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前四种放电都用电学手段获得，而燃烧则利用化学手段获得。

∙等离子体的条件

空间尺度要求：

等离子体线度远大于德拜长度

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时间尺度要求：

等离子体碰撞时间、存在时间远大于特征响应时间

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集合体要求：

在德拜球中粒子数足够多，具有统计意义

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1

∙等离子体的分类

等离子体按其电子温度10000℃为界，分为高温等离子体和低温等离子体。

高温等离子体是高于10000℃的等离子体，如聚变、太阳核心

低温等离子体是低于10000℃的等离子体，分为：

冷等离子体Te≠Ti,Ta，如极光、日光灯

热等离子体Te＝Ti,Ta，如电弧、碘钨灯

∙等离子体的应用

1冷等离子体应用

等离子体的化学过程：

刻蚀、化学气相沉积（成膜）

等离子体材料处理：

表面改性、表面冶金

光源：

冷光源（节能）

典型应用：

特征类金刚石表面制造

实验室与日本原子力所先进科学研究中心合作，开展了非平衡薄膜表面制造的研究，成功第地制备了纳米尺度的针状表面、波纹表面，树枝状表面、正弦表面等表面结构，其中波纹表面，是应用薄膜生长过程的自组织过程中直接形成的。

毫米级厚金刚石片制备研究

应用PCVD方法开展金刚石模制备研究开展了多年，对制备过程中物理化学及工艺过程进行了系统研究。

可以稳定地制备高质量毫米量级厚度的金刚石片，并用金刚石膜加工成金刚石电子热沉片，热导率高达7.6W/（k·

cm），可用于大功率电子器件。

2热等离子体应用

高温加热：

冶金、焊接、切割

材料合成、加工

陶瓷烧结、喷涂、三废处理

强光源

3等离子体军事及高技术应用

军事应用：

等离子体天线、等离子体隐身、等离子体减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵

高技术：

大功率微波器件、X射线激光、强流束技术、等离子体推进

溅射工艺是以一定能量的粒子（离子或中性原子、分子）轰击固体表面，使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面的工艺。

溅射只能在一定的真空状态下进行。

以一定能量的粒子（离子或中性原子、分子）轰击固体表面，使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面的工艺。

　　溅射用的轰击粒子通常是带正电荷的惰性气体离子，用得最多的是氩离子。

氩电离后，氩离子在电场加速下获得动能轰击靶极。

当氩离子能量低于5电子伏时,仅对靶极最外表层产生作用，主要使靶极表面原来吸附的杂质脱附。

当氩离子能量达到靶极原子的结合能（约为靶极材料的升华热）时，引起靶极表面的原子迁移，产生表面损伤。

轰击粒子的能量超过靶极材料升华热的四倍时，原子被推出晶格位置成为汽相逸出而产生溅射。

对于大多数金属，溅射阈能约为10～25电子伏。

　　溅射产额，即单位入射离子轰击靶极溅出原子的平均数，与入射离子的能量有关。

在阈能附近溅射，产额只有10-5～10-4个原子/离子，随着入射离子能量的增加，溅射产额按指数上升。

当离子能量为103～104电子伏时，溅射产额达到一个稳定的极大值;

能量超过104电子伏时，由于出现明显的离子注入现象而导致溅射产额下降。

溅射产额还与靶极材料、原子结合能、晶格结构和晶体取向等有关。

一般说来，单金属的溅射产额高于它的合金；

在绝缘材料中，非晶体溅射产额最高，单晶其次，复合晶体最低。

　　溅射工艺主要用于溅射刻蚀和薄膜淀积两个方面。

溅射刻蚀时，被刻蚀的材料置于靶极位置，受氩离子的轰击进行刻蚀。

刻蚀速率与靶极材料的溅射产额、离子流密度和溅射室的真空度等因素有关。

溅射刻蚀时，应尽可能从溅射室中除去溅出的靶极原子。

常用的方法是引入反应气体，使之与溅出的靶极原子反应生成挥发性气体，通过真空系统从溅射室中排出。

　　淀积薄膜时，溅射源置于靶极，受氩离子轰击后发生溅射。

如果靶材是单质的，则在衬底上生成靶极物质的单质薄膜；

若在溅射室内有意识地引入反应气体，使之与溅出的靶材原子发生化学反应而淀积于衬底，便可形成靶极材料的化合物薄膜。

通常，制取化合物或合金薄膜是用化合物或合金靶直接进行溅射而得。

在溅射中，溅出的原子是与具有数千电子伏的高能离子交换能量后飞溅出来的，其能量较高，往往比蒸发原子高出1～2个数量级，因而用溅射法形成的薄膜与衬底的粘附性较蒸发为佳。

