和中性粒子（如离子、电子、原子、分子及基团）的辐照。
我们知道等离子体并不是直接与基体或工件表面相接触，而是在它们之间存在着一鞘层，固体表面呈负电位。
特别是离子通过鞘层电场的加速而轰击到固体的表面，产生一系列的物理现象，如入射离子的注入和反射、表面原子反冲运动和溅射、二次电子的产生和发射等。
图1.8显示出等离子体与固体表面相互作用的一些基本过程。
本节简单仅介绍一些相互作用过程的基本概念，关于相互作用的详细物理过程将在以后各章分别进行讨论。
等离子体
鞘层中性粒子离子溅射原子二次电子
表面
基体原子
图1.8等离子体与固体表面相互作用过程示意图
（1）表面吸附
等离子体中的中性粒子（原子、分子及基团）将不受鞘层电场的作用，直接向表面迁移。
一般地，固体表面的能态总是高于其内部的能态，过剩的自由能将保留在固体表面。
当中性粒子附着在固体表面时，将使表面的自由能降低。
这种吸附过程总是伴随着热量的产生。
实际上，当中性粒子接近表面时，它将受到表面原子的吸引力作用而做加速运动，并进入低势能的区域。
对于温度为
、气压为P的工作气体，撞击到固体表面上单位面积的中性粒子数可由Herz-Kundsen方程给出：
（1.3-1）
其中M是中性粒子的质量。
并不是所有撞击到固体表面上的中性粒子都可以被表面吸附，这与撞击粒子的种类、能量及表面的性能有关。
被吸附的粒子数
与撞击到表面的粒子数之比
被称为吸附率。
在等离子体化学气相沉积成膜工艺中，薄膜的生长过程也就是中性粒子的沉积过程。
（2）离子注入
如果入射离子的速度方向与固体表面的夹角大于某一临界角，它将能够进入固体表面层，与固体中的原子发生一系列的弹性和非弹性碰撞，并不断地损失其能量。
当入射离子的能量损失到某一定的值
（约为20eV左右）时，将停止在固体中不再运动。
上述过程被称为离子注入过程。
这样，离子注入的结果将使固体的表面成分发生改变。
固体材料表面的改性程度在很大程度上取决于入射离子在固体中的射程分布（即注入深度分布）和浓度分布。
通常用阻止本领（-dE/dx）这个物理量来描述载能离子在固体中穿行单位长度dx内的能量损失。
入射离子的能量损失可以分为两部分：
一部分用于靶原子核的反冲运动，另一部分用于激发或电离靶原子核外的电子，分别对应于核阻止本领
和电子阻止本领
对于低能离子，核阻止本领是主要的，而对于高能离子，电子阻止本领则是主要的。
（3）原子的级联运动
如果固体中的原子在同入射离子碰撞时获得能量大于某一阈值时，将做反冲运动。
该反冲原子将进一步与其它静止原子发生碰撞，形成新的反冲原子。
这样依次下去，形成一系列原子的运动，被称为原子的级联运动。
如果初始时固体是一个完美的晶体，那么原子级联运动的结果将在固体表面层产生缺陷或原子的位错。
经退火后，固体表面将会非晶化，从而改变了固体的表面结构。
（4）溅射现象
当级联运动的原子运动到固体表面时，如果其能量大于表面的势垒，它将克服表面的束缚而飞出表面层，这就是溅射现象。
溅射出来的粒子除了是原子外，也可以是原子团。
溅射出来的原子进入鞘层后，与鞘层内的离子碰撞后将发生电离，形成新的离子。
溅射原子或原子团也可以穿过鞘层进入等离子体，并捕获等离子体中的电子，形成带负电的粒子或粒子团，通常称为“尘埃粒子”。
尘埃粒子的存在将造成对等离子体的污染，这对采用等离子体技术制备高质量的薄膜材料是非常有害的。
（5）二次电子发射
当固体表面受到载能粒子轰击时，产生电子从表面发射出来的现象被称为二次电子发射。
每入射一个载能粒子所发射出来的电子数称为二次电子发射系数。
一般地，离子、电子、中性原子或分子与固体表面碰撞时，均可以产生二次电子发射。
气体放电主要是靠载能粒子轰击电极和器壁产生的二次电子来维持的。
