低溫等離子體

1、低溫等離子體物理篇低溫等離子體三、低溫等離子體 第一章 國外研究工作的最新進展低溫等離子體物理與技術經歷了一個由 60年代初的空間等 離子體研究向80年代和90年代以材料為導向研究領域的大轉 變，高速發(fā)展的微電子科學、環(huán)境科學、能源與材料科學等， 為低溫等離子體科學發(fā)展帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。現(xiàn)在,低溫等離子體物理與應用已經是一個具有全球影響 的重要的科學與工程，對高科技經濟的發(fā)展及傳統(tǒng)工業(yè)的改造 有著巨大的影響。例如，1995年全球微電子工業(yè)的銷售額達1400乙美元，而三分之一微電子器件設備采用等離子體技術。 科學家預測：二十一世紀低溫等離子體科學與技術將會產生突 破。據(jù)估計，低溫等離子體技術

2、在半導體工業(yè)、聚合物薄膜、 材料防腐蝕、等離子體電子學、等離子體合成、等離子體冶 金、等離子體煤化工、等離子體三廢處理等領域的潛在市場每 年達一千幾百億美元。等離子體輔助加工被用來制造特種優(yōu)良性能的新材料、研 制新的化學物質和化學過程，加工、改造和精制材料及其表 面，具有極其廣泛的工業(yè)應用-從薄膜沉積、等離子體聚合、 微電路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等離子體噴 涂、等離子體冶金、等離子體化工、微波源。等離子體輔助加 工已開辟的和潛在的應用領域包括：半導體集成電路及其它微電子設備的制造工具、模具及工程金屬的硬化藥品的生物相溶性包裝材料的制備表面上防蝕及其它薄層的沉積特殊陶瓷（包括超導材

3、料）新的化學物質及材料的制造金屬的提煉聚合物薄膜的印刷和制備有害廢物的處理i低溫等離子體物理篇焊接磁記錄材料和光學波導材料精細加工照明及顯示電子電路及等離子體二極管開關等離子體化工（氫等離子體裂解煤制乙炔、等離子體煤 氣化、等離子體裂解重烴、等離子體制炭黑、等離子體 制電石等）對上述某些部分領域的目前潛在市場估計：半導體工業(yè)一260億美元等離子體電子學 一400億美元 工具及模具硬化一20億美元 作記錄和醫(yī)用聚合物薄膜領域 有幾十億美元的市場 對一些新的有活力的市場估計：金屬腐蝕防護一500億美元優(yōu)質陶瓷一一50億美元在廢物處理、金屬提練、包裝材料及制藥業(yè)中的應用 有幾十億美元市場。低溫等離子

4、體物理與應用是一個具有全球性影響的重要的 科學與工程，對全世界的高科技工業(yè)發(fā)展及許多傳統(tǒng)工業(yè)的改 造都有著直接的影響，二一世紀初等離子體輔助加工會產生 重要的突破，而這些突破對高科技產業(yè)的保護及提高其在市場 中的地位將是極為重要的，例如近十年來，低溫等離子體的物 理研究和技術應用在很多方面有了突破性的進展，最有代表性 的是微電子工業(yè)等離子體的應用。1995年的微電子工業(yè)的全球銷售額已達1400億美元，其中三分之一的微電子器件的設備是 采取等離子體技術。以“奔騰”芯片為代表的半導體微處理器 的復雜生產過程中，三分之一是與等離子體有關的。1.1.低溫冷等離子體的進展1.1.1深亞微米和納米的等離子

5、體刻蝕1997年全球半導體材料設備的市場銷售額約為 40多億美元，據(jù)估計該數(shù)字每年以18%的速率增長。其中等離子體刻蝕設備的市場 為24億美元，預計到2000年將會達到53億美元。由于刻蝕尺度要求 已在100納米或更小，按照美國SIA于1994年公布的半導體行業(yè)發(fā)展 藍圖，1998年商業(yè)芯片最小特征尺寸為 0.25微米，至2004、2007年 最小特征尺寸將分別降至0.13、0.17微米。據(jù)中國科學報報導(1998225) ，IBM公司已推出了 0.25微米線寬的電腦芯片。21世紀 0.1微米線寬的芯片，已接近了硅半導體器件的物理極限，對各項 微細加工技術提出了嚴峻挑戰(zhàn)。在超大規(guī)模集成電路的生

