等离子体物理的一些研究前沿和进展课件

放电等离子体基础：原理、应用和进展WangHongyu等离子体物理的一些研究前沿和进展WhatisPlasma?对任何物质输入足够的能量，例如加热，它会气化，然后分子原子发生电离，最后形成一些正负离子和电子以一定比例混合的带电气体，这称为plasma萨哈方程所以本质上，热电离温标由U/k决定，U是电离能，一般来说这个值在一个电子伏也就是一万度的水平。一般电子温度到几千度物质就已经电离，到一万度完全电离除了靠加热，更常见的是通过加速电子碰撞来激发等离子体等离子体物理的一些研究前沿和进展特性I：经典力学和电动力学等离子体中的电子-离子行为是经典的，即通常不考虑量子效应，一般相对论效应影响也很少（但是存在）。由于电子在等离子体中不断地被碰撞，在很短时间内就会退相干成为小尺寸波包，其量级大约是德布罗意波长，也就是纳米到0.1A量级；而等离子体之间粒子距离远远大于这个数字，因此电子的干涉和衍射效应可以忽略另一种可能的量子效应是量子场论效应，即电子-正电子的产生湮灭。但在等离子体中达到这个能量非常困难，事实上目前我们在实验室中还完全做不到。原因主要是当电子能量突破KeV后，电子会和原子核碰撞放出X射线。X射线直接穿透等离子体区域并且逃逸，于是能量快速流失。温度越高，辐射损失越大，以目前地球上的技术，让等离子体电子温度突破100Kev几乎不可能。等离子体物理的一些研究前沿和进展特性2：准电中性，德拜屏蔽和Langmuir振荡在宏观尺寸看来，除了等离子体与其他物质的接界面(鞘区），等离子体基本是电中性的。德拜屏蔽在等离子体中,在点电荷附近,电场接近真空库仑场在离点电荷较远处,电场迅速衰减,只剩下总电场当分辨率低于德拜长度的时候,等离子体看上去就是均匀带电流体当分辨率高于德拜长度的时候,等离子体看起来是一堆粒子Langmiur振荡稍微拉开电子和离子之后，等离子体会做固定频率的振荡：等离子体物理的一些研究前沿和进展特征3：高度热不平衡性大部分情况下，等离子体能量由电子传递给离子只能通过碰撞，因此传递速度非常慢，因此电子和离子温度常常是差距很大的：高温等离子体Te~Tn~104K低温等离子体Tn<<Te~104K此外，电子的分布函数也是通过碰撞来转换到Maxwell分布。而电子碰撞截面的特点是，能量越高碰撞截面越小，因此能量较高的电子传递能量速度反而慢，结果通常等离子体中电子会强烈偏离热平衡。此外，还可能存在长拖尾分布，即除了基本等离子体之外存在另外一些高速的电子束。等离子体物理的一些研究前沿和进展特征4：极高的化学活性等离子体中存在的基本是裸离子和电子，以及被电子碰撞激发的原子分子。由于碰撞过程可以打断化学键，因此我们会看到大量独立原子，它们具有极强的化学活性，尤其类似F之类的原子几乎可以腐蚀所有物质。此外，即使元素化学上是惰性的，它们也具有物理侵蚀能力，即离子击中固体表面，把固体表面的原子直接敲出来，或者活化固体的化学键，催化各种化学反应。等离子体物理的一些研究前沿和进展等离子体科学与技术：物理，化学，电气工程和电子工程等离子体是一门横断学科，它由几个较大的分支构成，这些分支分属不同的学科，因此现在很多人建议把等离子体从物理学和电气工程中分离出来，独立列为一门学科：1.空间等离子体，宇宙中99%的物质都是等离子体，对这些物质的研究属于物理学。2.聚变等离子体—物理学和能源技术3.等离子体源和材料处理----化学和材料科学，电子工程4.高压击穿和脉冲（包含雷电等内容）---电气工程等离子体物理的一些研究前沿和进展等离子体表面处理：微电子平面工艺等离子体表面处理，现实中最常见和关键的任务是微电子技术工艺，尤其是超大规模集成电路生产。现代集成电路基本使用平面工艺，也就是在硅或者类似的衬底上，一层一层地叠放各种材料构成电路。等离子体技术用于挖出电路需要的槽洞，以及实际覆盖部分材料。等离子体物理的一些研究前沿和进展etching刻蚀技术是集成电路制造的核心工艺之一，它的任务是把光刻得到的电路图样实际刻画到硅片上，并且把图样的线条变成挖入硅片内部的凹槽。这一步工艺目前100%依赖于等离子体技术，没有其他任何现阶段的技术可以替代。刻蚀过程的核心难度在于，为了提高集成度，现代集成电路的线宽越来越窄；同时为了控制电阻，线的横截面积必须保持；而导线是在凹槽内沉积金属物质得到的；所以凹槽的形状就会变成非常窄而深的形式，深宽比可以突破5:1甚至10:1衬底由硅，SiO2甚至未来可能是金刚石等物质构成，它们的化学性质过于稳定，基本只能用F之类的强活性物质进行腐蚀处理。但是直接腐蚀方法无法定向：它们挖出来的槽总是必然横向扩展。