气体放电中等离子体的研究

电无需在放电管中设置电极而输出的微波功率可以局域地集中，因此能获得高密度的等离子体。 图1.4是一种微波电子回旋共振 ( Electron Cyclotron Resonance, 简称ECR ) 放电装置。这种放电装置分为两部分， 即放电室和工

微波 进气阀 线圈

图1.4 ECR微波等离子体放电装置

作室。在放电室中，工作气体中的初始电子在由电流线圈产生的稳恒磁场的作用下，绕磁力线做回旋运动。电子的回旋频率为

?ce?eB (1.2-1) me其中B 是磁感应强度。通过适当地调整磁场的空间分布，使得电子回旋频率在沿放电室的轴向上某一位置与微波的圆频率?一致，那么就会产生共振现象，称为电子回旋共振。对于这种类型的放电装置，微波的频率一般为2.45GHz，那么发生共振的磁感应强度为875高斯。实际上，磁场沿着轴线是发散的。借助于发散磁场的梯度，可以将放电室中产生的等离子体输送到工作室中以供使用。 1.3 等离子体诊断方法

研究等离子体物理过程的方法有两种，一种是采用理论分析和计算机模拟，另一种就是所谓的“等离子体诊断”

方法，即采用实验测试的方法来确定等离子体中的一些物理参数，如带电粒子的密度和温度、电场和磁场的空间分布、各种输运系数等。诊断低温等离子体的方法很多，涉及到的内容也很广，但基本上可以分为两类：一类是“打进去”的方法，而另一类则是“拉出来”的方法。前者是派一些“尖兵”深入到等离子体内部去“侦察”。用科学的语言表述就是人为地向等离子体内部送入各种形式的探针，如静电探针、微波探针、粒子探针等。根据这些探针在等离子体

中所产生的影响，即可以了解到等离子体内部的情况。而后者是根据从等离子体中辐射出来的各种电磁波及发射出来的各种粒子来推断出等离子体内部的状况，如发射光谱法、激光诱导荧光光谱法。下面仅介绍几种最常见的等离子体诊断方法。 （2）光谱分析

由于光谱分析技术操作简单，选择性好，灵敏度高等优点，而广泛地应用于测量等离子体参数。我们知道大多数低温等离子体工艺过程都是在辉光放电条件下进行的。辉光放电本身可以发射出很强的光，有红外光，紫外光，直至X光。发射出来的光谱有的是连续的，有的是不连续的，它们的特性与等离子体内部的状态有着直接的关系。通过对等离子体发射出来的光谱进行分析，不仅可以测量等离子体的参数，同时还可以对工艺过程进行监控。

一般的光谱诊断系统由单色仪、光电倍增管、放大器及记录仪等组成，如图1.6所示。辉光放电发射出来的光经过由放电室的光学窗口引入单色仪。在单色仪的出口夹缝处装有光电倍增管，将单色仪发散后的不同波长的光转换成电信号，再经过放大器放大

后进入记录仪，其中单色仪是这个测量系统中的一个关键部件。在记录仪中装有光探测元件，可以对发射出来的光谱进行拍照。将拍照出来的光谱与已知元素的光谱线进行比较，即可以推断出等离子体中所含的成分，而根据底片的感光程度及暴光特性，则可以

单色仪 光电倍增管 记录仪

图1.6 光谱测量系统

推断出等离子体中电子的温度。假定两次测得不同频率（为?1和?2）处的发光强度之 比为?，则电子的温度可以由下式确定

Te?(?1??2)?ln? (1.2-4) (3) 微波透射测量法

微波是一种频率很高的电磁波。它的频率范围为109~1011赫兹，波长从几个厘米到几个毫米。根据等离子体波动理论可以证明，频率为?的电磁波在非磁化等离子体中传播时，波的色散关系为

22?2??2p?ck (1.2-5)

可见，当???p时，电磁波在等离子体中不能传播，称这种现象为波的截止现象。利用波的截止现象可以测得电子

的密度。图1.7为微波透射测量装置示意图。调整微波发生

电源 检测器 可调相移器 可调衰减器 等离子体

图1.7 微波透射测试装置示意图

器的发射频率，是波的传播处于临界截止状态，即???c??p。由此可以得到等离子体的密度为

微波发生器 接收器 ?c2me n0? (1.2-6) 24?e可见，这种测量方法较为简单。 1.4 低温等离子体技术

低温等离子体技术的应用范围非常很广，这里我们仅就涉及到等离子体与固体表面相互作用过程的一些应用技术，如薄膜合成、材料表面改性、超大规模集成电路的制备等，进行简要地介绍。 (1) 薄膜合成

