低温等离子体Word文档格式.docx
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•等离子体电子学一400亿美元•工具及模具硬化一20亿美元•作记录和医用聚合物薄膜领域—有几十亿美元的市场对一些新的有活力的市场估计：
•金属腐蚀防护一500亿美元
•优质陶瓷一一50亿美元
•在废物处理、金属提练、包装材料及制药业中的应用—有几十亿美元市场。
低温等离子体物理与应用是一个具有全球性影响的重要的科学与工程，对全世界的高科技工业发展及许多传统工业的改造都有着直接的影响，二^一世纪初等离子体辅助加工会产生重要的突破，而这些突破对高科技产业的保护及提高其在市场中的地位将是极为重要的，例如近十年来，低温等离子体的物理研究和技术应用在很多方面有了突破性的进展，最有代表性的是微电子工业等离子体的应用。
1995年的微电子工业的全球
销售额已达1400亿美元，其中三分之一的微电子器件的设备是采取等离子体技术。
以“奔腾”芯片为代表的半导体微处理器的复杂生产过程中，三分之一是与等离子体有关的。
1.1.低温冷等离子体的进展
1.1.1深亚微米和纳米的等离子体刻蚀
1997年全球半导体材料设备的市场销售额约为40多亿美元，据
估计该数字每年以18%的速率增长。
其中等离子体刻蚀设备的市场为24亿美元，预计到2000年将会达到53亿美元。
由于刻蚀尺度要求已在100纳米或更小，按照美国SIA于1994年公布的半导体行业发展蓝图，1998年商业芯片最小特征尺寸为0.25微米，至2004、2007年最小特征尺寸将分别降至0.13、0.17微米。
据中国科学报报导
（1998225），IBM公司已推出了0.25微米线宽的电脑芯片。
21世纪0.1微米线宽的芯片，已接近了硅半导体器件的物理极限，对各项微细加工技术提出了严峻挑战。
在超大规模集成电路的生产中，掩模光刻和基底等离子体（反应离子）刻蚀是两个主要的工艺流程。
作为重要工艺流程之一的等离子体刻蚀，0.1微米线宽加工的综合指
标要求为：
大面积均匀（200〜300mm不均匀性W士3%）,高速率
单片刻蚀（2〜3分钟），高各向异性（侧壁垂直角》88°
），高纵横比（10:
1），高刻蚀选择比（30:
1），微观不均匀性小］AspectRatioDependentEtching（ARDE）andNotching［，低电磁和能量损伤。
当刻蚀槽孔越来越小时，人们所遇到的问题是：
1）等离子体刻
蚀速率随槽孔的绝对尺寸减小而下降］size-dependentetching,
（SDE）］;
2）同一绝对尺寸的图形，刻蚀速率随图形密度增大而下降，即微负载效应］microloadingeffect.（ML）］，与过去普通的宏观负载效应相对应；
3）同一绝对尺寸下的图形，其刻蚀速率随图形深宽比增加而下降［aspectratiodependentetching
（AREC）］;
4）在图形和空区的刻蚀，存在局部旁刻（notching）。
上述现象被称为刻蚀微观不均匀性，不同于刻蚀装置中等离子体及中性粒子参数空间不均匀性造成的刻蚀速率宏观不均匀性。
其中ML勺
机理较为清晰且易消除，SDE^本质可归为ARDE因而，ARDE口
Notching成为近年来的研究热点。
在0.1微米线宽加工中，降低电
荷能量损伤以及微观不均匀性是两个至关重要的问题。
有人提出了中性束刻蚀（NeutralBeamEtching,NBE）方法，以解决上述两个问题，但面临着提高中性束流强的刻蚀面积的难题。
