等离子体技术与应用(综合篇)

关于课程
1 课程讲授
z必要的基础介绍；
z建立基本物理图像，基本概念理解；
z技术比较；
z重要应用；
z表述：文字、图表、公式
z详略----详：重要，不了解。

略：（已掌握）
z重复：
2 图书馆参考书
z DC多，rf、微波少
z理论多，技术少
z旧知识多、新进展少
注意部分参考
3．考试
z闭卷笔试：公平
z重点：理解、了解
z直博生
等离子体技术和应用（综）
§1．关于技术的定义
①技术（technology）的原意----木匠。

木匠能按照人们的需求与意图把木料加工、组合，制成物品。

所以亚里斯多德称技术是制造的智慧。

②技术的现代定义：
技术是指人类在利用、改造和保护自然的过程中通过创新所积累的经验、知识、技巧以及为某一目的共同协作组成的工具和规则体系。

③科学技术：
科学技术是不断发展着的概念，人们有各种广义个狭义的理解。

在我国科技管理活动中，对科学技术的理解通常采取广义的概念。

科学是关于自然、社会和思维的知识体系，其任务是认识自然现象、探索自然规律，属于认识自然的范畴。

技术一般是指人类改造自然和创造人工自然的方法、手段与活动的总称。

广义地讲，技术既包括生产实践经验和自然科学原理而发展成的各种工艺操作方法与技能，又包括相应的生产工具和其他物质设备，以及生产的工艺过程或作业程序等。

附：关于技术创新的定义:
定义1：生产要素的新组合
定义2：技术的首次商业应用
§2．等离子体技术
包括两部分：
（1）等离子体源的制造ÖÖ工具研究ÖÖ新源，新外围设备
优化、组合。

（2）等离子体源的应用ÖÖ工具应用ÖÖ新领域、新参数范围等。

}等离子体源的制造技术所涉及的因素
}等离子体源的应用技术
所利用的特性：
光、热、电、化学
作用区：
a)等离子体中---合成气体、转化气体、合成细粉
b)等离子体/固体表面—薄膜沉积、刻蚀、表面改性、消毒、灭菌、切割等
c)等离子体/液体---化学合成、消毒
d)等离子体多相作用
}等离子体技术的社会作用
生产新能源
核聚变 优点：
太阳能利用（太阳能电池---多晶硅、光电半导体薄膜）
提高生产加工过程的效率和效能
表现：（1）更有效、更便宜达到工业相关结果的能力；
（2）完成其它方法不能完成的任务
原因：在工业应用上等离子体具有两个主要特征
（1） 等离子体具有更高的温度和能量密度；
（2） 等离子体能够产生丰富的活性成分
光子（紫外和可见）、电子、离子、白由基；高反应性的中性成分，受激原子态，
活性分子碎片，如单体。