若在溅射时衬底加适当的偏压，可以兼顾衬底的清洁处理，这对生成薄膜的台阶覆盖也有好处。

另外，用溅射法可以制备不能用蒸发工艺制备的高熔点、低蒸气压物质膜，便于制备化合物或合金的薄膜。

溅射主要有离子束溅射和等离子体溅射两种方法。

离子束溅射装置中，由离子枪提供一定能量的定向离子束轰击靶极产生溅射（图1）。

离子枪可以兼作衬底的清洁处理（位置1）和对靶极的溅射（位置2）。

为避免在绝缘的固体表面产生电荷堆积，可采用荷能中性束的溅射。

中性束是荷能正离子在脱离离子枪之前由电子中和所致。

离子束溅射广泛应用于表面分析仪器中，对样品进行清洁处理或剥层处理。

由于束斑大小有限，用于大面积衬底的快速薄膜淀积尚有困难。

溅射工艺

　　等离子体溅射也称辉光放电溅射。

产生溅射所需的正离子来源于辉光放电中的等离子区。

靶极表面必须是一个高的负电位，正离子被此电场加速后获得动能轰击靶极产生溅射，同时不可避免地发生电子对衬底的轰击。

　　二极溅射是最简单的等离子体溅射装置。

两个平行板电极间加上一个直流高电压：

阴极为靶极，阳极为衬底。

为使这种自持辉光放电保持稳定，除两极板间须保持一定电压外，极板间距和气体压强的大小也很重要。

在两极板间距为数厘米的正常溅射间距下，放电气压一般高达10帕。

在这样的气压下，粒子的平均自由程很短，对溅射不利。

为保持更低气压下的溅射，可采用非自持放电，常用的是热电子激发法。

直流四极溅射就是在原有的二极溅射设备上附加一对热灯丝和阳极组成的。

从灯丝发出的强大电子流在流向阳极的途中，使处于低气压的氩气分子大量电离，从而提供足够的离子。

这可使溅射在10-1～10-2帕的低气压下进行。

外加磁场可使电子电离气体的效率增加。

　　对于绝缘体靶的溅射，必须采用高频溅射方法。

在靶极上施加高频电压，气体击穿后等离子体中的电子和离子将在靶极高频电场的作用下交替地向靶极迁移。

电子的迁移率比离子高得多。

频率很高时，离子向靶极的迁移就会跟不上高频信号的频率变化。

因为靶是绝缘的，靶极回路净电流必须保持为零。

为此，必须在靶极表面维持一个负电势,用以抑制电子向靶极的迁移,同时加速正离子的迁移，使流向靶极的电子数与离子数相等。

正是这一负电势加速氩离子，使绝缘靶的溅射得到维持。

为使这一负电势保持足够的数值，靶上的高频电压的频率必须足够高。

频率过高，高频损耗增大且难于匹配。

常用的频率约为13.56兆赫。

　　等离子体溅射突出的问题是溅射速率低、衬底温度升高。

从靶极发出的溅射原子流为E＝Sj+。

式中S为溅射产额,j+为轰击靶极的离子流密度。

在S确定以后,提高溅射速率必须增加离子流密度。

另外,降低衬底温升,必须防止高能二次电子对衬底的轰击。

磁控溅射能解决这两个问题。

磁控溅射利用高频磁控管的原理，在溅射室中引入一个与电场方向正交的磁场。

在此磁场的控制下，电子局限于靶极附近并沿螺旋形轨道运动，大大提高电子对氩原子的电离效率，增加轰击靶极的离子流密度j+，实现快速的大电流溅射。

同时，又能避免电子直接向衬底加速，降低衬底的温升。

磁控溅射有直流和高频两类。

按结构又有同轴型、平面型和S枪等多种类型。

图2为一平面型磁控溅射装置，图中虚线表示磁场方向。

靶极上出现不均匀侵蚀，会使磁控溅射靶材利用率降低。

离子镀膜法将真空蒸发和溅射工艺相结合，利用溅射对衬底作清洁处理，用蒸发的方法镀膜。

衬底置于阴极，它与蒸发源之间加数百伏以至数千伏的高压电，放电气压为10～10-2帕。

蒸发源通过热丝加热进行蒸发,部分蒸发分子与放电气体分子成一定比例，在强电场作用下激发电离并加速向衬底轰击，而大部分中性蒸发分子不经加速而到达衬底。

用此法制造薄膜，淀积速率比溅射法为高，与衬底的粘附力又比蒸发法为强。

CVD（ChemicalVaporDeposition）原理

CVD（ChemicalVaporDeposition,化学气相沉积），指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。