等离子体物理的一些研究前沿和进展鞘和定向刻蚀把固体物质浸没在等离子体中，假如物质是导电的，或者有办法导出物质内的电荷，等离子体中的电子和离子会快速落到固体表面，但是电子运动快离子运动慢，所以过一段时间后，在接界面处会出现电子基本全部耗尽而只剩下离子的区域，称为鞘层。鞘层中存在一个指向固体表面的电场，电压依赖于等离子体参数和外加电路，一般可以达到几百伏特。于是电子被电场束缚，而正离子进入鞘层后会被加速达到较高能量并且击中固体表面。我们在等离子体区放入一定的CF4气体，CF4和电子碰撞，有可能解离产生CF3和F原子。离子把能量传递给Si固体，活化固体表面，于是这个表面会和碰到的F原子反应，形成SiF4气体并且被吹走。由于离子是被电场推动的，飞行方向基本垂直于固体表面，所以基本上只有垂直方向的固体表面才会被活化，于是这一片固体的反应速度远远高于其他区域，形成了定向刻蚀。等离子体物理的一些研究前沿和进展PECVD下一个需要等离子体技术的工艺是沉积，就是在固体表面生长出薄膜。这个技术大家一般知道是把固体放在沉积工作气体中，然后气体在固体表面分解沉积上元素薄膜，称为气相化学沉积。那么问题是什么呢？首先，直接气相沉积和腐蚀过程有类似的问题，就是定向性不好，想要均匀的地方不均匀，不想均匀的地方又常常有多余的覆盖。此外，电路中用的常是些化学活性不高的物质，于是其沉积很慢。在现代微电子工业中，我们需要在成平方米的表面上进行处理，而且要求尽快，因为越快成本越低！解决方法是，将工作气体和等离子体混合，利用等离子体活化工作气体，比如本来是SiH4，被电子碰撞之后变成了SiH3自由基甚至SiH，这个的表面沉积速度就非常高了。等离子体物理的一些研究前沿和进展PlasmaSource：DischargeCavity所以我们需要的是一个能够不断产生等离子体的源设备，对于微电子工业，这个源一般是一个空腔，等离子体在腔内形成。为了节省能量和提高寿命，我们绝对不能用加热的方法产生等离子体！所以，常规的方法是，用电磁场驱动电子，电子碰撞中性气体导致电离，然后形成等离子体。电磁场由一个腔室引入，即放电腔。在微电子工艺的情况下，我们需要的是气压很低的工作气体，所以一般是用一个真空室来做这件事情等离子体物理的一些研究前沿和进展典型的低气压等离子体源感性耦合电容耦合微波共振等离子体物理的一些研究前沿和进展Whatistheproblem?理论：我们需要非常均匀的等离子体产生。在典型的微电子生产中，腔室的直径超过48cm，硅片直径突破15寸，于是你需要保证在这个范围内等离子体密度基本均匀，这是非常困难的。由于非线性效应，我们没有好的理论来预测等离子体的形成。我们只能通过数值模拟来完成这个工作。然而，由于工作气压太低，等离子体甚至背景气体的行为都是粒子性的，只能使用PIC/DSMC完成，这带来了接近荒谬的计算量。实验我们想知道等离子体的具体密度分布和气体中各种活性基团的分布。我们也想知道等离子体的能量分布函数，鞘层结构等等。常规的做法是用探针插入到等离子体中收集电流，这个方法因为是机械式的，工作难度很大。我们也可以用光谱法测量，但是光谱只能给出相对数值，并且光学设备价格更加昂贵我们需要做许多次实验才能优化设计！等离子体物理的一些研究前沿和进展真正的问题是什么？等离子体技术的根本特性是高投入，高能耗，高风险，高污染，高利润。所以到目前为止，只有具有极高附加值的产品制造才真正需要等离子体技术。尽管等离子体技术能做到很多其他技术完全做不到的事情，但是过高的能耗和无处不在的污染使得其实用化非常困难。此外，大部分情况下，即使简单的研究和实验，等离子体技术也需要大量投资。最典型的例子是ITER，作为一个实验验证计划，大约投资50亿欧元。这样，即使对于研究，我们也需要谨慎地选择实验验证路线。然而同样令人头痛的是，放电过程的基本物理虽然简单，但实际过程却远远比所有所谓“复杂系统”要复杂得多得多。相比放电过程的复杂性，一切“非线性科学”理论都是小儿科。在今天我们只能用实验、理论和数值模拟的方法来研究，并且后两者还非常不成熟。等离子体物理的一些研究前沿和进展数值模拟….因为工业的压力，放电腔等离子体的数值模拟一直是个大问题，但进展并不太令人满意。其中最重要的是粒子云网格模拟技术：ParticleInCell但放电模拟涉及到太多的工艺和技术，很多人在做出一点工作后就离开了研究领域。模拟的巨大计算量要求使用超级计算机，这也使得问题极度复杂化OOPIC,VORPAL,…..对放电腔室模拟最主要的贡献来自Birdsall,Landon,Nanbu,Vahedi,Voebouncer，J.K.Lee以及。。。我们在2010年前后解决了大尺寸圆柱型CCP腔室的模拟问题。目标是2-3年内解决ICP腔室模拟的问题。