目前，采用低温等离子体合成薄膜技术主要有两种方法，即物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，简称PVD）和等离子体增强化学气相沉积（Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition，简称PCVD）。

a. 物理气相沉：物理气相沉积是借助于等离子体中的离子的物理效应进行薄膜沉积，主要分为离子镀和溅射沉积两种。离子镀技术是一种在等离子体环境下的蒸发技术，工作室的真空度较高。在这种技术中，蒸发出来的原子被电离，然后在电场的作用下加速运动到基体上，从而形成了镀膜。这种技术简单易行，沿用已久，广泛地用于集成电路电极的制作、布线、透镜滤光片的镀膜、金属磁带的制作及各种装饰性镀膜。但这种技术本身有许多缺点，如膜与基体表面的附着能力较差、高熔点低蒸气压物质不易镀及制备功能薄膜时物性难以控制等。

我们知道当固体表面受到载能离子轰击时，靶表面的原子将被溅射掉。因此，在等离子体放电室中放置一固体靶，并施加一负偏压。这样等离子体中的离子将轰击靶的表面，并溅射出靶表面的原子。溅射出来的原子沉积到基体上，即可以形成薄膜。这就是溅射沉积制膜技术。溅射现象早在100多年前就被用于制膜技术，其历史甚至比离子镀技术

还早，但早年的直流溅射有许多缺点，故长期没有得到应有的发展。直到本世纪60

年代末，由于高新技术兴起对优质薄膜材料的需求，加之相关学科的发展，使溅射制膜技术重新受到重视并得以不断的完善。特别是出现了射频溅射、磁控溅射及反应溅射等方法后，该技术在制膜工艺中得到了较广泛地应用。采用这种技术可以制备光、电、声、磁或优良力学性能的各类功能材料膜，如 SiO2保护膜、YBaCu3O7超导膜、TiN 表面硬化膜等，其中一些金属膜早已实用化，而诸如超导膜、光集成电路用电介质膜、磁性材料膜和光电子用半导体膜等仍是世界各国竞相研制的新材料。

b. 等离子体化学气相沉积：等离子体化学气相沉积是一种新的新的制膜技术。它是借助于等离子体使含有薄膜组成原子的气态物质发生化学变化，而在基片上沉积薄膜的一种方法。在这种方法中，等离子体起着降低反应温度和加速反应过程的作用。这种方法特别适用于功能材料薄膜和化合物膜的合成并显示出许多优点，被视为第二代薄膜技

术。目前使用的PCVD装置样式很多，但基本结构单元却是大同小异。最常用的是射频放电和微波放电PCVD装置。

无论是物理气相沉积方法还是化学气相沉积方法，薄膜与基体的界面附着性并不是太好。其原因是沉积的原子能量太低，以致不能进入基体内部。为了增强膜与基体的附着能力，可以采用离子束辅助沉积（deposition associated by ion beam）的方法来合成薄膜。具体方法是：在基体上施加一负偏压，那么在中性粒子沉积过程的同时，等离子体中的离子经过鞘层电场的加速后而轰击到基体的表面上。先沉积到基体表面的中性原子在离子的轰击下，有可能进入基体表面层下面，从而提高了表面的附着能力。但这种方法也有一定的缺陷。薄膜表面的原子由于受到离子的轰击后，将导致溅射现象的产生，从而加大了薄膜表面的粗造度。 (2) 离子注入技术

我们知道：当载能离子入射到固体表面时（能量一般在几十千电子伏以上），一方面它与固体原子不断地碰撞并损失其能量，最后停止在固体表面层内，从而改变了表面的成分；另一方面固体中的原子在与入射离子碰撞后，做反冲运动，形成一系列的原子级联运动，从而改变了固体的表面的结构。这样固体材料经离子注入后，其表面的性能将发生明显地改变，如可以提高其表面的硬度、耐磨性及耐蚀性等性能。

有两种不同的离子注入技术。一种是建立在加速器基础之上的，如图1.9所示。将放电室中的离子引出来并经加速器进行加速。对于半导体离子注入，还要采用质量分析器。加速后的离子将以较高的速度注入到放置在工作室中的工件的表面。实际上，这是

等离子体 加速器 工件 离子束