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1、等离子体与固体表面相互作用原理第一页，本课件共有59页ContentChapter 1:IntroductionChapter 2:Plasma sheathsChapter 3:Tow-body elastic collisions in solidsChapter 4:Nuclear stopping powerChapter 5:Electronic stopping powerChapter 6:Project-range theory for energetic ions in solidsChapter 7:Sputtering physicsChapter 8:Secondary
2、 electron emission第二页，本课件共有59页第一章：引言第一章：引言一、等离子体特性一、等离子体特性 1、成分的复杂性成分的复杂性 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。子团、活性基团及光子。第三页，本课件共有59页如合成类金刚石薄膜，采用的工作气体为如合成类金刚石薄膜，采用的工作气体为CH4 和和H2
3、，这样形成的这样形成的Plasma中有：第四页，本课件共有59页如利用如利用CF4 进行等离子体刻蚀工艺进行等离子体刻蚀工艺，Plasma中有：第五页，本课件共有59页2、荷能性、荷能性 等离子体中的电子、离子及中性粒子均是携带能量等离子体中的电子、离子及中性粒子均是携带能量的。的。在低气压等离子体中，电子的温度约为几个电子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，取决与施加的偏片上施加偏压时，离子的能量更高，取决与施加的偏压。压。对于电弧等离子体，整体荷能，电子温度和离
4、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。子温度均在上万度。第六页，本课件共有59页3、开放性、开放性 （1）为了维持放电或控制为了维持放电或控制Plasma 的形态，通的形态，通常施加外电磁场。如：微波电磁场、射频感应常施加外电磁场。如：微波电磁场、射频感应耦合电磁场、静磁场等。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。气和抽气。工作气体的密度要改变。第七页，本课件共有59页4、时空变化性时空变化性 空间非均匀性：空间非均匀性：放电装置的空间尺度有限放电装置的空间尺度有限 器壁、电极、基
5、片附近的等离子体器壁、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，变化的外电磁场时间的瞬变性：放电的初期，变化的外电磁场第八页，本课件共有59页5、Plasma oscillations Langmuir 振荡：是电场力和惯性力共同作用的结果。振荡：是电场力和惯性力共同作用的结果。（高斯单位制）（高斯单位制）第九页，本课件共有59页6、Plasma Screening 在外界扰动下，在外界扰动下，plasma中要出现电荷分离现象，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产生
6、局域电场。但这种局域电场要受到等离子体的屏蔽。蔽。Debye Screening:第十页，本课件共有59页7、等离子体的基本条件等离子体的基本条件 一个放电系统，要产生一个放电系统，要产生plasma的基本条件为：的基本条件为：放电时间：放电时间：放电空间尺度：放电空间尺度：附加条件：附加条件：第十一页，本课件共有59页二、等离子体源二、等离子体源 1、DC glow discharges 2、RF glow discharges (a)Capacitive coupling;Inductive coupling 3、Microwave discharges electron cyclotro
7、n resonance(ECR)discharges 4、Atmospheric-pressure discharges Dielectric barrier discharges(DBD)第十二页，本课件共有59页 1、DC glow dischargesplasma第十三页，本课件共有59页Anatomy of a Cathode Glow,and Some Observations 90%of the voltage drop occurs just in front of the cathode第十四页，本课件共有59页 2、Radio-frequency discharges (a)
8、电容耦合电容耦合RF RF power plasma第十五页，本课件共有59页(b)感应耦合感应耦合 柱状天线耦合的柱状天线耦合的ICP第十六页，本课件共有59页平面天线耦合的平面天线耦合的ICP第十七页，本课件共有59页Radio frequency(RF)glow discharge plasma source(RFGD):produce a large volume,high density of stable plasmaCapacitive RF discharges were the etching industry standard for years,and are slowl
