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1、主讲 小林学号 2 等离子体 1 1 什么是等离子体 等离子体 又叫做电浆 通常被视为物质的第四种形态 它是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质 等离子体是一种很好的导电体 用磁场可以捕捉 移动和加速等离子体 2 低温等离子体 轻度电离的等离子体 离子温度一般远低于电子温度 等离子体高温等离子体 高度电离的等离子体 离子温度和电子温度都很高 3 4 2 怎样产生等离子体 固体 液体 气体 等离子体能量能量能量 等离子体的形成 物质的四种状态 5 方法1 对于气态的物质 温度升高到几千度时 由于物质分子的热运动的加剧 相互间的碰撞就会使气体的分子产生电离 这
2、样的物质就变成正离子和电子组成的混合物等离子体 方法2 6 各种等离子体的密度和温度 7 低温等离子体的建立系统 水平式和垂直式 等离子体工业生产模型 产生低温等离子体系统 8 等离子体主要用于以下3方面 离子体冶炼 用于难于冶炼的材料 例如高熔点的锆 Zr 钛 Ti 钽 Ta 铌 Nb 钒 V 钨 W 等金属 还用于简化工艺过程 例如直接从ZrCl MoS TaO和TiCl中分别等离子体获得Zr Mo Ta和Ti 可开发硬的高熔点粉末 如碳化钨 钴 等离子体喷涂 用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化 并喷涂到基体 部件 上 使之迅速冷却 固化 形成接近网状结构的表层
3、这可大大提高喷涂质量 等离子体焊接 可用以焊接钢 合金钢 铝 铜 钛等及其合金 特点是焊缝平整 可以再加工没有氧化物杂质 焊接速度快 用于切割钢 铝及其合金 切割厚度大 9 等离子体主要作用 清洁 去除表面有机物污染和氧化物刻蚀 化学反应性刻蚀 物理刻蚀改性 粗化 交联 3 等离子体的主要用途 半导体IC行业蚀刻小孔 精细线路的加工IC芯片表面清洗绑定打线沉积薄膜 纺织行业纺织纤维表面改性 生物和医疗行业半透膜表面亲水的改性 医疗器械的清洁 镀膜物理气相沉积 PVD 镀膜 化学气相沉积 CVD 镀膜 磁控溅射镀膜 10 11 图3磁控溅射原理图 磁控溅射 基本原理就是以磁场改变电子运动方向 束
4、缚和延长电子的运动路径 提高电子的电离概率和有效地利用了电子的能量 因此 在形成高密度等离子体的异常辉光放电中 正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效 同时受正交电磁场的束缚的电子只能在其能量将要耗尽时才能沉积在基片上 这就是磁控溅射具有 低温 高速 两大特点的机理 12 3 2 等离子体的其他用途 等离子灯 将手靠近等离子灯改变了高频电场 使一根光线束从内部的球体迁移到接触点上 接近玻璃球的任何导体都会在内部产生电流 因为玻璃不能阻隔通过等离子体传导的电流所产生的电磁场 尽管绝缘体确实阻隔了电流本身 玻璃在离子化的气体和手之间起到了电介质的作用 就像电容器一样 潜在的危险 把电子设备靠近或
5、者放置在等离子灯上面时要特别小心 不只是玻璃壳会发热 高电压还会导致设备上积存大量静电 即使有塑料保护外壳也一样 13 B 2隐形战略轰炸机 Spirit 幽灵 是目前世界上唯一的隐身战略轰炸机 每架B 2造价为24亿美元 若以重量计 B 2的重量单位价格比黄金还要贵两至三倍 14 等离子体隐身技术 方法一 是利用等离子体发生器产生等离子体 即在低温下 通过电源以高频和高压的形式提供的高能量产生间隙放电 沿面放电等形式 将气体介质激活 电离形成等离子体 方法二 是在兵器特定部位 如强散射区 涂一层放射性同位素 它的辐射剂量应确保它的a射线电离空气所产生的等离子体包层具有足够的电子密度和厚度 以