电子速辅助刻蚀（ElectronBeamAssistedEtchingEBAE）可以降低能量损伤，
但在电荷损伤和微观不均匀性方面还存在着缺陷。
而且，NBEW
EBA在结构和技术上相对复杂。
从机理上讲，导致损伤的主要原因是轰击芯片的离子具有高能部分，导致ARD的主要原因是离子成分
含有易被电场偏转的低能部分。
Notching产生的原因是刻蚀绝缘槽孔中的电荷分区积累得不到中和。
这些除了与等离子体产生的方法有关外，还与等离子体和芯片表面的等离子体鞘层特性的调控有关。
根据已有的基础研究，上述问题可以得到较好的解决。
即采用新型低气压高密度等离子体源技术，将离子流的能量适当提高，再辅之以其它刻蚀工艺技术（掩膜、气体种类及组合等）条件的配合。
因此等离子体刻蚀设备已是微电子工业的唯一选择。
等离子体离子源离子注入技术的发展为半导体器件的加工带来了新的希望，现在利用这种技术已制成了100nm以下P+/n结，其二
级管理想因子（diodeidealityfactor）约为1.05，体漏电流密约
2nA/cm\利用BF等离子体等离子体源离子注入制作了0.15〜0.25卩m
金属氧化物半导体场效应晶休管。
微电子领域新材料的出现，为下个10年中等离子体刻蚀技术也
提出了新的挑战。
例如，铝的金属过程中出现的电迁移效应和应力空穴效应，使得铝不能用作下一代器件的更小尺寸的要求。
到21世
纪初，铜将成为布线的新材料。
但是，由于没有现成的系统化的理论方法供其使用，长期以来，人们一直凭借经验进行摸索“寻找合适的反应气体，合适的工艺参数（能量气压、表面温度等）以及合适的反应器，以期找到可以足够快的速率、足够的高的各向异性、均匀性和选择性的刻蚀铜的工艺，为制造下一代超大规律集成电路进行技术准备。
至今尚没有铜的产业化刻蚀工艺。
对于GaA列ZnP之类的化合物半导体的刻蚀工艺已为人们所掌握，但是选择性、均匀性和损坏等问题仍未解决。
通过对这些材料的刻蚀可以制备诸如二维量子线和一维量子阱一类的神奇器件。
H-W族化合物如Cd弟ZnSe等的刻蚀工艺还未引起人们的兴趣，但这些材料在下个世纪由于光电集成电路的出现而极其重要。
化合物半导体刻蚀所要解决的问题之一就是防止其中的原子成分之一被选择性剥落，如在GaA曲只把As原子剥去了。
这些问题要求对在载能粒子和反应性粒子轰击下表面化学变化过程有深刻的理解。
1.1.2等离子体气相沉积合成新的微电子材料薄膜
微观结构上无缺陷，粘附力好的薄膜沉积，对微电子器件的制造是至关重要的。
但器件结构对温度很敏感，高温沉积可能会造成麻烦。
例如，掺杂原子被注入硅中，制成晶体管的源极和漏极之后，必须严格控制晶片在高温时的时间以避免掺杂物的扩散。
当器件缩小，掺杂区域变得很薄，则晶片的热量积聚就要求更严格的限制。
因此目前所使用的高温沉积方法在进入21世纪时，必将被低温等离子体方法所取代。
由于低压等离子体的非平衡特性，高温薄膜可以在低温下沉积出来，甚至可以沉积出即使在高温平衡条件下也不能得到的具有特定化学学成分和结晶形貌的薄膜，如表1。
在复杂的芯片上，通常与联结“布线”的电阻和电容的乘积相关的延时限制了电路的性能，电容可以通过使用介电常数低于二氧化硅的绝缘材料来减少。
用等离子体方法沉积出来的重氟高聚物有机绝缘材料是作为层间介质的最好替代材料。
由于现有知识基础还不完备，对于每一种新沉积工艺还是需要用实验为根据来发展。
表1等离子体方法生长和沉积的新光电材料
材料
应用
方法3
氟咼聚物