6、產中，掩 模光刻和基底等離子體(反應離子)刻蝕是兩個主要的工藝流程。作 為重要工藝流程之一的等離子體刻蝕，0.1微米線寬加工的綜合指標要求為：大面積均勻(200300mm不均勻性W 士 3%),高速率單片刻蝕(23分鐘)，高各向異性(側壁垂直角88 ° )，高縱橫比 (10 : 1)，高刻蝕選擇比(30 : 1)，微觀不均勻性小Aspect Ratio Depe ndent Etchi ng(ARDE)a nd Notchi ng ，低電磁和能量損傷。當刻蝕槽孔越來越小時，人們所遇到的問題是：1)等離子體刻蝕速率隨槽孔的絕對尺寸減小而下降size-depe nde nt etch i

7、ng,(SDE); 2)同一絕對尺寸的圖形，刻蝕速率隨圖形密度增大而下 降，即微負載效應microloadi ng effect.(ML) ，與過去普通的 宏觀負載效應相對應；3)同一絕對尺寸下的圖形，其刻蝕速率隨圖 形深寬 比增加而下降 aspect ratiodependent etching(AREC); 4)在圖形和空區(qū)的刻蝕，存在局部旁刻 (notching)。上 述現(xiàn)象被稱為刻蝕微觀不均勻性，不同于刻蝕裝置中等離子體及中 性粒子參數(shù)空間不均勻性造成的刻蝕速率宏觀不均勻性。其中ML 勺機理較為清晰且易消除，SDE本質可歸為 ARDE因而，ARDE口Notching成為近年來的研究熱點

8、。在0.1微米線寬加工中，降低電荷能量損傷以及微觀不均勻性是兩個至關重要的問題。有人提出了 中性束刻蝕(Neutral Beam Etching , NBE)方法，以解決上述兩個 問題，但面臨著提高中性束流強的刻蝕面積的難題。電子速輔助刻 蝕(Electro n Beam Assisted Etchi ng EBAE)可以降低能量損傷，但在電荷損傷和微觀不均勻性方面還存在著缺陷。而且，NBEWEBA在結構和技術上相對復雜。從機理上講，導致?lián)p傷的主要原因 是轟擊芯片的離子具有高能部分，導致ARD的主要原因是離子成分含有易被電場偏轉的低能部分。Notching產生的原因是刻蝕絕緣槽 孔中的電荷分區(qū)

9、積累得不到中和。這些除了與等離子體產生的方法 有關外，還與等離子體和芯片表面的等離子體鞘層特性的調控有 關。根據(jù)已有的基礎研究，上述問題可以得到較好的解決。即采用 新型低氣壓高密度等離子體源技術，將離子流的能量適當提高，再 輔之以其它刻蝕工藝技術（掩膜、氣體種類及組合等）條件的配合。 因此等離子體刻蝕設備已是微電子工業(yè)的唯一選擇。等離子體離子源離子注入技術的發(fā)展為半導體器件的加工帶來 了新的希望，現(xiàn)在利用這種技術已制成了100 nm以下P+/n結，其二級管理想因子（diode ideality factor）約為1.05，體漏電流密約2nA/cm利用BF等離子體等離子體源離子注入制作了0.15

