等离子体

等离子体(plasma)

1.定义

等离子体(plasma)又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。

等离子体——物质的第四态

等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首次将“等离子体”（plasma）一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态。

等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。等离子体温度分别用电子温度和离子温度表示，两者相等称为高温等离子体；不相等则称低温等离子体。低温等离子体广泛运用于多种生产领域。例如：等离子电视，婴儿尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性。更重要的是在电脑芯片中的时刻运用，让网络时代成为现实。

等离子体发生器

高温等离子体只有在温度足够高时发生的。恒星不断地发出这种等离子体，组成了宇宙的99%。低温等离

等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体

物理的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和

工艺。

等离子体造就的宇宙和自然奇观:

星云太阳表面

极光闪电

利用等离子体的化学活性：等离子体化学活性很高，能够在温和的条件下使很多活化能较高的反应顺利进行。最重要的反应是含卤素的等离子体对于硅的刻蚀，这是制备各种微电子器件的关键步骤。等离子体还广泛应用于各种薄膜的沉积，包括硅、金刚石、各种氮化物、碳化物以及金属。在污染物降解、杀菌、合成气重整、聚合反应等领域等离子体化学都有独特的优势。

由等离子体增强化学气相沉积制备的用于太阳能电池的非晶硅薄膜

由于等离子体在低温下具有高活性的特点,等离子体增强化学气相沉积( PECV D)技术可显著降低薄膜沉积的温度范围。

直流辉光放电等离子体增强化学气相沉积( dc-PECV D)：这种技术(如图1所示)是在两个电极之间加上一定的直流电压,通过电极间的辉光放电,产生等离子体。

图1 dc-FECVD装置示意图

电感耦合(即ICP) rf-PECV D装置(如图3所示)是将高频线圈放置于反应容器之外,利用它产生的交变磁场在反应室内感应交变的电流,使反应气体产生高密度等离子体。

图2 ICP-PECVD装置示意图

微波等离子体增强化学气相沉积( M PECV D)这也是一种无电极等离子体技术(如图3所示) ,它使用波导或微波天线两种方式将微波能量耦合到CV D装置中产生等离子体。

图3 M PECVD装置示意图

（文献：低温等离子体增强化学气相沉积技术制备碳纳米管）

PCVD成膜原理及特点

PCV D是借助等离子体内的高能电子与反应气体原子、分子发生非弹性碰撞使之离解或电离,如图1,从而产生大量的沉积组元,如原子、离子或活性基团并输送到基体表面上沉积成膜的。在低压等离子体中,由于电子与其它放电粒子质量上的悬殊差异,加之低压等离子中电子、中性粒子的碰撞几率很小,外电场施加的能量主要被自由电子所吸收。因此,低压等离子体可看成由高能电子( < 20eV )、低能粒子( 0. 3eV )及中性气体(约0.05eV)组成，并具有高度的热力学非平衡性。

如图1 等离子体中的能量转移

由上可知,非平衡等离子体激活代替传统地加热激活是PCV D的主要优点，它可使基体的沉积温度显著降低,以沉积TiN 膜为例,等离子体的增强作用使CV D中的高温气相反应变成低稳等离子体反应[15]。

TiCl4+ 1 /2N2= TiN+ 2Cl2 T d≥ 1000K(高温气相反应) ( 1)

TiCl4+ 2H2+ 1 /2N2= TiN+ 4HCl T d≥ 530K(低温等离子体反应) ( 2)

此外,由于体系能量供给方式的改变,也会使一些热激活下无法进行的反应在等离子体的作用下发生,这为拓宽CV D技术的应用范围带来了突破,而从PCVD的动力学考虑，其较高的沉积速率也是值得肯定的。另外,能在基体的小孔沉积且具有良好的结合力、膜层性能可控等优点都使我们有理由相信PCVD技术在工业应用上的巨大潜力。

（文献：等离子体化学气相沉积_PCVD_硬质膜成膜理论_马胜利；[15]Aha ro n Inspekto r Kor en. Surf Coa t Technol）