6、确保对雷达波有最强的吸收 与前者相比 后者比较昂贵且维护困难 15 独特的优点 1 吸波频带宽 吸收率高 隐身效果好 使用简便 使用时间长 价格极其便宜 2 俄罗斯的实验证明 利用等离子体隐身技术不但不会影响飞行器的飞行性能 还可以减少30 以上的飞行阻力 存在难点 1 飞行速度对等离子体的影响 2 等离子体是一项十分复杂的系统工程 涉及到大气等离子体技术 电磁理论与工程 空气功力学 机械与电气工程等学科 具有很强的学科交叉性 16 原理 等离子切割是利用高温等离子电弧的热量使工件切口处的金属局部熔化 和蒸发 并借高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口的一种加工方法 它更像是一把锯 切割坚韧的
7、金属如同热刀切黄油一般 等离子切割 17 4 等离子体的发展前景 等离子体的技术最近发展迅速 等离子体彩电 冰箱 空调等 都是高新产品 发展前景广阔啊 等离子技术应用于更新的实物上 可以发展出更好的产品供人们使用 所以其发展前景很广阔 18 等离子体技术在VLSI中的应用 1 等离子体清洗技术 2 离子注入 3 干法刻蚀 4 等离子体增强化学气相淀积 PECVD 19 1等离子体清洗的机理主要是依靠等离子体中活性粒子的 活化作用 达到去除物体表面污渍的目的 就反应机理来看 等离子体清洗通常包括以下过程 无机气体被激发为等离子态 气相物质被吸附在固体表面 被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子
8、 产物分子解析形成气相 反应残余物脱离表面 20 离子注入 将杂质离化 加速 注入到晶体内部经退火形成特定杂质分布的技术 21 离子注入的特点 注入杂质的纯度高杂质浓度范围选择宽可精确控制杂质的分布和深度 均匀性好低温工艺掺杂工艺灵活横向扩散小 22 离子注入的设备 离子源离子加速质量分析器扫描装置工艺腔 终端台 23 干法刻蚀 干法刻蚀 利用等离子体激活的化学反应或者是利用高能离子束轰击完成去除物质的方法 干法刻蚀主要分为以下三种 一种是利用辉光放电产生的活性粒子与需要刻蚀的材料发生化学反应形成挥发性产物完成刻蚀 也称为等离子体刻蚀 第二种是通过高能离子轰击需要刻蚀的材料表面 使材料表面产生
9、损伤并去除损伤的物理过程完成刻蚀 称为溅射刻蚀 两种结合产生第三种刻蚀方法称为反应离子刻蚀 24 等离子体刻蚀原理 等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应 使反应气体激活成活性粒子 如原子或游离基 这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位 在那里与被刻蚀材料进行反应 形成挥发性生成物而被去除 它的优势在于快速的刻蚀速率同时可获得良好的物理形貌 25 等离子刻蚀的原理 等离子体中存在有离子 电子和游离基 游离态的原子 分子或原子团 等 这些游离态的原子 分子或原子团等活性粒子 具有很强的化学活性 位于硅片表面的薄膜材料原子就会与等离子体中的激发态游离基发生化学反应 生成挥发性的物质 从而使薄膜材料收到刻蚀 通过化学反应完成 有比较好的选择性 26 溅射刻蚀的原理 等离子体中的高能离子射到硅片上的薄膜表面时 通过碰撞 高能离子与被撞击的原子之间将发生能量和动量的转移 如果轰击离子传递给被撞原子的能量比原子的结合能还要大 就会使被撞原子脱离原来的未知飞溅出来 产生溅射现象 各向异性刻蚀 但刻蚀的选择性差 27 反应离子刻蚀 介于溅射刻蚀与等离子刻蚀之间的干法刻蚀技术 同时利用了物理溅射和化学反应的刻蚀机制 由于化学和物理作用都有助于实现刻蚀 因此可以灵活地选择工作条件以获得最佳的刻蚀效果 28 谢谢 29