10、0.25卩m金屬氧化物半導體場效應晶休管。微電子領域新材料的出現(xiàn)，為下個10年中等離子體刻蝕技術也提出了新的挑戰(zhàn)。例如，鋁的金屬過程中出現(xiàn)的電遷移效應和應力 空穴效應，使得鋁不能用作下一代器件的更小尺寸的要求。到21世紀初，銅將成為布線的新材料。但是，由于沒有現(xiàn)成的系統(tǒng)化的理 論方法供其使用，長期以來，人們一直憑借經驗進行摸索“尋找合 適的反應氣體，合適的工藝參數(shù)（能量氣壓、表面溫度等）以及合適 的反應器，以期找到可以足夠快的速率、足夠的高的各向異性、均 勻性和選擇性的刻蝕銅的工藝，為制造下一代超大規(guī)律集成電路進 行技術準備。至今尚沒有銅的產業(yè)化刻蝕工藝。對于GaA列ZnP之類的化合物半導體的

11、刻蝕工藝已為人們所掌 握，但是選擇性、均勻性和損壞等問題仍未解決。通過對這些材料 的刻蝕可以制備諸如二維量子線和一維量子阱一類的神奇器件。H -W族化合物如Cd弟ZnSe等的刻蝕工藝還未引起人們的興趣，但這 些材料在下個世紀由于光電集成電路的出現(xiàn)而極其重要?；衔锇?導體刻蝕所要解決的問題之一就是防止其中的原子成分之一被選擇 性剝落，如在GaA曲只把As原子剝去了。這些問題要求對在載能粒 子和反應性粒子轟擊下表面化學變化過程有深刻的理解。1.1.2等離子體氣相沉積合成新的微電子材料薄膜微觀結構上無缺陷，粘附力好的薄膜沉積，對微電子器件的制 造是至關重要的。但器件結構對溫度很敏感，高溫沉積可能會

12、造成 麻煩。例如，摻雜原子被注入硅中，制成晶體管的源極和漏極之 后，必須嚴格控制晶片在高溫時的時間以避免摻雜物的擴散。當器 件縮小，摻雜區(qū)域變得很薄，則晶片的熱量積聚就要求更嚴格的限 制。因此目前所使用的高溫沉積方法在進入 21世紀時，必將被低溫 等離子體方法所取代。由于低壓等離子體的非平衡特性，高溫薄膜可以在低溫下沉積 出來，甚至可以沉積出即使在高溫平衡條件下也不能得到的具有特 定化學學成分和結晶形貌的薄膜，如表1。在復雜的芯片上，通常與聯(lián)結“布線”的電阻和電容的乘積相 關的延時限制了電路的性能，電容可以通過使用介電常數(shù)低于二氧 化硅的絕緣材料來減少。用等離子體方法沉積出來的重氟高聚物有 機

13、絕緣材料是作為層間介質的最好替代材料。由于現(xiàn)有知識基礎還 不完備，對于每一種新沉積工藝還是需要用實驗為根據(jù)來發(fā)展。表1等離子體方法生長和沉積的新光電材料材料應用方法3氟咼聚物夾層電介質PECVD金剛石散熱片、晶體管PECVD TPCVD碳化硅散熱片、晶體管PECVD TPCVD咼溫超導體聯(lián)結線，高速噴涂，濺射，TPCVD化合物半導體光電子，咼速PECVD納米晶數(shù)據(jù)存貯，光電子TPCVD 濺射，PECVD鋼b聯(lián)結線PECVD表注：a） PEVCD等離子體增強化學氣相沉積（低氣壓）TPCV熱等離子體化學氣相沉積（高氣壓）；b）銅目前還沒有應用于微電子器件中。金剛石和碳化硅的熱導率高，能隙大，作成微

14、電子器件在高 速、高溫、抗輻射電子學方面的應用是很有希望的?？稍O想電子器 件可以幾百攝氏度下工作而無需冷卻。低成本微電子等級的金剛石 和碳化硅器件將使電子學系統(tǒng)設計發(fā)生一場革命。PECV和 TPCV這兩種方法都已用于沉積金剛石和碳化硅膜。PECV對沉積用于微電子器件的均勻薄膜更具吸引力，而 TPCV則更適宜于高速率沉積用 作散熱片的厚膜?；衔锇雽w的PECV也是一個大有希望而且極其活躍的研究 領域。這類技術可用于量子阱、超晶格以及許多下個世紀的電子器 件制備上。等離子體方法雖然有快速，大面積的沉積能力，但沉積 出的膜在性能上與化學氣相沉積或分子束外延相比，至今得到的薄 膜質量要差一些。這種工

