低温等离子体

低温等离子体 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 低温等离子体 三、低温等离子体 第一章 国外研究工作的最新进展 低温等离子体物理与技术经历了一个由60年代初的空间等 离子体研究向80年代和90年代以材料为导向研究领域的大转 变，高速发展的微电子科学、环境科学、能源与材料科学等， 为低温等离子体科学发展带来了新的机遇和挑战。 现在,低温等离子体物理与应用已经是一个具有全球影响 的重要的科学与工程，对高科技经济的发展及传统工业的改造 有着巨大的影响。例如，1995年全球微电子工业的销售额达 1400亿美元，而三分之一微电子器件设备采用等离子体技术。 科学家预测:二十一世纪低温等离子体科学与技术将会产生突 破。据估计，低温等离子体技术在半导体工业、聚合物薄膜、 材料防腐蚀、等离子体电子学、等离子体合成、等离子体冶 金、等离子体煤化工、等离子体三废处理等领域的潜在市场每 年达一千几百亿美元。 等离子体辅助加工被用来制造特种优良性能的新材料、研 制新的化学物质和化学过程，加工、改造和精制材料及其表 面，具有极其广泛的工业应用--从薄膜沉积、等离子体聚合、 微电路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等离子体喷 涂、等离子体冶金、等离子体化工、微波源。等离子体辅助加 工已开辟的和潜在的应用领域包括: ?半导体集成电路及其它微电子设备的制造 ?工具、模具及工程金属的硬化 ?药品的生物相溶性包装材料的制备 ?表面上防蚀及其它薄层的沉积 ?特殊陶瓷(包括超导材料) ?新的化学物质及材料的制造 ?金属的提炼 ?聚合物薄膜的印刷和制备 ?有害废物的处理 1 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 ?焊接 ?磁材料和光学波导材料 ?精细加工 ?照明及显示 ?电子电路及等离子体二极管开关 ?等离子体化工(氢等离子体裂解煤制乙炔、等离子体煤 气化、等离子体裂解重烃、等离子体制炭黑、等离子体 制电石等) 对上述某些部分领域的目前潜在市场估计: ?半导体工业260亿美元 — ?等离子体电子学400亿美元 — ?工具及模具硬化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500亿美元 — ?优质陶瓷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，二十一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 2 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 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(1998.2.25)，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。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??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,Aspect Ratio Dependent Etching(ARDE)and Notching,，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-dependent etching，(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,microloading effect.(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,aspect ratio dependent etching (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的机理较为清晰且易消除，SDE在本质可归为ARDE。因而，ARDE和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(Neutral Beam Etching，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(Electron Beam Assisted Etching EBAE)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，NBE和EBAE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ARDE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， 3 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 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(diode ideality factor)约为1.05，体漏电流密约 22nA/cm,利用BF等离子体等离子体源离子注入制作了0.15,0.25μm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GaAs和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。?-?