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第1页，共59页，2023年，2月20日，星期四ContentChapter1:IntroductionChapter2:PlasmasheathsChapter3:Tow-bodyelasticcollisionsinsolidsChapter4:NuclearstoppingpowerChapter5:ElectronicstoppingpowerChapter6:Project-rangetheoryforenergeticionsinsolidsChapter7:SputteringphysicsChapter8:Secondaryelectronemission第2页，共59页，2023年，2月20日，星期四第一章：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。第3页，共59页，2023年，2月20日，星期四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：

第4页，共59页，2023年，2月20日，星期四如利用CF4

进行等离子体刻蚀工艺，Plasma中有：第5页，共59页，2023年，2月20日，星期四2、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。第6页，共59页，2023年，2月20日，星期四3、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。第7页，共59页，2023年，2月20日，星期四4、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，变化的外电磁场第8页，共59页，2023年，2月20日，星期四5、Plasmaoscillations

Langmuir振荡：是电场力和惯性力共同作用的结果。（高斯单位制）第9页，共59页，2023年，2月20日，星期四6、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:第10页，共59页，2023年，2月20日，星期四7、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：第11页，共59页，2023年，2月20日，星期四二、等离子体源

1、DCglowdischarges

2、RFglowdischarges(a)Capacitivecoupling;Inductivecoupling3、Microwavedischarges

electroncyclotronresonance(ECR)discharges4、Atmospheric-pressure

dischargesDielectricbarrierdischarges(DBD)第12页，共59页，2023年，2月20日，星期四

1、DCglowdischargesplasma第13页，共59页，2023年，2月20日，星期四AnatomyofaCathodeGlow,andSomeObservations90%ofthevoltagedropoccursjustinfrontofthecathode第14页，共59页，2023年，2月20日，星期四

2、

Radio-frequencydischarges(a)电容耦合RF

RFpowerplasma第15页，共59页，2023年，2月20日，星期四(b)感应耦合

柱状天线耦合的ICP第16页，共59页，2023年，2月20日，星期四平面天线耦合的ICP第17页，共59页，2023年，2月20日，星期四Radiofrequency(RF)glowdischargeplasmasource(RFGD):producealargevolume,highdensityofstableplasmaCapacitiveRFdischargesweretheetchingindustrystandardforyears,andareslowlybeingreplacedbyinductivelycoupledplasmas(ICP).第18页，共59页，2023年，2月20日，星期四Inductivecoupling:RFcurrentispassedthroughaconductingcoilseparatedfromtheplasmachamberbyaninsulatingwindowAcurrentisinducedintheplasmamuchinthesamewayasinanaircoretransformerWithexternalelectrodesadischargetubethatismadeofglass(quartzorborosilicateglass)isusedRFat13.56MHzisaindustry-standardforinRFGD’s第19页，共59页，2023年，2月20日，星期四

3、

MicrowaveECRdischarges

plasma第20页，共59页，2023年，2月20日，星期四第21页，共59页，2023年，2月20日，星期四三、plasma的诊断：

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“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）

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“打进去”+“拉出来”的方法第22页，共59页，2023年，2月20日，星期四（1）静电探针结构示意图第23页，共59页，2023年，2月20日，星期四通过测量伏安特性：V-I,可以确定出等离子体参数第24页，共59页，2023年，2月20日，星期四

plasma（2）光谱分析第25页，共59页，2023年，2月20日，星期四（3）微波透射分析第26页，共59页，2023年，2月20日，星期四3、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

第27页，共59页，2023年，2月20日，星期四typicalplasmaparametersforlow-pressuredischarges:Thepressureduringdischargeisbetween10-3and100Torr(1atm=760torr=1.013103Pa)Theelectrondensityinlow-pressurevariesfrom1015to1017m-3,theelectrondensityinmediumpressurecanreach1018m-3ElectrontemperatureisseveraleVandtheiontemperatureisafractionofeV第28页，共59页，2023年，2月20日，星期四第29页，共59页，2023年，2月20日，星期四四、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)

第30页，共59页，2023年，2月20日，星期四1、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

第31页，共59页，2023年，2月20日，星期四等离子体合成类金刚石薄膜第32页，共59页，2023年，2月20日，星期四等离子体合成纳米管（丝）第33页，共59页，2023年，2月20日，星期四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第34页，共59页，2023年，2月20日，星期四第35页，共59页，2023年，2月20日，星期四2、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第36页，共59页，2023年，2月20日，星期四等离子体离子流鞘层

等离子体源离子注入(PSII)示意图第37页，共59页，2023年，2月20日，星期四特别适用于复杂工件（如齿轮）的表面改性第38页，共59页，2023年，2月20日，星期四3、等离子体刻蚀技术第39页，共59页，2023年，2月20日，星期四第40页，共59页，2023年，2月20日，星期四第41页，共59页，2023年，2月20日，星期四等离子体刻蚀技术的应用(1)超大规模集成电路的制备第42页，共59页，2023年，2月20日，星期四(2)微电机系统(MEMS)的制备第43页，共59页，2023年，2月20日，星期四MEMS在汽车工业中的应用第44页，共59页，2023年，2月20日，星期四MEMS在人体医学中的应用第45页，共59页，2023年，2月20日，星期四刻蚀的工艺流程沉积薄膜涂光刻胶暴光刻蚀去胶第46页，共59页，2023年，2月20日，星期四等离子体辅助加工过程工艺第47页，共59页，2023年，2月20日，星期四PlasmaEtchingfeedgasesabsorptionReactionwithSurfaceDiffusionofproductsfromsurfaceSubsequentsurfacereactionsdesorptionMaterialremovalE-FieldionsCathodeRFPowerExhaust13.56MHzStraightSidewalls第48页，共59页，2023年，2月20日，星期四第49页，共59页，2023年，2月20日，星期四离子原子四、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第50页，共59页，2023年，2月20日，星期四ALLPlasmaSpeciesInteractStronglywiththeWallsubstrate第51页，共59页，2023年，2月20日，星期四EnergyFlowfromPowerSupplytoPlasmaSpeciesWall第52页，共59页，2023年，2月20日，星期四

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。第53页，共59页，2023年，2月20日，星期四第54页，共59页，2023年，2月20日，星期四2、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第55页，共59页，2023年，2月20日，星期四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。第56页，共59页，2023年，2月20日，星期四3、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，