夹层电介质
PECVD
金刚石
散热片、晶体管
PECVDTPCVD
碳化硅
咼温超导体
联结线，高速
喷涂，溅射，TPCVD
化合物半导体
光电子，咼速
纳米晶
数据存贮，光电子
TPCVD溅射，PECVD
钢b
联结线
表注：
a）PEVCD等离子体增强化学气相沉积（低气压）TPCV［热等离子体化学气相
沉积（高气压）；
b）铜目前还没有应用于微电子器件中。
金刚石和碳化硅的热导率高，能隙大，作成微电子器件在高速、高温、抗辐射电子学方面的应用是很有希望的。
可设想电子器件可以几百摄氏度下工作而无需冷却。
低成本微电子等级的金刚石和碳化硅器件将使电子学系统设计发生一场革命。
PECV和TPCV这
两种方法都已用于沉积金刚石和碳化硅膜。
PECV对沉积用于微电
子器件的均匀薄膜更具吸引力，而TPCV则更适宜于高速率沉积用作散热片的厚膜。
化合物半导体的PECV也是一个大有希望而且极其活跃的研究领域。
这类技术可用于量子阱、超晶格以及许多下个世纪的电子器件制备上。
等离子体方法虽然有快速，大面积的沉积能力，但沉积出的膜在性能上与化学气相沉积或分子束外延相比，至今得到的薄膜质量要差一些。
这种工艺的低温沉积得到的膜的表面形貌及污染状况不很理想。
通过调整诸如离子流量和轰击能量等的等离子体参数，以及可能用脉冲等离子体技术克服这些问题。
谁在这些问题上取得了突破，谁就可以在制造技术和专业方面占有领先地位。
微观器件上沉积无缺陷，附着力大的薄膜是微电子器件生产的关键工艺，就象刻蚀工艺一样，沉积工艺也是靠经验实现了工业化。
在设计PECV过程中要在使污染和损坏最小的前提下使膜的性能更好，眼下最缺乏的就是关于工艺参数和反应器设计结构与膜性质的关系知识。
例如，芯片上的钝化膜就是用PECV方法产生的
Si3N4膜，常用的原料气为SiH4和NH,虽然可以通过调整等离子体运行参数来达到，但是这种调整过程必须经过反复多次的失败尝试才能调整到较好状态，因为粒子轰击对钉扎率或是沉积材料在表面上的扩散过程有何影响一无所知。
1.1.3等离子体清洗
微电子器件在制造过程中，晶片要反复清洗，部分原因是工艺的各道工序之间晶片暴露于空气和空气灰尘粒子之中，所以必须清洗，另外也是工艺本身会产生污染，可能会使器件成品率下降或降低器件的长期工作可靠性，因此也必须进行清洗。
虽然液体清洗工艺费用合理也很有效，但液体的滤清比气体困难，对于下一代电子器件来说是不太适用的，随着器件尺寸的缩小，液体工艺越来越难于有效地清洗亚微米结构的东西；
也许更糟，一旦这些亚微米结构被弄湿了，就很难除去残存的潮气。
这些残存潮气是制成品腐蚀的潜在根源，表现出严重的可靠性问题。
用干法清洗，可除去引起腐蚀的污染和防止水汽接触晶片表现，因此能减少或消除各工序之间和加工完成后晶片表面的腐蚀。
毫无疑问，21世纪的加工将几乎不会暴露于空气中，晶片在真空或被控制的气氛中从一个处理室传送到另一个处理室。
发展气体清洗工艺对实现这种集串（流水）工艺是至关重要的。
因此，工业界正在努力尽量减少清洗工序并用气体清洗工艺来取代湿法工艺。
等离子体的非平衡特性可用来从器件晶片表面除去通常不挥发的残存物质。
现在，等离子体工艺已用于清除沉积前的本体氧化物和刻蚀后的光刻胶。
对于后者，等离子体剥胶工艺之后总是用湿法化学清洗以除去难熔金属和象钠、钾这样一些游离离子。
密集离子注入光刻胶的等离子体有效剥离是特别困难的。
虽然在实验室中已实现了等离子体方法消除污染，但对发展工业用的工艺所需的定量的基础知识仍是缺乏。