族化合物如CdS和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GaAs中只把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 4 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 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 a材 料 应 用 方 法 氟高聚物 夹层电介质 PECVD 金刚石 散热片、晶体管 PECVD，TPCVD 碳化硅 散热片、晶体管 PECVD，TPCVD 高温超导体 联结线，高速 喷涂，溅射，TPCVD 化合物半导体 光电子，高速 PECVD 纳米晶 数据存贮，光电子 TPCVD，溅射，PECVD b钢 联结线 PECVD 表注:a) PEVCD等离子体增强化学气相沉积(低气压)TPCVD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。PECVD和TPCVD这两种方法都已用于沉积金刚石和碳化硅膜。PECVD对沉积用于微电子器件的均匀薄膜更具吸引力，而TPCVD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PECVD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 5 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 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PECVD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PECVD方法产生的SiN34膜，常用的原料气为SiH和NH，虽然可以通过调整等离子体运行参43 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 6 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 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 1.1.4.1 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，0.2μm结构希望得以投产，并开发对线宽损失具有更严格限制的0.1μnm结构。并能在直径为200,300mm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0.5μm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200mm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150mm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。 7 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 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高工艺的可靠性和减少工艺的不重复性是十分必要的。 1.1.4.3 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CAD技术。这些CAD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。 1.1.4.4 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 8 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 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 9 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 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。 10 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 等离子体制备金刚石薄膜取得了较大的技术突破。 H,2 在优化了工艺参数后，已经制备出直径8英寸、厚度2mm的金刚石片。 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、为保护性气体，因而Ar、等离子NN22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。 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。 1.2.2.2 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 11 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 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。同时对等离子体加工也提出了更高的要求。未来新一代集成电路的生产将要求刻蚀在各向异性、选择性和均匀性方面有显著的改时，改善平坦化和沉积时的保形性，用新的材料以满足器件性能和可靠性要求，降低加工的损伤和污染等，为了迎接这些挑战，需要有新的工艺和新的反应器。 目前等离子体工艺是用直觉判断，经验和统计优化三者结合起来发展的。对于等离子体工艺，由于基础知识方面还有空白，尚不存在数值模拟代码或专家系统等设计方法。现在对等离子体加工提出了前所未有的要求，不大可能用传统的发展工艺的方法来不断满足我们的需求。