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
放电等离子体基础：原理、应用和进展
Wang Hongyu
ຫໍສະໝຸດ Baidu
What is Plasma?
• 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
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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。
• 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。
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。
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。(Much larger than RoadRunner’s Capacity) • 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)
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：
– 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
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。
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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：Particle In Cell – 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。
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。
典型的低气压等离子体源
• 感性耦合 • 电容耦合
• 微波共振
What is the problem?
• 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！
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。
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。
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（！）
数值模拟….
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Hall Thruster和直接利 用电力的ion Thruster。目前还在试验直接利用等离子体内能喷射的 VASMIR Plasma thruster。
转向深层：脉冲放电和击穿过程
Plasma Source：Discharge Cavity
• 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
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。
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。