§3．等离子体技术的应用领域
1）能源
z受控核聚变
（美国）
（美国之外）
z磁流体发电
z节能材料 (low-e film, 热障材料)
z太阳电池（a-Si film）
z能源工程（等离子体开关，断路器、氢闸流管）
2）信息
z分立元件（高功率射频管）、集成电路芯片
z音频、视频、磁记录、光纤、固体激光、光波导、 光放大
z平面显示：PDP、FED、TFT
3）新材料
z金刚石、SiC、C-BN、C3N4、高温超导薄膜、高品质陶瓷、超细粉
z纳米颗粒、膜、管
z同位素分离
4）冶金、机械加工
z精炼
z溶化、切割、焊接、表面改性、装饰
z等离子体喷涂：抗热、耐磨、修复
z离子束镜面打磨
z激光打孔
5）化工
z等离子体催化、等离子体合成催化剂
z PECVD
z聚合、引发聚合
z有机高分子表面改性
6）航空、航天
z等离子体推进器
z飞机、航天器部件（耐热、耐磨）
z固体润滑剂
7）农业
z低能离子种子改性
z等离子体种子改性
8）医药保健
z等离子体消毒、灭菌
z假肢、人工器官表面改性
9）食品、饮料
z臭氧处理饮用水
z等离子体杀菌
10）环保
z固体、液体、气体有毒废弃物处理11）纺织
表面处理增强、可染、可纺、可印、防静电
12）照明、广告
z气体放电灯（dc, rf）霓虹灯
13）国防、军事
z氢弹
z武器部件表面处理
z飞机、天线等离子体隐身
z电磁炮
z电子炮
§4 基于等离子体的设备、器件
z等离子体开关
z光源、离子源、电子源、原子源
z真空电子器件
z薄膜平面显示器
z自由电子激光
z微波回旋管
z X射线源
z气体激光器
z PSII(plasma source immersed implantation)
z等离子体薄膜沉积装置
z等离子体刻蚀机
z等离子体氮化炉
z等离子体炬
z等离子体切割机
附：等离子体物理与技术的发展历史
放电物理的发展历史里程碑
日期 贡献/概念 创建人
大约1600 电气
磁极
磁力线
W.Gilbert
（基本概念，仍在应用）
1742 火花 J T Desaguliers 1745 Leyden瓶
（放电实验研究基础，实物图）
E G Von kleist
大约1750 电的单流体理论 B Flanklin 大约1752 确认闪电为放电的一种形式 B Flanklin
1808
放电物理快速发展，研究人员英国、德国
扩散
电弧放电
（电弧照明、气灯、白炽灯）
J.Dlaton
H.Davy
1817 迁移 M.Faraday
1836 1848
高压直流放电管
运动的辉纹（未发表）
M.Faraday
A.Abria
1860 平均自由程 J.C.Mexwell
1862 Toepler真空泵（1mTorr）
（水银活塞泵，抽速低）
（低气压放电实验基础条件）
A.Toepler
1879 物质第四态（电蛋实物图） W Crookes
1880 Paschen曲线 W de la Rue 和 H Muller 1889 麦克斯韦-波尔兹曼分布 W.Nernst
1895 发现电子
（为电离概念奠定基础）
J J Thomson
1897 回旋频率 OLodge
1898 电离 W Crookes
1899 输运方程 J.S Townsend
1901 Townsend 系数
J.S Townsend 1905
带电粒子扩散 水银旋转泵（10-5torr）
爱因斯坦 W Grade(德国) 1906 等离子体频率 Lord Rayleigh 1911 水银扩散泵 W Grade(德国
1914 双极扩散 1921 Ramsauer 效应
1925 鞘层 I Langmuir 1928 等离子体 I Langmuir 1929 德拜长度 PJ C.Debye
1935
速度分布函数 油封旋转泵（前级泵）
磁流体发电研究
W Grade(德国
40年代末
微波放电产生等离子体（二战中迅速发展的雷达的微波技术）
1950初 受控核聚变研究（动力）
美、苏、西欧
1955 油扩散泵 1965 涡轮分子泵
1970年后
广泛地用于微电子工业（沉积、刻
蚀、掺杂）
§5．低温等离子体中的一般问题
1．等离子体与带电气体
物质 等离子体 带电气体
定义 含有带电粒子的气体 带电粒子浓度比例高于一定值，整体行为明显区别于普通气体
粒子间作用力 电磁作用力[见下图（a） ] 分子范德瓦耳斯力为主[见下图（b） ]
运动特征 整体运动 杂乱的热运动为主
对外部作用力响应 响应外电磁场 无明显响应
导电性 良导体 高阻抗介质
等离子体一般定义：
带电粒子和中性粒子组成的表现出集体行为的一种准中性气体．
详解：对于部分电离气体，体系中除带电粒子外，还存在着中性粒子。

当带电粒子与中性粒子之间的相互作用强度同带电粒子之间的相互作用相比可以忽略时，带电粒子的运动行为就与中性粒子的存在基本无关，同完全电离气体构成的等离子体相近，这种情况下的部分电离气体仍然是等离子体。