必须把工艺变量和晶片属性联系起来，变更现有工艺和设计新的工艺。 等离子体反应器设计与等离子体加工直接相关，但我们又缺少计算机辅助设计方法来设计新的等离子体反应器。我们也没有能力把从一种等离子体反应器的工艺变换成另一种等离子体反应器的工艺，或把一个小的等离子体反应器的工艺扩大成一个大的等离子体反应器的工艺。在我们理解几何形状和电磁设计是如何影响材料性能之前，对于某一给定的工艺来说，如何来选择反应器，这还是不清楚的，缺乏物理基础知识来建立计算机辅助设计方法，能够提供必要指导的仅仅是根据费用昂贵的经验的和反复的探索性试验。 12 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 当特定设计、特定制作的芯片(特定用途集成电路，ASIC)拥有更大的市场份额时，未来的微电子市场将不依懒存贮器芯片占主要地位。但低价格的特定制作意味着ASIC生产厂商不可能承担对每份新订单的新工艺和新加工设备所需的大规模投资。未来ASIC市场将属于柔性生产厂商，它使用一套通用的工艺设备来生产许多种不同电路设计的集成电路。这种柔性加工只能产生于对工艺和反应器的真实理解。 1.3.2 低温热等离子体展望 根据热等离子体科学发展的历史及其自身发展规律，根据社会需要、技术可达性与投资的可能性，可以对未来热等离子体科学与技术的发展进行预测和展望。 等离子体化工将会有快速发展,其中氢等离子体条件下煤制乙炔将, 会有所突破。等离子体煤气化会有较大发展。 为了社会的可持续发展，环境保护是人类面临的最大问题。而等离, 子体发生器技术的突破又为“废弃物的等离子体处理”创造了条件，因而废弃物的等离子体处理将会得到较大的发展，并且在某些领域将会投入工业应用，形成产业。如有害废弃物处理、金属氧化物废弃物处理、废液处理等。 氢等离子体制备金刚石薄膜将会快速发展，在相应的基础研究及工, 艺参数优化后，将会投入小规模生产。 等离子体发生器中的基本过程应用基础研究将更加深入，与此同, 时，等离子体反应器的基础研究将会获得进展。 由于等离子体发生器及等离子体反应器已经达到较高水平，因而等, 离子体冶金将在某些领域实现产业化。等离子体合成将会发展，某些品种超细粉末将会投入生产，并形成一定规模。 其他的等离子体工业应用将会继续前进，也可能出现一些令人感兴, 趣的新领域。 参考文献: [1]参见:V. L. Ginzberg, “The propagation of electromagne- tic waves in plasma” (Pergammon Press, New York, 1970). [2]R. J. Vidmar, “Plasma cloaking: Air chemistry, broadband absorption and plasma generation”, Final Report, Air Force Office of Scientific Research Contract No. 13 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 F49620-K-0013 (SRI International, 1990). [3]R. J. Vidmar, “On use of atmospheric plasmas as electromagnetic reflectors and absorbers”, IEEE Trans. Plasma Sci. 18, 733 (1990) [4] W. W. Destler, J. E. Degrange, H. H. Fleishmann, J. Rodgers, and Z. Segalov, “Experimental studies of high power microwave reflection, transmission, and absorption from a plasma-covered plane boundary”, J. Appl. Phys. 69, 6313 (1991) [5]D. J. Gregdire, J. Santoru, and R. W. Schumacher, “Electromagnetic wave propagation in unmagnetized plasmas, Final Report, Air Force Office of Scientific Research # AD-A250710, 1992 [6]M. Laroussi and J. R. Roth, “Numerical calculation of the reflection, absorption, and transmission of microwaves by a non-uniform plasma slab”, IEEE Trans. Plasma Sci. 21, A-89 (1993) [7]戈尔杰耶夫 等，“利用等离子体技术降低超声速飞行器气动 阻力的可能性实验研究”。(内部报告) [8]加尼涅夫 等，“利用等离子体喷流减小气动阻力可能性的理 论与试验研究”。(内部报告) 第二章 我国低温等离子体研究的发展状况 2.1.我国低温冷等离子体发展状况 至今我们国家没有低温等离子体物理与技术的发展规划，更没 有在大学或研究单位布点进行重点支持，使这一领域与国际上相比 显得十分冷清。研究工作规模小，只有有限几个研究组规模的单位 在认真地从事低温等离子体方面物理的工作，大学中只有大连理工 大学和中国科大在近代物理系设有等离子体专门化，每年培养几十 名等离子体方面的本科性，而几乎所有的理工科大学生都不知道这 个占宇宙物质存在形式达百分之九十九的等离子体为何物。一些从 事真空技术、材料科学和环保、能源方面的科技人员，在自己工作 中往往只把等离子体当做一种手段，而不注重研究它们的性质去提 14 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 高工作质量，因此造成低水平的重复，这样就使我国低温等离子物理与技术水平与国际上的差距逐渐加大。