为避免晶片受等离子体的过度辐照，确定清洗于何时完成的诊断是十分必要的。
1.1.4低压等离子体反应器技术
1.141新的机遇和挑战
等离子体反应器和等离子体工艺是十分紧密地联系在一起的。
进入21世纪，缩小器件尺寸、增加集成度将对等离子体处理及其优化过程提出越来越高的要求。
到2000年，0.2卩m结构希望得以投产，并开发对线宽损失具有更严格限制的0.1卩nmi吉构。
并能在
直径为200〜300mri的基片上进行刻蚀和沉积处理，而且应具有优于1%的均匀性，这一均匀度等于0.5卩m厚的薄膜起伏约20个原子层。
这表明刻蚀工艺要比今天的能力改进5倍。
在实验室里，目前等离子体虽然已经用于200个原子宽的部件
刻蚀，可是还没有达到控制这一刻蚀可重复生产的能力，更谈不上使上亿个部件在200m直径的基片上，以小于100个原子的线宽损失被同时刻蚀。
等离子体刻蚀中的中心任务是控制等离子体处理变量以使在大面积上获得高不对称性、高速率和高均匀性，而不至于牺牲选择性或产生不当的损伤。
只有达到这样的控制才能实现高效、高产、低成本的工业生产。
1.1.4.2发展趋势和特点
最近10年来，等离子体加工设备已发生了许多变化，这种变化趋势在未来10年还会继续，将来某一时期与基片脱耦的高密度等离子体将用于基片的处理，严密的工艺控制方法以及集团式处理工艺将开发成功，膜层间界面的晶格完整性将得到保护。
从90年代早期开始，等离子体加工从批量处理工艺逐步向大尺寸150mr的单基片处理工艺发展。
到21世纪初，单片处理工艺将非常普遍（300mm为基片）。
增加基片的尺寸是提高产量的必由途径。
当单片工艺取代批量工艺后，要提高产量还必须提高沉积率和刻蚀率，这正是发展高密度等体源的主要动力之一。
为了全面开发利用单片工艺优点，人们必须掌握反应器设计的定标定律。
否则，每改变一次基片大小，就必须进行仪器设备和工艺的重新开发设计，这是一种耗时昂贵的经验过程。
但是目前人们还未有指导这种设计的等离子体物理基础。
单片工艺更易于实现基片操纵的自动化和工艺过程的控制。
为了开发单片工艺的加工处理能力，人们需要有办法实时地显示和控制工艺过程的进度和状态。
但目前，等离子体加工艺的实时控制方法几乎没有，只有极小的处理过程可以实现灵活控制。
在许多等离子体加工过程中，设备的工作状态会从期望的最佳条件漂移出去，因此需要不停地反馈回调。
一般地，在对工作状态进行准确测量之前就漂移到了边缘工作区，呈现次佳的状态进行，使得产量和成品率下降。
灵活的反馈控制对于提咼工艺的可靠性和减少工艺的不重复性是十分必要的。
1.143计算机辅助设计
等离子体反应器的几何尺寸和电磁场位形设计直接影响着器件晶片表面的化学性质，若能建立一套计算机辅助设计（CAD）技术，
就不需要费时耗钱的试探方法来发展设备，但对此我们还缺乏足够的基础知识。
倘若现在能够建立一个依据必要的诊断数据和先进数值方法的完整程序，到21世纪初我们就有可能有这些CA技术。
这些CA技术有助于在微电子器件制造中的刻蚀、沉积、清洗和合成新型薄膜时利用非平衡等离子体特性。
1.144新的等离子体源
随着集成电路特征尺寸不断减少，就会很快接近常规射频平行平板系统的极限。
由于器件线宽越来越小，且膜层越来越薄，器件对高能离子的轰击，紫外辐射和颗粒污染引起的操作就更加敏感和只能容许更少的损伤。
除了三极反应器外，常规的等离子体反应器不能把等离子体的产生与带电粒子的输运分离开来，并且不易独立地调节离子能量和在不影响速率、选择性、均匀性和各向异性的情况下使损伤降到最小。