15、藝的低溫沉積得到的膜的表面形貌及污染 狀況不很理想。通過調整諸如離子流量和轟擊能量等的等離子體參 數(shù)，以及可能用脈沖等離子體技術克服這些問題。誰在這些問題上 取得了突破，誰就可以在制造技術和專業(yè)方面占有領先地位。微觀器件上沉積無缺陷，附著力大的薄膜是微電子器件生產的 關鍵工藝，就象刻蝕工藝一樣，沉積工藝也是靠經驗實現(xiàn)了工業(yè) 化。在設計PECV過程中要在使污染和損壞最小的前提下使膜的性 能更好，眼下最缺乏的就是關于工藝參數(shù)和反應器設計結構與膜性 質的關系知識。例如，芯片上的鈍化膜就是用PECV方法產生的Si3N4膜，常用的原料氣為SiH4和NH,雖然可以通過調整等離子體運 行參數(shù)來達到，但是這種

16、調整過程必須經過反復多次的失敗嘗試才 能調整到較好狀態(tài)，因為粒子轟擊對釘扎率或是沉積材料在表面上 的擴散過程有何影響一無所知。1.1.3等離子體清洗微電子器件在制造過程中，晶片要反復清洗，部分原因是工藝 的各道工序之間晶片暴露于空氣和空氣灰塵粒子之中，所以必須清 洗，另外也是工藝本身會產生污染，可能會使器件成品率下降或降 低器件的長期工作可靠性，因此也必須進行清洗。雖然液體清洗工藝費用合理也很有效，但液體的濾清比氣體困 難，對于下一代電子器件來說是不太適用的，隨著器件尺寸的縮 小，液體工藝越來越難于有效地清洗亞微米結構的東西；也許更 糟，一旦這些亞微米結構被弄濕了，就很難除去殘存的潮氣。這些

17、殘存潮氣是制成品腐蝕的潛在根源，表現(xiàn)出嚴重的可靠性問題。用干法清洗，可除去引起腐蝕的污染和防止水汽接觸晶片表 現(xiàn)，因此能減少或消除各工序之間和加工完成后晶片表面的腐蝕。 毫無疑問，21世紀的加工將幾乎不會暴露于空氣中，晶片在真空或 被控制的氣氛中從一個處理室傳送到另一個處理室。發(fā)展氣體清洗 工藝對實現(xiàn)這種集串（流水）工藝是至關重要的。因此，工業(yè)界正在 努力盡量減少清洗工序并用氣體清洗工藝來取代濕法工藝。等離子體的非平衡特性可用來從器件晶片表面除去通常不揮發(fā) 的殘存物質?，F(xiàn)在，等離子體工藝已用于清除沉積前的本體氧化物 和刻蝕后的光刻膠。對于后者，等離子體剝膠工藝之后總是用濕法 化學清洗以除去難熔

18、金屬和象鈉、鉀這樣一些游離離子。密集離子 注入光刻膠的等離子體有效剝離是特別困難的。雖然在實驗室中已 實現(xiàn)了等離子體方法消除污染，但對發(fā)展工業(yè)用的工藝所需的定量 的基礎知識仍是缺乏。為避免晶片受等離子體的過度輻照，確定清 洗于何時完成的診斷是十分必要的。1.1.4低壓等離子體反應器技術1.141 新的機遇和挑戰(zhàn)等離子體反應器和等離子體工藝是十分緊密地聯(lián)系在一起的。進入21世紀，縮小器件尺寸、增加集成度將對等離子體處理及 其優(yōu)化過程提出越來越高的要求。到 2000年，0.2卩m結構希望得以 投產，并開發(fā)對線寬損失具有更嚴格限制的0.1卩nmi吉構。并能在直徑為200300mri的基片上進行刻蝕和