例如: 自本世纪50年代中期开始几乎与日本同时，我国即对半导体工业、继而对微电子行业进行开发和投资，但初期由于力度不够，又没有注意先进技术的引进，进展不快。“六五”期间国家开始给予较大重视，迄今已投入很多资金进行技术引进，然而收效并不显著，与先进国家差距仍在加大。究其原因主要是因为我国虽然注意了技术的引进，投资也很大，但对基础研究重视不够。从事微电子研究的人员只把主要精力放在微电子工业本身如材料和加工工艺，而对作为微电子加工主要手段的低温等离子体技术则不太重视，对等离子体加工的机理则更少研究。另一方面从事微电子低温等离子体研究的人员又得不到足够的重视和支持，无从进行较为全面深入的等离子体加工机理的研究，难以发挥作用。长期以来这种状况使得我国等离子体微加工技术缺少自我发展的能力，实验室水平一直处于较为落后的地位。但尽管这样，我国的低温等离子体物理与技术的研究工作还是在近几年内取得不少成绩，在某些方面达到或接近世界先进水平。例如，在低温等离子体物理基础研究方面利用稳态和ECR等出子体放电装置在国际上首次观察到了等离子体中的三周期振荡、准周期振荡、临界引起的阵发振荡，并首次计算出它的关联维数。在phys.Rev.lett 上发表多篇研究论文，在研究等离子体与表面相互作用和鞘层理论方面，有三十多篇论文被SCI收录，并受到国际上权威专家的高度。在等离子体制备新材料方面，我国利用等离子体化学气相沉积制备的β-CN膜、DBN膜、GN等膜的某些晶相纯、晶质特性以及ECR34 微波等离子体源离子渗氮的效果等方面都已处于世界先进水平。中科院合肥等离子体所1994年研制了微波ECR-RIE型刻蚀样机，通过了电子工业部主持的监定，获中科院科技进步二等奖。 利用PECVD已合成厚度大于0.5毫米的金刚石厚膜，经加工后制 3成了大小10?10?0.36mm和热导率为10W/kcm的金刚石电子基板，已达到了实用要求。在国际上首次研制成功高能量密度的等离子体化学沉积系统和ECR等离子体源离子增强的物理化学沉积系统。 2.2.我国低温热等离子体发展状况 发展过程 , 60年代 起步，建立了为航天服务的电弧加热风洞。 15 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 70年代 除了个别单位进行少量研究外，基本上处于停滞阶段。 80年代 国内有20多家研究单位及大学组织人力、物力投入等离子 体科学与技术的研究，当时的研究重点是制备新材料。与 此同时等离子体喷涂与空气等离子体切割工艺得到了推 广，现在国内已经有多家工厂生产专用的等离子体喷涂设 备和等离子体切割设备。 90年代 开辟了新的研究领域，其中有:等离子体冶金、造纸厂废 水等离子体处理、烟气脱硫研究、氢等离子体制备金刚石 薄膜、等离子体制乙炔等。与此同时进行了相应的等离子 体发生器及等离子体反应器中基本过程应用基础研究，取 得了较好的结果。 现状 , 国内已有20多所研究院所及高校进行了研究，已经有一支研究队? 伍。 凡是国外进行的主要研究领域，国内都有人在进行研究。 ? 在造纸厂废水处理、氢等离子体制备金刚石薄膜、大功率等离子? 体发生器(实心电极型和空心电极型)等领域取得了较好成果。 发生器及反应器基本过程研究及数值模拟取得了一定的进展。 ? 从事等离子体研究的院所及高等学校都建立了等离子体装置，主? 要是直流系统。 由于投资不足，因而基础研究较少，诊断技术研究几乎空白。 ? 研究人员老化，年轻的研究生大部分出国，后继乏人。 ? 第三章 关于我国低温等离子体研究发展的对策 3.1.低温冷等离子体领域 在低温等离子体方面，应重点开展微电子工业的等离子体物理研, 究，为深亚微米和纳米的等离子体刻蚀以及新的微电子、光电子薄膜制备工艺奠定可靠的科学基础，以微电子工业的低温等离子体物理与工艺研究为龙头，有针对性的系统的开展低温等离子体物理基础和应用基础研究工作，并在总结国外研究工作和自己研究成果的基础上，争取在3,5年的时间形成较完整系统的理论与工艺体系。为此，我们认为在技术引进的同时，必须努力培养出一批自己的微电子低温等离子体研究专家，象技术先进的国家一 16 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 样能在自己的实验室里不断拿出世界一流的研究成果，能自行设计、改进等等离子体装置、改进等离子体加工工艺和方法。只有这样我国才能逐步化被动为主动，做到自我装备，不断自我更新和自我发展，象日本六七十年代一样以较快速度赶上世界一流水平。 为扭转我国微电子工业长期落后状态，我们建议国家应当在等离子体微加工机理的研究方面进行较大的投入，在全国建立1-2个具有世界水平的低温等离子体研究中心，并制定国家级的等离子体微电子加工的计划，采取有效措施，鼓励和支持等离子体、微电子和材料等方面的专家进行合作来完成这项国家计划。 第四章 某些关键科学问题 4.1 先进等离子体源的研制 ?建立高密度等离子体源(ECR.ICP)特征参数控制和理论模型。 高密度等离子体源仍有许多需要解决的问题，我们拟解决的主要是大面积加工的非均匀性和不稳定性问题。等离子体均匀性是和功率沉积的均匀性密切相关的，因此必须在考虑等离子体输运情况下波与等离子体耦合的自洽理论，确定出电子、离子密度分布与波的功率沉积之间的关系，与等离子体源几何形状、电磁场位形之间接关系，寻求电子、离子密度和温度分布函数的控制方法，实现对等离子体精加工工艺的优化和控制;研究ECR等离子体、ICP等离子体中的湍流、多稳态以及在其附近产生的自振荡和不稳定性。给出稳定性判据，实现对发生这类不稳定性的预测和反馈控制。 ?建立界面区域等离子体刻蚀和沉积的物理化学动力学模型。 