因此人们对高密度、低气压，有磁场的等离子体源有着相当大的兴趣。
在这种等离子体源中，等离子体的产生是完全或部分地与加工区域分开来。
独立的控制离子能量和等离子体密度使得有一个较宽的工艺优化范围，能够减少颗粒污染，并使离子、电子和光子引起的损伤降至最小。
在应用于单一晶片加工时，需要有磁约束和共振模式来激发产生高密度的等离子体和反应粒子，磁场也会改变离子轰击能量，可用作优化工艺的另一个控制参数。
但是，磁场的应用将使建立模型、设计和等离子体工艺的控制遇到更多的问题。
•低气压高密度等离子体的产生与特点
在国际上以螺旋波激励等离子体为代表的高密度等离子体源已经成为引人注目的令人激动的研究领域了，它们的主要优点是：
a）高密度、高效率、均匀、平稳；
b）低的中性粒子能量；
与ECR相比磁场很低；
c）无内电极；
电子和离子能量可控；
d）可遥控、好操作；
基片直流自偏压。
•大气压非平衡态等离子体的产生与特点
近几年来随着非平衡态化学的发展，产生一种崭新的大气压下非平衡态等离子体源技术，其中以大气压辉光放电和介质阻挡放电等离子体为代表，它能非常有效地形成大量自由基分子、准分子，在环境除污、纳米级薄膜的形成、离分子材料表面改性、大面积紫外辐射源、大屏幕彩电显示器等领域有广阔的应用前景，常用的低气压非平衡等离子体技术需要庞大而复杂的真空系统和相应设备，使材料的加工处理只能分批量进行，而采用大气压非平衡态等离子体技术，可达到节约技术，节约设备费用，提高生产速度和进行连续生产的效果。
目前产生大气压非平衡态等离子体的机理尚不清楚，在高气压下等离子体的输性特性研究也刚刚起步，但是正在形成新的研究热点。
•用于飞行器减阻和隐身的等离子体产生和特点
电磁波（包括微波和激光）与等离子体之间的相互作用，特别是电磁波穿过等离子体及其边界激波层的反射、折射与吸收问题是飞行器控制、探测及隐身的重要课题［1］。
由于对等离子体隐身技术的普遍重视，在最近十年里这方面的研究工作有很大发展。
俄罗斯克尔德什研究中心最近宣布其已研制出第三代等离子体隐身系统。
而美国在这方面的研究也不甘人后。
从90年代以来，不断有
相关的研究报告和论文发表［2-6］。
我国在这个领域里的研究也从去年开始起步。
飞行器表面等离子体的产生可以分为两种方式：
通过端部等离子体发生器产生等离子体［7，8］、通过端部强激光束电离外界气体产生等离子体、超音速飞行器高速运动时的表面高温产生等离子
体。
后一种方式几乎不可能实现参数控制，所以一般表现为不利因素。
而前两种方式产生的等离子体参数可以人为调节、控制。
所产生的等离子体通过飞行器高速运动而迅速覆盖飞行器表面。
一方面可以破坏表面湍流而形成层流结构（即所谓等离子体减阻［7，
8］），另一方面在飞行器表面所形成的等离子体分布也提供了飞行器等离子体隐身的条件［2-6］。
所以等离子体减阻与等离子体隐身是相互联系、相互影响的。
而且由于表面等离子体层的存在、特别是超音速飞行条件下等离子体外缘形成的激波面对飞行器的通讯联络、飞行控制、隐身技术都会有很大的影响。
1.2低温热等离子体的进展
低温热等离子体具有很多特点，如高温（3000〜20000K）,气氛可控制为氧化气氛、还原气氛、中性气氛，功率可高达10MW以
上，甚至高达60MW,电弧的行为可以用磁场控制。
因此，低温热等离子体在工业和技术领域具有广阔的应用远景。
近几年来，等离子体科学技术得到迅速的发展。
1.2.1应用领域的最新进展
传统的等离子体应用领域主要为：