等离子体物理的一些研究前沿和进展数值模拟….等离子体物理的一些研究前沿和进展等离子体发动机等离子体是带电气体，因此我们可以用电磁场将它从腔内喷出，于是腔体就受到反作用力，这称为等离子体推进。目前常用的等离子体推进器包括利用磁力推进的HallThruster和直接利用电力的ionThruster。目前还在试验直接利用等离子体内能喷射的VASMIRPlasmathruster。

等离子体物理的一些研究前沿和进展转向其他应用：大气压放电微电子工艺中等离子体可以完成很多别的方法无法解决的任务，但是对应地，其成本也是相当高的。复杂的真空设备，气压在0.05Pa到1Pa复杂的高频甚至微波电源用于冲洗剩余产物的复杂换气系统这个工艺已经被平移到太阳能电池制造中我们在其他方面也需要等离子体独有的化学活性，或者在物质表面导入各种元素的能力。但是我们必须控制成本！所以，近年来的热点之一是大气压下的工频或者低频等离子体源但是，大气压放电是不稳定的。因为放电区的动态阻抗是负的，所以放电会很快变成电弧，然后破坏。解决方法主要是介质阻挡放电。

等离子体物理的一些研究前沿和进展介质阻挡放电介质阻挡放电就是在电极之间插入一层电介质，用电介质来控制电流的雪崩和负阻抗问题。实践表明这方法可以在接近常压的条件下工作，而且可以使用交流或者直流电源。等离子体物理的一些研究前沿和进展应用：大气压等离子体源大气压下的等离子体源目前还处在试验性应用状态。臭氧等化学活性气体源或者负离子发生器等离子体表面去污飞行器减阻（！）等离子体物理的一些研究前沿和进展困难和优点理论：大气压放电尤其DBD，一般来说并不是真正稳定的放电，而是一系列小的瞬间流注放电构成的，理解流注才能理论理解DBD。但流注过程现在还有一些没有搞清楚的东西，此外，和前述一样，这种问题必须进行数值模拟，而数值模拟需要巨大的计算量。(MuchlargerthanRoadRunner’sCapacity)实验：大气压放电对探针具有破坏性，而且由于尺寸问题，微尺寸放电基本不可能插入探针。光谱仪也难以分辨小尺寸行为。当然，不需要真空系统和复杂电源，使得大气压放电实验很容易做，只是不容易得到结果(laugh)等离子体物理的一些研究前沿和进展转向深层：脉冲放电和击穿过程现在我们回头来看，击穿到底是什么过程。1:首先由于某种物理机制，例如本底辐射或者场致电子发射，或者其他某些原因（热电子蒸发，光电离）等等，在局部产生极少量的种子电子2：种子电子在电场作用下获得能量。3：较高能量的电子通过某种机制激发出次生电子，使得总电子数增加。次生电子再从电场获得能量，达到能量阈值后产生更多的次生电子（离子）4：随着电子数的雪崩增加，在系统局部产生高密度的电荷区，等离子体自生电场达到和外场互相竞争的程度，电子由一开始的雪崩增长变成稳定地向前运动（流注），并且不断地分裂和破碎5：流注到达对应极板之后，在极板之间形成一个导电通道，然后电流缓慢地上升，并由于欧姆效应加热通道，最后形成一个电弧1-3称为雪崩段，4为流注段，5为电弧段

等离子体物理的一些研究前沿和进展脉冲放电在气体内部馈入脉冲电磁场，就可以击穿气体形成等离子体。前面说的大气压放电其实也是由无数脉冲放电构成的。那么，我们的工作就是理解脉冲等离子体的形成。Wedon’