实际上，构成界面区物理和化学反应及直接影响精加工质量的是等离子体鞘层的特性和参数，如电子密度、离子密度、电子温度、离子温度，特别是离子轰击表面的定向能量和通量，中间产物种类及密度分布，紫外光强度以及鞘层内电磁场特性等，以这些参数为依据所建立的定标关系才是正确的，为此我们必须研究在界面区域(或鞘层区)粒子和能量的非平衡输运理论，重点考察离子在鞘层里的能量分布、动量分布以及尘埃粒子对鞘层结构与输运过程的影响，并寻求对离子能量、动量分布的控制方法，研究离子能量分布、动量角分布和中性成份的时空分布对刻蚀速率、形状和薄膜微 17 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 组织结构以及物性的关系，利用计算机计算技术跟踪原子的沉积过程及原子的聚集成膜过程，研究薄膜的生长速率、晶体结构、薄膜原子在界面与基体原子的混合程度等同等离子体鞘层参数及其非平衡输运特性之间关系，基于以上于理论、实验和计算机模拟的结果，给出等离子体精加工制备高品位微电子薄膜的定标关系以及指导和改进等离子体反应器的设计。 4.2 进行精加工理论的实验验证和高质量精加工的示范研究 精密的实验设计和准确的实数据是建立物理、数值模型和定标关系的基础，因此必须改进和完善专用的研究装置和测量系统，以低气压高密度等离子体源(ECR.ICP)做为用于薄膜沉积和刻蚀。研制测量系统和实验方法，重点用于监测等离子体与工件表面作用区内的等离子体参数，包括:在加工表面的鞘层里粒子分布，时空分布，能量及电位分布，稳定的稳态放电参数，电子和离子密度剖面、温度剖面、电磁场的空间位形，中性粒子成分与分布。在精加工的示范研究方面，将实现深亚微米、大面积均匀、高刻蚀率、选择性好、低损伤的刻蚀加工;发展先进的制膜工艺、将计算机薄膜设计与实验制备有机结合起来，能有效控制薄膜生长、改善薄膜品质，实验超薄、致密、大面积均匀和高附着力的薄膜工艺。 4.3 建立等离子体微电子精加工的数据库 收集整理等离子体精加工典型的原子、分子激发、去激发数据、电离与复合数据，各种基团attachment，detachment数据，带电粒子、紫外线和X射线辐照材料的损伤数据等。 4.4 拟解决的关键等离子体科学问题 对具有高度非线性介电响应的稠密等离子体，在考虑等离子体输运的前提下建立波与等离子体自洽的耦合理论。为先进等离子体的设计提供理论基础。 ?在电场时空高度非均匀变化的鞘层区域研究粒子和能量的非平衡输运过程。研究ECR等离子体的模式跃变和ICP等等离子体破裂稳定性机理，给出稳定性判据和预测、反馈控制不稳定性，实现最佳等离子体位形的建立和监控。 ?解决在等离子体与表面相互作用区里准确测试粒子成分、密度、能量的时空分布以及电磁场位形的测试手段与方法。以等离子体 18 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 鞘层的特性和参数为依据，建立精加工的定标关系。 ?以等离子体微电子精加工的理论指导微电子和光电薄膜材料的计算机设计。在原子、分子水平上研究等离子体纳米微电子加工机理。为等离子体纳米刻蚀和纳米薄膜合成工艺提供科学依据。 ?大气辉光放电等离子体的产生与控制 从应用角度看，大气压下放电等离子体的稳定性是极为重要的，尤其是对大气压下辉光放电等离子体而言，因为它与前两种相比是难以产生和控制的。人们直到九十年代才利用特殊的电极结构 [1]获得了稳定的大气压下稳态辉光放电等离子体，九十年代末，我们发现了在适当的条件下可将丝状的介质阻挡放电等离子体转交成 [2-3]大气下稳定的脉冲辉光放电等离子体。目前对大气下辉光放电等离子体产生的基本物理化学过程及其主要特征的研究还处在起始阶段，特别是在空气(氧、氮和水气的混合介质)中的辉光放电研究更少，许多重要问题有待解决。这种状况严重地阻碍了对大气下辉光放电等离子体在环境和材料科学工程中的应用研究。因为没有一个合适的大气压下辉光放电等离子体的物理和数学模型，就不能描述实验。不能斟对一个具体的应用问题来优化放电参数，指导工艺设计。因此研制一种能有效产生大量化学活性粒种(电子、离子、激发态原子、官能团)的新型大气辉光等离子体发生器，并从理论和实验上得出等离子体产生及其主要特性的正确描述是一项非常有 [4]意义的工作。 ?电磁波穿过等离子体及其边界强激波层的反射、折射与吸收问题 从目前国内外所发表的研究结果和正在进行的研究计划来看，基本上侧重于电磁波在均匀或连续变化的等离子体中传播过程的反射、折射与吸收。这种近似模型对于低速飞行器还可以适用。但对于超音速飞行器，特别是飞行速度达到5马赫甚至更高的飞行器，等离子体外缘形成的强激波面上的表面反射和内反射可能成为对微波的反射与吸收、对制导激光的反射与折射的主导因素。这是我们研究超音速飞行器控制、隐身与制导所面临的挑战性课题，也是我们研究项目所要解决的关键问题。对于这个问题，国内外都没有现成的资料可供参考。 19 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 参考文献 [1] Akishev Yu.S., et al. J Phys. D: Appl. Phys. 1993. V. 26. No 10 P.1930 [2] Dongping Liu, Shiji Yu, Tengcai Ma Jpn. J. Appl. Phys., 2000, 39(A): 3359 [3] Dongping Liu, Tengcai Ma, et. al. thOral presentation in the 7 International Conference on Plasma Surface Engineering(PSE 2001).Sept.17-21, 2000, Garmisch Partenkirchen, Germany.(in English) [4] Thomas C., et. al. IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE., 2000 Vol.28. No 1,P.41 20