2．等离子体的分类
（1）电子温度
z高温等离子体
z低温等离子体：ÖÖ热等离子体（T e≈T i≈T g LTE）
ÖÖ冷等离子体 (T i≈T g«T e)
（2）放电气体
z化学活性
惰性气体：PVD,基础过程研究
反应气体：有化学过程，复杂。

SiH4+O2+Ar plasma 单元反应
表面反应
z电子亲和力：
负离子的形成（俘获效应）： A+eÆA-
带电粒子组成：电子+负离子+正离子
典型电负性气体：O2,CF4,Cl2
典型负离子： O 2-,CF 3-,CF 2-,Cl - 电正性气体： 带电粒子：电子+正离子
（3）磁场
磁化等离子体（B ） 0≠非磁化等离子体(B=0)
（4）电中性
中性等离子体
非中性等离子体（空电子器中电子束）
（5）液态等离子体：电解质溶液ÎÎ溶质的正、负离子
固态等离子体：金属ÎÎ晶格的正离子+自由运动的电子 半导体中ÎÎ电子+空穴
3． 低温等离子体的重要过程
（1）
电子加热/等离子体产生
（2）
等离子体中的单元过程（电子、离子、中性气体、由基）
（3）
等离子体与固体表面的作用 [附着，反应（沉积、刻蚀、表面改性），溅射、注入、二次电子]
4．
等离子体中的电子加热 （1）
为什么强调电子加热？
ÖÖ①主导等离子体产生、单元过程；
②在电离过程中，电子电离占主导； （2）
电子的获能方式，传能方式（影响电子能谱）
① 在DC 电场中电子加热（有附图）
(a) 在等离子体鞘层外部，空间电势均匀，电场强度小，在其间运动的电子获能小；
(b)
DC 电场为保守立场；
②在交流电场中电子加热
（a）均匀电场，冷电子
（b）均匀电场，热电子
附：其他形式的热电子的非欧姆加热
（c）非均匀电场，热电子
5．等离子体中的能量 （a）能流
（b）能量的主要载体
低气压等离子体：带电粒子；
高气压等离子体：带电粒子、中性粒子。

计算例子：金刚石沉积装置：中性分子振动能量占总能80%。

6． 等离子体EEDF及测量！！！
（1）EEDF的重要性
等离子体中的过程：分解、激发、电离
等离子体/固体表面过程：鞘层偏压
（2）不同放电气压下的EEDF
粒子分布的一般定理和理解：
ÅH定理：1872年，玻尔兹曼发表了著名的H定理，H定理说明每一个瞬间都会改变粒子速度的碰撞的结果。

它表明，碰撞（弹性碰撞）导致粒子群体的速度分布接近
于平衡态（这被称为麦克斯韦一玻尔兹曼分布）。

Å粒子弹性碰撞就是导致系统平衡的机理
Å大量粒子＋充分弹性碰撞ÆÆ热平衡，麦克斯韦一玻尔兹曼分布，粒子温度相同。

推理：碰撞性质不同，碰撞频率不同，粒子分布也应该不同。

等离子体与中性气体的不同：
Å电磁场对带电粒子有作用力ÆÆ改变带电粒子速度；
Å粒子之间存在非弹性碰撞过程ÆÆ改变粒子速度分配规律；
Å长程库仑力主宰带电粒子之间的碰撞过程，碰撞截面大；
Å粒子之间的质量差别大（plasma：电子，离子，中性粒子；气体：小分子原子，大分子原子）ÆÆ不同粒子的碰撞频率不同；
（3）不同的带电粒子分布能量分布
离子温度：
Å在一般的条件下，离子－离子碰撞频率低ÆÆ没有达到热平衡温度ÆÆ还不能使用离子温度的概念，且平均能量通常很低。