9、y being replaced by inductively coupled plasmas(ICP).第十八页，本课件共有59页Inductive coupling:RF current is passed through a conducting coil separated from the plasma chamber by an insulating windowA current is induced in the plasma much in the same way as in an air core transformerWith external electrodes a
10、 discharge tube that is made of glass(quartz or borosilicate glass)is usedRF at 13.56 MHz is a industry-standard for in RFGDs第十九页，本课件共有59页 3、Microwave ECR discharges plasma第二十页，本课件共有59页第二十一页，本课件共有59页三、plasma 的诊断：的诊断：“打进去打进去”的方法：探针、微波等方法的方法：探针、微波等方法 “拉出来拉出来”的方法：光谱法（发射光谱、激光诱的方法：光谱法（发射光谱、激光诱导导 荧光光谱、拍照）
11、荧光光谱、拍照）“打进去打进去”+“拉出来拉出来”的方法的方法第二十二页，本课件共有59页（1）静电探针结构示意图）静电探针结构示意图第二十三页，本课件共有59页通过测量伏安特性：通过测量伏安特性：V-I,V-I,可以确定出等离子体参数可以确定出等离子体参数第二十四页，本课件共有59页 plasma（2）光谱分析）光谱分析第二十五页，本课件共有59页（3）微波透射分析）微波透射分析第二十六页，本课件共有59页3、plasma 的基本参数的基本参数 电子温度电子温度Te、电子密度、电子密度ne 离子温度离子温度Ti、离子密度、离子密度ni 中性粒子中性粒子Ta、中性粒子密度、中性粒子密度na 第
12、二十七页，本课件共有59页typical plasma parameters for low-pressure discharges:The pressure during discharge is between 10-3 and 100 Torr(1 atm=760 torr=1.013 10 3 Pa)The electron density in low-pressure varies from 1015 to1017 m-3,the electron density in medium pressure can reach 1018 m-3Electron temperature i
13、s several eV and the ion temperature is a fraction of eV 第二十八页，本课件共有59页第二十九页，本课件共有59页四、低温等离子体技术四、低温等离子体技术（与固体表面相互作用的过程有关的）（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沉积功能薄膜材料和材料表面改性 集成电路集成电路(芯片芯片)辅助加工辅助加工 微电机系统微电机系统(Micro-electro-mechanical system,MEMs)辅助加工辅助加工 超大平板显示系统超大平板显示系统(等离子体彩电等离子体彩电)第三十页，本课件共有59页1、等离子体薄
14、膜制备技术、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物薄膜及纳米薄膜等负偏压负偏压靶靶基片基片plasma物理气相沉积技术物理气相沉积技术 （溅射技术）（溅射技术）反应性气体反应性气体基片基片CH4化学气相沉积技术化学气相沉积技术 第三十一页，本课件共有59页等离子体合成类金刚石薄膜等离子体合成类金刚石薄膜第三十二页，本课件共有59页等离子体合成纳米管（丝）等离子体合成纳米管（丝）第三十三页，本课件共有59页为什么需要低介电常数的薄膜？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
15、来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芯片上器件的密度增加 器件的工作频率增加器件的工作频率增加低介电常数的薄膜低介电常数的薄膜第三十四页，本课件共有59页第三十五页，本课件共有59页2、等离子体材料表面改性技术、等离子体材料表面改性技术传统的离子注入技术：传统的离子注入技术：Plasma source引出系统引出系统离子束离子束工件工件“视线视线”型离子束改性技术：型离子束改性技术：效率低，仅适用于简单表面形状的工件效率低，仅适用于简单表面形状的工件第三十六页，本课件共有59页 等离子体等离子体离子流离子流鞘层鞘层等离子体源离子注入等离子体源离子注入(PSII)(P
16、SII)示意图示意图第三十七页，本课件共有59页特别适用于复杂工件（如齿轮）的表面改性特别适用于复杂工件（如齿轮）的表面改性第三十八页，本课件共有59页3、等离子体刻蚀技术、等离子体刻蚀技术第三十九页，本课件共有59页第四十页，本课件共有59页第四十一页，本课件共有59页等离子体刻蚀技术的应用等离子体刻蚀技术的应用(1)超大规模集成电路的制备超大规模集成电路的制备第四十二页，本课件共有59页(2)微电机系统微电机系统(MEMS)的制备的制备第四十三页，本课件共有59页 MEMS在汽车工业中的应用在汽车工业中的应用第四十四页，本课件共有59页 MEMS在人体医学中的应用在人体医学中的应用第四十五
17、页，本课件共有59页 刻蚀的工艺流程刻蚀的工艺流程沉积薄膜涂光刻胶暴光暴光刻蚀刻蚀去胶去胶第四十六页，本课件共有59页 等离子体辅助加工过程工艺等离子体辅助加工过程工艺第四十七页，本课件共有59页Plasma Etchingfeed gasesabsorptionReaction with SurfaceDiffusion of products from surfaceSubsequent surface reactionsdesorptionMaterial removalE-FieldionsCathodeRFPowerExhaust13.56 MHzStraight Sidewalls