在超大规模集成电路中很多薄膜都是采用CVD方法制备。

经过CVD处理后，表面处理膜密着性约提高30%，防止高强力钢的弯曲，拉伸等成形时产生的刮痕。

CVD特点

沉积温度低，薄膜成份易控，膜厚与淀积时间成正比，均匀性，重复性好，台阶覆盖性优良。

CVD制备的必要条件

1）在沉积温度下，反应物具有足够的蒸气压，并能以适当的速度被引入反应室；

2）反应产物除了形成固态薄膜物质外，都必须是挥发性的；

3）沉积薄膜和基体材料必须具有足够低的蒸气压。

编辑本段何为cvd？

CVD是ChemicalVaporDeposition的简称，是指高温下的气相反应，例如，金属卤化物、有机金属、碳氢化合物等的热分解，氢还原或使它的混合气体在高温下发生化学反应以析出金属、氧化物、碳化物等无机材料的方法。

这种技术最初是作为涂层的手段而开发的，但目前，不只应用于耐热物质的涂层，而且应用于高纯度金属的精制、粉末合成、半导体薄膜等，是一个颇具特征的技术领域。

其技术特征在于：

⑴高熔点物质能够在低温下合成；

⑵析出物质的形态在单晶、多晶、晶须、粉末、薄膜等多种；

⑶不仅可以在基片上进行涂层，而且可以在粉体表面涂层，等。

特别是在低温下可以合成高熔点物质，在节能方面做出了贡献，作为一种新技术是大有前途的。

例如，在1000℃左右可以合成a-Al2O3、SiC，而且正向更低温度发展。

CVD工艺大体分为二种：

一种是使金属卤化物与含碳、氮、硼等的化合物进行气相反应；

另一种是使加热基体表面的原料气体发生热分解。

CVD的装置由气化部分、载气精练部分、反应部分和排除气体处理部分所构成。

目前，正在开发批量生产的新装置。

CVD是在含有原料气体、通过反应产生的副生气体、载气等多成分系气相中进行的，因而，当被覆涂层时，在加热基体与流体的边界上形成扩散层，该层的存在，对于涂层的致密度有很大影响。

图2所示是这种扩散层的示意图。

这样，由许多化学分子形成的扩散层虽然存在，但其析出过程是复杂的。

粉体合成时，核的生成与成长的控制是工艺的重点。

作为新的CVD技术，有以下几种：

⑴采用流动层的CVD；

⑵流体床；

⑶热解射流；

⑷等离子体CVD；

⑸真空CVD，等。

应用流动层的CVD如图3所示，可以形成被覆粒子（例如，在UO2表面被覆SiC、C），应用等离子体的CVD同样也有可能在低温下析出，而且这种可能性正在进一步扩大。

PECVD（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition）--等离子体增强化学气相沉积法

PECVD：

是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。

为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种CVD称为等离子体增强化学气相沉积（PECVD）.

实验机理：

是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。

优点：

基本温度低；

沉积速率快；

成膜质量好，针孔较少，不易龟裂。

缺点如下：

1.设备投资大、成本高，对气体的纯度要求高；

2.涂层过程中产生的剧烈噪音、强光辐射、有害气体、金属蒸汽粉尘等对人体有害；

3.对小孔孔径内表面难以涂层等。

例子：

在PECVD工艺中由于等离子体中高速运动的电子撞击到中性的反应气体分子，就会使中性反应气体分子变成碎片或处于激活的状态容易发生反应。

衬底温度通常保持在350℃左右就可以得到良好的SiOx或SiNx薄膜，可以作为集成电路最后的钝化保护层，提高集成电路的可靠性。

1、等离子体增强化学气相沉积的主要过程

等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术是借助于辉光放电等离子体使含有薄膜组成的气态物质发生化学反应，从而实现薄膜材料生长的一种新的制备技术。

由于PECVD技术是通过应气体放电来制备薄膜的，有效地利用了非平衡等离子体的反应特征，从根本上改变了反应体系的能量供给方式。

一般说来,采用PECVD技术制备薄膜材料时，薄膜的生长主要包含以下三个基本过程：

首先，在非平衡等离子体中，电子与反应气体发生初级反应，使得反应气体发生分解，形成离子和活性基团的混合物；

其二，各种活性基团向薄膜生长表面和管壁扩散输运，同时发生各反应物之间的次级反应；

最后，到达生长表面的各种初级反应和次级反应产物被吸附并与表面发生反应，同时伴随有气相分子物的再放出。

具体说来，基于辉光放电方法的PECVD技术，能够使得反应气体在外界电磁场的激励下实现电离形成等离子体。

在辉光放电的等离子体中，电子经外电场加速后，其动能通常可达10eV左右，甚至更高，足以破坏反应气体分子的化学键，因此，通过高能电子和反应气体分子的非弹性碰撞，就会使气体分子电离（离化）或者使其分解，产生中性原子和分子生成物。