Å高气压热等离子体中，离子群达到热平衡，可以定义离子温度。

电子温度：
Å麦克斯韦型电子能量/f e(W)分布
W av平均电子能量。

一般条件：电子－电子碰撞频率高：高密度等离子体。

Å Druyvesteyn 型电子能量分布
Å实际低气压等离子体中的电子能量
EEDF既非D氏分布也非麦氏分布，而是介于两者之间，而且出现非单一电子温
度分布。

附：电子温度定义：
●半对数曲线斜率
●有效电子温度ÎÎ平均电子能量
（3）电子温度诊断
z Langmuire探针：不同测量状态，探测电子流的能量范围不同，得到的电子温度亦不同。

z
光谱：仅能测量高能区域的电子分布
e+A ÆÆA *+e E ≥E crit
光谱方法测量得到电子高能尾巴部分的电子温度。

通常高于低能区的电子温度。

图中：TRG-OES 、探针电子温度的比较
7．
控制EEDF 或电子温度的方法
①气压
（a ）射频感性耦合等离子体（ICP ）
（b）电子回旋共振等离子体（ECR）
附：气压对电子温度影响/非一般性结论例子例子一：（射频容性耦合放电中）
例子二：（射频容性耦合放电中）
②气体成分
一条件相同的情况下，电离能高的气体放电对应的等离子体密度低，电子温度高ÆÆ改变15.759，氙：12.130
般结论：在其他气体成分，等离子体密度，电子温度随之改变。

惰性原子电离能：
氦：24.5eV ，氩：
氦气比例对电子温度的影响
氙气比例对电子温度的影响③放电方式
ICP UHF
ICP与UHF电子温度比较放电模式
④
⑤放电频率
（ECR等离子体电子温度与频率的关系）⑥体积/表面效应
⑥栅网控制
大气压非平衡等离子体的电子温度：
E g:电场强度
提高电子温度的途径：
（a）提高脉冲电压幅值; （b）降低电极间隙
8．等离子体空间电位、悬浮电位
（1）等离子体空间电位的重要性
①双极扩散
②装置壁的溅射污染
（2）等离子体空间电位的形成、影响因素
①空间电位（静电电位）大小、空间分布由等离子体内的“净”电荷、沉积在固体表面的
电荷决定，但与电磁学中静电场的电位不同：
放电体系中存在运动电荷ÎÎ稳恒电路中的电位ÎÎ电路方程（I,V）。

②等离子体系统的电位参考零点：装置地。

③等离子体空间电位分布特性
Å等离子体电中性
等离子体内空间电位降很小；
④影响空间电位高低的物理量
Å电子温度T e↗ V p↗
Å进、出等离子体的带电粒子流
问题：探针的正偏压？
Å磁场约束
问题：悬浮电位一定为负？
()
e i e P
f m M e kT V V 2ln 2=−π
V p 增加，T e 不变ÆÆV f 可以变为正值。

[问题]
（1）何谓悬浮鞘层电位降？
（2）该值是否也一定为负？
⑤基片负偏压与电极面积的关系
图题：在sample holder上加负偏压的示意图
9．
磁场对带电粒子及等离子体的影响
（1）两种磁漂移
E B
G G ×漂移
* Å磁梯度漂移
图：ExB 漂移的示意图
图：磁梯度漂移的示意图
注意点： 两种漂移对等离子体的影响不同ÆÆ是否产生电荷分离。

（2）磁梯度驱动
ECR ：
c E mV mV ==+⊥02//22
121 m
B E V m E V )(2202
0//μ−=−=⊥ 结果：带电粒子沿B 减小方向运动，
V 增加-ÆÆ磁驱动。

//
图示：在磁喷嘴的应用ÆÆ提高喷射速度
V
问题：带电粒子沿B增加方向运动，减小至零ÆÆ磁约束！！
//
ÆÆ磁镜（magnetic mirror）的工作原理
磁镜magnetic mirror）的磁场分布示意图
图示：磁镜中粒子的受力、反射点（3） 磁箍束(强流)
图示：同向电流相互吸引（安培力性质）
（4） 磁引导作用
结果：带电粒子沿磁力线运动。