18、第四十八页，本课件共有59页第四十九页，本课件共有59页离子离子原子原子四四、等离子体与固体表面相互作用的基本过程等离子体与固体表面相互作用的基本过程plasma溅溅射射中性中性粒子粒子二次二次电子电子第五十页，本课件共有59页ALL Plasma Species Interact Strongly with the Wallsubstrate第五十一页，本课件共有59页Energy Flow from Power Supply to Plasma SpeciesWall第五十二页，本课件共有59页1.1.表面吸附表面吸附 等离子体中的中性粒子（原子、分子及基团）将不受鞘层电场等离子体中的中性
19、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比被称为吸附率。吸附率。在等离子体化学气相沉积成膜工艺中，薄膜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。的生长过程也就是中性粒子的沉积过程。第五十三页，本课件共有59页第五十四页，本课件共有59页2
20、 2、离子注入、离子注入 如如果果入入射射离离子子的的速速度度方方向向与与固固体体表表面面的的夹夹角角大大于于某某一一临临界界角角，它它将将能能够够进进入入固固体体表表面面层层，与与固固体体中中的的原原子子发发生生一一系系列列的的弹弹性性和和非非弹弹性性碰碰撞撞，并并不不断断地地损损失失其其能能量量。当当入入射射离离子子的的能能量量损损失失到到某某一一定定的的值值（约约为为20eV20eV左左右右 )时时，将将停停止止在在固固体体中中不不再再运运动动。上上述述过过程程被被称称为为离离子子注入过程。注入过程。IonEatoms第五十五页，本课件共有59页 离离子子注注入入的的结结果果将将使使固固
21、体体的的表表面面成成分分发发生生改改变变。入入射射离离子子的的能能量量损损失失可可以以分分为为两两部部分分：一一部部分分用用于于靶靶原原子子核核的的反反冲冲运运动动，另另一一部部分分用用于于激激发发或或电电离离靶靶原原子子核核外外的的电电子子，分分别别对对应应于于核核阻阻止止本本领领 和和电电子子阻阻止止本本领领。对对于于低低能能离离子子，核核阻阻止止本本领领是是主主要要的的，而对于高能离子，电子阻止本领则是主要的而对于高能离子，电子阻止本领则是主要的。第五十六页，本课件共有59页3、原子的级联运动、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，将做如果固体中的原子
22、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，形成新的反冲原反冲运动。该反冲原子将进一步与其它静止原子发生碰撞，形成新的反冲原子。这样依次下去，形成一系列原子的运动，被称为原子的级联运动。如果子。这样依次下去，形成一系列原子的运动，被称为原子的级联运动。如果初始时固体是一个完美的晶体，那么原子级联运动的结果将在固体表面层初始时固体是一个完美的晶体，那么原子级联运动的结果将在固体表面层产产生生缺陷或原子的位错。经退火后，固体表面将会非晶化，从而改变了固体的表面结构。缺陷或原子的位错。经退火后，固体表面将会非晶化，从而改变了固体的表面结构。第五十
23、七页，本课件共有59页4、溅射现象溅射现象 当级联运动的原子运动到固体表面时，如果其能量大于表面的势垒，当级联运动的原子运动到固体表面时，如果其能量大于表面的势垒，它将克服表面的束缚而飞出表面层，这就是溅射现象。溅射出来的粒子它将克服表面的束缚而飞出表面层，这就是溅射现象。溅射出来的粒子除了是原子外，也可以是原子团。溅射出来的原子进入鞘层后，与鞘层除了是原子外，也可以是原子团。溅射出来的原子进入鞘层后，与鞘层内的离子碰撞后将发生电离，形成新的离子。溅射原子或原子团也可以内的离子碰撞后将发生电离，形成新的离子。溅射原子或原子团也可以穿过鞘层进入等离子体，并捕获等离子体中的电子，形成带负电的粒子穿
24、过鞘层进入等离子体，并捕获等离子体中的电子，形成带负电的粒子或粒子团，通常称为或粒子团，通常称为“尘埃粒子尘埃粒子”。尘埃粒子的存在将造成对等离子体的污。尘埃粒子的存在将造成对等离子体的污染，这对采用等离子体技术制备高质量的薄膜材料是非常有害的染，这对采用等离子体技术制备高质量的薄膜材料是非常有害的。第五十八页，本课件共有59页 5、二次电子发射、二次电子发射 当当固固体体表表面面受受到到载载能能粒粒子子轰轰击击时时，产产生生电电子子从从表表面面发发射射出出来来的的现现象象被被称称为为二二次次电电子子发发射射。每每入入射射一一个个载载能能粒粒子子所所发发射射出出来来的的电电子子数数称称为为二二
25、次次电电子子发发射射系系数数。一一般般地地，离离子子、电电子子、中中性性原原子子或或分分子子与与固固体体表表面面碰碰撞撞时时，均均可可以以产产生生二二次次电电子子发发射射。在在PSIIPSII技技术术中中，由由于于对对基基体体施施加加较较高高的的负负偏偏高高压压，将将有有大大量量的的二二次次电电子子从从基基体体表表面面上上发发射射出出来来。这这些些二二次次电电子子的的出出现现，一一方方面面改改变变了了鞘鞘层层电电位位的的大大小小和和分分布布，另另一一方方面面它它们们经经鞘鞘层层电电场场加加速速后后，以以较较高高的的速速度度撞撞击击到到器器壁壁表表面面，产产生生较较强强的的X X射射线线，这这对对人人体体的的健健康康是非常有害的。是非常有害的。离子靶原子二次电子第五十九页，本课件共有59页