正离子受到离子层加速电场的加速与上电极碰撞，放置衬底的下电极附近也存在有一较小的离子层电场，所以衬底也受到某种程度的离子轰击。

因而分解产生的中性物依扩散到达管壁和衬底。

这些粒子和基团（这里把化学上是活性的中性原子和分子物都称之为基团）在漂移和扩散的过程中，由于平均自由程很短，所以都会发生离子-分子反应和基团-分子反应等过程。

到达衬底并被吸附的化学活性物（主要是基团）的化学性质都很活泼，由它们之间的相互反应从而形成薄膜。

2、等离子体内的化学反应

由于辉光放电过程中对反应气体的激励主要是电子碰撞，因此等离子体内的基元反应多种多样的，而且等离子体与固体表面的相互作用也非常复杂，这些都给PECVD技术制膜过程的机理研究增加了难度。

迄今为止，许多重要的反应体系都是通过实验使工艺参数最优化，从而获得具有理想特性的薄膜。

对基于PECVD技术的硅基薄膜的沉积而言，如果能够深刻揭示其沉积机理，便可以在保证材料优良物性的前提下，大幅度提高硅基薄膜材料的沉积速率。

目前，在硅基薄膜的研究中，人们之所以普遍采用氢稀释硅烷（SiH4）作为反应气体，是因为这样生成的硅基薄膜材料中含有一定量的氢，H在硅基薄膜中起着十分重要的作用，它能填补材料结构中的悬键，大大降低了缺陷能级，容易实现材料的价电子控制，自从1975年Spear等人首先实现硅薄膜的掺杂效应并制备出第一个pn结以来，基于PECVD技术的硅基薄膜制备与应用研究得到了突飞猛进的发展，因此，下面将对硅基薄膜PECVD技术沉积过程中硅烷等离子体内的化学反应进行描述与讨论。

在辉光放电条件下，由于硅烷等离子体中的电子具有几个ev以上的能量，因此H2和SiH4受电子的碰撞会发生分解，此类反应属于初级反应。

若不考虑分解时的中间激发态，可以得到如下一些生成SiHm（m=0,1,2,3）与原子H的离解反应：

e+SiH4→SiH2+H2+e（2.1）

e+SiH4→SiH3+H+e（2.2）

e+SiH4→Si+2H2+e（2.3）

e+SiH4→SiH+H2+H+e（2.4）

e+H2→2H+e（2.5）

按照基态分子的标准生产热计算，上述各离解过程（2.1）~（2.5）所需的能量依次为2.1、4.1、4.4、5.9eV和4.5eV。

等离子体内的高能量电子还能够发生如下的电离反应：

e+SiH4→SiH2++H2+2e（2.6）

e+SiH4→SiH3++H+2e（2.7）

e+SiH4→Si++2H2+2e（2.8）

e+SiH4→SiH++H2+H+2e（2.9）

以上各电离反应（2.6）~（2.9）需要的能量分别为11.9，12.3，13.6和15.3eV，由于反应能量的差异，因此（2.1）~（2.9）各反应发生的几率是极不均匀的。

此外，随反应过程（2.1）~（2.5）生成的SiHm也会发生下列的次级反应而电离，例如

SiH+e→SiH++2e（2.10）

SiH2+e→SiH2++2e（2.11）

SiH3+e→SiH3++2e（2.12）

上述反应如果借助于单电子过程进行，大约需要12eV以上的能量。

鉴于通常制备硅基薄膜的气压条件下（10～100Pa）,电子密度约为1010cm-3的弱电离等离子体中10eV以上的高能电子数目较少,累积电离的几率一般也比激发几率小，因此硅烷等离子体中，上述离化物的比例很小，SiHm的中性基团占支配地位，质谱分析的结果也证明了这一结论[8]。

Bourquard等人的实验结果进一步指出，SiHm的浓度按照SiH3，SiH2，Si，SiH的顺序递减，但SiH3的浓度最多是SiH的3倍。

而Robertson等人则报道，在SiHm的中性产物中，采用纯硅烷进行大功率放电时以Si为主，进行小功率放电时以SiH3为主，按浓度由高到低的顺序为SiH3，SiH，Si，SiH2。

因此，等离子体工艺参数强烈影响SiHm中性产物的组分。

除上述的离解反应和电离反应之外，离子分子之间的次级反应也很重要：

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3（2.13）

因此，就离子浓度而言，SiH3+比SiH2+多。

它可以说明在通常的SiH4等离子体中SiH3+离子比SiH2+离子多的原因。

此外，还会发生由等离子体中氢原子夺取SiH4中氢的分子-原子碰撞反应：

H+SiH4→SiH3+H2（2.14）

这是一个放热反应，也是形成乙硅烷Si2H6的前驱反。

当然上述基团不仅仅处于基态，在等离子体中还会被激励到激发态。

对硅烷等离子体的发射光谱研究的结果表明，存在有Si,SiH,H等的光学允许跃迁激发态,也存在SiH2,SiH3的振动激发态。