等离子体技术在机械加工领域中的应用（如切割、焊接、喷涂、
致密化等）；
等离子体技术在冶金工业中的应用（重熔、制备铁合金、提高高炉风温、连铸中间包加热等）；
等离子体合成（制备氮化物、氧化物、碳化物及纯金属超细
粉）；
其他领域（如电弧加热风洞、磁流体发电、电弧开关等）。
近年来，在传统的应用领域，等离子体技术趋向成熟，并有所发展，与此同时又扩展了许多新的应用领域。
应用领域的新进展为：
等离子体处理三废发展迅速
近年来，美国、法国、瑞典、加拿大、日本等发达国家纷纷进行废液、废气、废渣、有毒废物及医院废弃物的等离子体处理研究。
目前已经建成了日处理金属氧化物废物50吨的试验工厂。
造纸
厂废水的等离子体处理实验室研究已经基本完成。
1995年在美国亚
特兰大召开了第一届国际等离子体废物处理会议。
H2等离子体制备金刚石薄膜取得了较大的技术突破。
在优化了工艺参数后，已经制备出直径8英寸、厚度2m啲金刚石片。
等离子体冶金工艺，已经在一部分工厂投入应用
国外已经有多家钢厂在连铸中间包上安装了等离子体加热系统，而美国、英国的一些公司已经生产等离子体加热系统出售。
等离子体化工领域的研究非常活跃
在等离子体条件下用煤制乙炔、电石、煤气、裂解重烃、制炭黑的研究已经展开，并已取得部分成果。
1.2.2研究领域的新进展
1.2.2.1等离子体发生器
等离子体技术的进展，主要取决于等离子体发生器的水平，工业化装置要求等离子体发生器具有大功率、长寿命、高效率、能在各种气氛下工作的特点。
Ar、n2为保护性气体，因而Ar、n2等离
子体发生器的技术难度较小，已经基本解决。
而在含氧气氛（空气、氧气、工业普氮-含有少量的空气）中工作的空心电极发生器技术难度较大。
近年来适用于含氧气氛的空心电极等离子体发生器的研究，在应用基础理论、实验研究数值模拟、诊断等领域都有所发展。
数值模拟了等离子体发生器弧室中温度场、速度场、电弧弧根的位置、弧旋转速度与各种流动参数，几何参数的关系。
为发生器的设计提供了参考。
用光导纤维测量了空心电极等离子体发生器弧室内电弧弧根的位置。
用光电系统和计算机图象分析技术，测量了空心电极等离子体发生器弧室中电弧旋转速度，为理论研究与数值模拟提供了检验标准。
实验研究了空心电极等离子体发生器，并优化了发生器的流动参数、几何参数、运行参数。
在应用基础研究的支持下，适用于含氧气氛的空心电极等离子体发生器，在技术上有较大的进展。
现在在国际市场上已经有大功率空气等离子体发生器出售。
1.222~~等离子体发生器数值模拟
等离子体工艺在反应器中进行，为了使反应器装置能正常运行，并且具有较高的能量利用率，必须对反应器的基本过程进行研究。
近年来，反应器的数值模拟有所发展，数值模拟了反应器装置中的温度场、速度场、等离子体与气态反应剂的湍流掺混、反应器中固体颗粒的传热与运动阻力，为反应器的设计提供了设计依据。
1.3低温等离子体展望
1.3.1低温冷等离子体展望
电子工业是民国经济的一个极其重要的组成部分，也是其国防一个主要部分。
等离子体加工是这个工业的关键，在集成电路生产中，等离子体刻蚀是细微图案高保真转移的唯一经济可行的办法。
同时，等离子体广泛应用于在足够低的温度下沉积绝缘膜和导电膜，以避免损害器件的性能。
等离子体亦用来清洗和改善器件表面。
由于微电子器件尺寸在未来十年内将不断缩小，因此将会更频繁地应用等离子体加工。
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