在等离子体材料表面改性技术中，由于对基体施加较高的负偏高压，将有大量的二次电子从基体表面上发射出来。
这些二次电子的出现，一方面改变了鞘层电位的大小和分布，另一方面它们经鞘层电场加速后，以较高的速度撞击到器壁表面，产生较强的X射线，这对人体的健康是非常有害的。
因此，二次电子发射不仅对材料表面改性、薄膜合成，而且对等离子体自身的产生都是重要的。
对于离子轰击固体表面，二次电子产生的物理机制有两种，即势发射和动力学发射。
这取决于入射离子的能量，前者对应于低能离子引起的发射，而后者则对应于高能离子引起的发射。
1.4低温等离子体技术
低温等离子体技术的应用范围非常很广，这里我们仅就涉及到等离子体与固体表面相互作用过程的一些应用技术，如薄膜合成、材料表面改性、超大规模集成电路的制备等，进行简要地介绍。
（1）薄膜合成
目前，采用低温等离子体合成薄膜技术主要有两种方法，即物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition，简称PVD）和等离子体增强化学气相沉积（Plasma-enhancedChemicalVaporDeposition，简称PCVD）。
a.物理气相沉：
物理气相沉积是借助于等离子体中的离子的物理效应进行薄膜沉积，主要分为离子镀和溅射沉积两种。
离子镀技术是一种在等离子体环境下的蒸发技术，工作室的真空度较高。
在这种技术中，蒸发出来的原子被电离，然后在电场的作用下加速运动到基体上，从而形成了镀膜。
这种技术简单易行，沿用已久，广泛地用于集成电路电极的制作、布线、透镜滤光片的镀膜、金属磁带的制作及各种装饰性镀膜。
但这种技术本身有许多缺点，如膜与基体表面的附着能力较差、高熔点低蒸气压物质不易镀及制备功能薄膜时物性难以控制等。
我们知道当固体表面受到载能离子轰击时，靶表面的原子将被溅射掉。
因此，在等离子体放电室中放置一固体靶，并施加一负偏压。
这样等离子体中的离子将轰击靶的表面，并溅射出靶表面的原子。
溅射出来的原子沉积到基体上，即可以形成薄膜。
这就是溅射沉积制膜技术。
溅射现象早在100多年前就被用于制膜技术，其历史甚至比离子镀技术还早，但早年的直流溅射有许多缺点，故长期没有得到应有的发展。
直到本世纪60
年代末，由于高新技术兴起对优质薄膜材料的需求，加之相关学科的发展，使溅射制膜技术重新受到重视并得以不断的完善。
特别是出现了射频溅射、磁控溅射及反应溅射等方法后，该技术在制膜工艺中得到了较广泛地应用。
采用这种技术可以制备光、电、声、磁或优良力学性能的各类功能材料膜，如SiO2保护膜、YBaCu3O7超导膜、TiN表面硬化膜等，其中一些金属膜早已实用化，而诸如超导膜、光集成电路用电介质膜、磁性材料膜和光电子用半导体膜等仍是世界各国竞相研制的新材料。
b.等离子体化学气相沉积：
等离子体化学气相沉积是一种新的新的制膜技术。
它是借助于等离子体使含有薄膜组成原子的气态物质发生化学变化，而在基片上沉积薄膜的一种方法。
在这种方法中，等离子体起着降低反应温度和加速反应过程的作用。
这种方法特别适用于功能材料薄膜和化合物膜的合成并显示出许多优点，被视为第二代薄膜技术。
目前使用的PCVD装置样式很多，但基本结构单元却是大同小异。
最常用的是射频放电和微波放电PCVD装置。
无论是物理气相沉积方法还是化学气相沉积方法，薄膜与基体的界面附着性并不是太好。
其原因是沉积的原子能量太低，以致不能进入基体内部。
为了增强膜与基体的附着能力，可以采用离子束辅助沉积（depositionassociatedbyionbeam）的方法来合成薄膜。
具体方法是：
在基体
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