等离子体与固体表面相互作用原理

等离子体与固体表面相互作用原理大连理工大学物理系2004年2月等离子体物理专业硕士生选修课程ContentChapter1:IntroductionChapter2:PlasmasheathsChapter3:Tow-bodyelasticcollisionsinsolidsChapter4:NuclearstoppingpowerChapter5:ElectronicstoppingpowerChapter6:Project-rangetheoryforenergeticionsinsolidsChapter7:SputteringphysicsChapter8:Secondaryelectronemission第一章：引言一、等离子体特性

1、成分的复杂性

对于等离子体合成薄膜及等离子体刻蚀等工艺过程，通常采用一些化学活性的气体作为工作气体。这些气体电离后含有丰富的粒子种类，如电子、离子、原子、分子、离子团、活性基团及光子。如合成类金刚石薄膜，采用的工作气体为CH4

和H2，这样形成的Plasma中有：

如利用CF4

进行等离子体刻蚀工艺，Plasma中有：2、荷能性

等离子体中的电子、离子及中性粒子均是携带能量的。在低气压等离子体中，电子的温度约为几个电子伏特，离子和中性粒子的温度约为几百度。但当在基片上施加偏压时，离子的能量更高，取决与施加的偏压。对于电弧等离子体，整体荷能，电子温度和离子温度均在上万度。3、开放性

（1）为了维持放电或控制Plasma的形态，通常施加外电磁场。如：微波电磁场、射频感应耦合电磁场、静磁场等。

（2）对于等离子体工艺过程，放电时要不断进气和抽气。工作气体的密度要改变。4、时空变化性

空间非均匀性：

•放电装置的空间尺度有限

•器壁、电极、基片附近的等离子体空间非均性的宏观体现：扩散、热传导、粘滞等

时间的瞬变性：放电的初期，变化的外电磁场5、Plasmaoscillations

Langmuir振荡：是电场力和惯性力共同作用的结果。（高斯单位制）6、PlasmaScreening

在外界扰动下，plasma中要出现电荷分离现象，产生局域电场。但这种局域电场要受到等离子体的屏蔽。

DebyeScreening:7、等离子体的基本条件

一个放电系统，要产生plasma的基本条件为：放电时间：放电空间尺度：附加条件：二、等离子体源

1、DCglowdischarges

2、RFglowdischarges(a)Capacitivecoupling;Inductivecoupling3、Microwavedischarges

electroncyclotronresonance(ECR)discharges4、Atmospheric-pressure

dischargesDielectricbarrierdischarges(DBD)

1、DCglowdischargesplasmaAnatomyofaCathodeGlow,andSomeObservations90%ofthevoltagedropoccursjustinfrontofthecathode

2、

Radio-frequencydischarges(a)电容耦合RF

RFpowerplasma(b)感应耦合

柱状天线耦合的ICP平面天线耦合的ICPRadiofrequency(RF)glowdischargeplasmasource(RFGD):producealargevolume,highdensityofstableplasmaCapacitiveRFdischargesweretheetchingindustrystandardforyears,andareslowlybeingreplacedbyinductivelycoupledplasmas(ICP).Inductivecoupling:RFcurrentispassedthroughaconductingcoilseparatedfromtheplasmachamberbyaninsulatingwindowAcurrentisinducedintheplasmamuchinthesamewayasinanaircoretransformerWithexternalelectrodesadischargetubethatismadeofglass(quartzorborosilicateglass)isusedRFat13.56MHzisaindustry-standardforinRFGD’s

3、

MicrowaveECRdischarges

plasma三、plasma的诊断：

•“打进去”的方法：探针、微波等方法

•“拉出来”的方法：光谱法（发射光谱、激光诱导荧光光谱、拍照）

•“打进去”+“拉出来”的方法（1）静电探针结构示意图通过测量伏安特性：V-I,可以确定出等离子体参数

plasma（2）光谱分析（3）微波透射分析3、plasma的基本参数电子温度Te、电子密度ne

离子温度Ti、离子密度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、低温等离子体技术

（与固体表面相互作用的过程有关的）沉积功能薄膜材料和材料表面改性集成电路(芯片)辅助加工微电机系统(Micro-electro-mechanicalsystem,MEMs)辅助加工超大平板显示系统(等离子体彩电)

1、等离子体薄膜制备技术

合成各种新型薄膜材料，如光电子薄膜、超导薄膜、生物薄膜及纳米薄膜等负偏压靶基片plasma物理气相沉积技术（溅射技术）反应性气体基片CH4化学气相沉积技术

等离子体合成类金刚石薄膜等离子体合成纳米管（丝）为什么需要低介电常数的薄膜？正在从微电子学到纳米电子学转变，由此带来：

芯片上器件的密度增加

器件的工作频率增加低介电常数的薄膜2、等离子体材料表面改性技术传统的离子注入技术：Plasmasource引出系统离子束工件“视线”型离子束改性技术：效率低，仅适用于简单表面形状的工件等离子体离子流鞘层

等离子体源离子注入(PSII)示意图特别适用于复杂工件（如齿轮）的表面改性3、等离子体刻蚀技术等离子体刻蚀技术的应用(1)超大规模集成电路的制备(2)微电机系统(MEMS)的制备MEMS在汽车工业中的应用MEMS在人体医学中的应用刻蚀的工艺流程沉积薄膜涂光刻胶暴光刻蚀去胶等离子体辅助加工过程工艺PlasmaEtchingfeedgasesabsorptionReactionwithSurfaceDiffusionofproductsfromsurfaceSubsequentsurfacereactionsdesorptionMaterialremovalE-FieldionsCathodeRFPowerExhaust13.56MHzStraightSidewalls离子原子四、等离子体与固体表面相互作用的基本过程plasma溅射中性粒子二次电子ALLPlasmaSpeciesInteractStronglywiththeWallsubstrateEnergyFlowfromPowerSupplytoPlasmaSpeciesWall

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。实际上并不是所有沉积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。被吸附的粒子数与入射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。

IonEatoms离子注入的结果将使固体的表面成分发生改变。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