应用例子：真空阴极弧的磁过滤
图示：带有磁过滤的真空弧沉积装置
图示：带有磁过滤的真空弧沉积装置
基片台
图示：磁过滤器工作原理示意图（5） 等离子体形状控制
[应用] 内壁镀膜。

（6） 对等离子体放电的影响
Å对等离子体空间电位V p的影响（前面已分析）
Å对等离子体密度的影响
低气压磁约束效果：N e提高 1.7—2.0倍
图示： DC放电中磁场对等离子体密度的影响Å对等离子体径向密度分布的影响
Å对电弧弧斑的控制
Å对等离子体输运的影响（横越磁场）――平行磁场？？
（7）
对等离子体中波传播的影响
(a) B=0
等离子体介电常数
2
21ω
ω
εp −
=
)(02
e
e p p m e n εωωω=
<时，0<ε，波被截至
[问题] p ωω< ，0
<ε时，波不能传播的物理图像？
解释：
波能在plasma 中传播ÆÆ波在plasma 中能建立电场ÆÆplasma 因电子运动而形成的感应电场弱ÆÆplasma 中的电子运动频率（等离子体频率）低于波动频率。

从另一种角度理解：
低密度（气体）
（b ）
B ≠0ÆÆ横电波可以建立
横向：
电子横越磁场的运动被约束------->电子抵消波场⊥E 的能力减弱------->类绝缘介质------->磁化plasma 中横电波可以传播（没有plasma 密度上限）
纵向：电子运动不受磁场影响------->plasma 在纵向的电性质同良导体------->纵向电场不能建立（很小）------->纵波不能传播。

磁化plasma------->各向异性介质
横电波传播的实验例子：
（8）
高温Plasma 磁约束
(a) 磁镜：（前面已讲述）
c E mV mV ==+⊥02
//22
121 m
B E V m E V )(2202
0//μ−=−=⊥
(b) 托卡马克：
（9）
有效利用磁场的准则 (a)带电粒子在碰撞前就已经多次回旋，
粒子碰撞不能频繁，即
1>>=
⊥
mV eB
T c
τ
指导：磁约束对高气压等离子体的效果差 (b) 粒子的平均自由程相当于或大于粒子回旋半径，
（否则，离子在回旋时即碰壁）即 eB
mv R =
>λ
ÆÆ弱磁场作用小
（10）
电磁线圈与永久磁钢磁场比较
（a） 电磁线圈：
优点：磁感应强度衰减慢，在空间易于形成均匀磁场。

缺点：成本高（电流源），结构复杂。

应用：ECR,磁增强ICP, Helicon, MERIE,非平衡磁控溅射，真空阴极弧磁过滤，
潘宁放电，等离子体（霍尔）推进器，等离子体约束
（b）永久磁钢：
典型磁场位形：
1）棋盘式
（2）轴对称会切
●纵向会切排列实例
永久磁钢优点：
结构简单；运行成本低
永久磁钢缺点：
磁场衰减快，难以在大空间范围内形成均匀磁场
应用：磁控溅射，表面约束
[商业等离子体源中电磁线圈、永久磁钢的应用]
电磁线圈：不普遍ÆÆECR, Helicon，磁增强ICP, MERIE
永久磁钢: 较普遍ÆÆ磁控溅射
磁场作用效果小结
（1） 提高放电等离子体密度，提高放电功率利用率；
（2） 降低杂质污染；
（3） 提高放电稳定性(有时又产生新放电不稳定性)；
（4） 降低放电气压；
（5） 控制等离子体形状和提高表面互作用的均匀性；
（6） 聚焦或提高离子轰击的垂直度
（7） 提高电磁波传播空间体积
10．等离子体增强方法
主要指提高plasma密度
（a） 功率、气压、放电方式
（b） 磁场约束、磁控管放电
（c） 加入初级电子（热灯丝、热阴极放电）
（d） 潘宁放电 Ar+CF4
11．大面积等离子体设计方法
（1）直流、低频辉光―――增加放电电极面积
（均匀性问题容易解决）
原因：
（2）真空弧放电源
方法一：多靶（小靶）。