19、沉積處理，而且應具有優(yōu)于 1%的均勻性，這一均勻度等于0.5卩m厚的薄膜起伏約20個原子層。 這表明刻蝕工藝要比今天的能力改進 5倍。在實驗室里，目前等離子體雖然已經用于200個原子寬的部件刻蝕，可是還沒有達到控制這一刻蝕可重復生產的能力，更談不上 使上億個部件在200m直徑的基片上，以小于100個原子的線寬損失 被同時刻蝕。等離子體刻蝕中的中心任務是控制等離子體處理變量 以使在大面積上獲得高不對稱性、高速率和高均勻性，而不至于犧 牲選擇性或產生不當?shù)膿p傷。只有達到這樣的控制才能實現(xiàn)高效、 高產、低成本的工業(yè)生產。1.1.4.2 發(fā)展趨勢和特點最近10年來，等離子體加工設備已發(fā)生了許多變化，這

20、種變化 趨勢在未來10年還會繼續(xù)，將來某一時期與基片脫耦的高密度等離 子體將用于基片的處理，嚴密的工藝控制方法以及集團式處理工藝 將開發(fā)成功，膜層間界面的晶格完整性將得到保護。從90年代早期開始，等離子體加工從批量處理工藝逐步向大尺 寸150mr的單基片處理工藝發(fā)展。到 21世紀初，單片處理工藝將非 常普遍（300mm為基片）。增加基片的尺寸是提高產量的必由途徑。 當單片工藝取代批量工藝后，要提高產量還必須提高沉積率和刻蝕 率，這正是發(fā)展高密度等體源的主要動力之一。為了全面開發(fā)利用單片工藝優(yōu)點，人們必須掌握反應器設計的 定標定律。否則，每改變一次基片大小，就必須進行儀器設備和工 藝的重新開發(fā)設

21、計，這是一種耗時昂貴的經驗過程。但是目前人們 還未有指導這種設計的等離子體物理基礎。單片工藝更易于實現(xiàn)基片操縱的自動化和工藝過程的控制。為 了開發(fā)單片工藝的加工處理能力，人們需要有辦法實時地顯示和控 制工藝過程的進度和狀態(tài)。但目前，等離子體加工藝的實時控制方 法幾乎沒有，只有極小的處理過程可以實現(xiàn)靈活控制。在許多等離 子體加工過程中，設備的工作狀態(tài)會從期望的最佳條件漂移出去， 因此需要不停地反饋回調。一般地，在對工作狀態(tài)進行準確測量之 前就漂移到了邊緣工作區(qū)，呈現(xiàn)次佳的狀態(tài)進行，使得產量和成品 率下降。靈活的反饋控制對于提咼工藝的可靠性和減少工藝的不重復性 是十分必要的。1.143 計算機輔助

22、設計等離子體反應器的幾何尺寸和電磁場位形設計直接影響著器件 晶片表面的化學性質，若能建立一套計算機輔助設計（CAD）技術，就不需要費時耗錢的試探方法來發(fā)展設備，但對此我們還缺乏足夠 的基礎知識。倘若現(xiàn)在能夠建立一個依據(jù)必要的診斷數(shù)據(jù)和先進數(shù) 值方法的完整程序，到21世紀初我們就有可能有這些 CA技術。這 些CA技術有助于在微電子器件制造中的刻蝕、沉積、清洗和合成 新型薄膜時利用非平衡等離子體特性。1.144 新的等離子體源隨著集成電路特征尺寸不斷減少，就會很快接近常規(guī)射頻平行 平板系統(tǒng)的極限。由于器件線寬越來越小，且膜層越來越薄，器件 對高能離子的轟擊，紫外輻射和顆粒污染引起的操作就更加敏感和

23、 只能容許更少的損傷。除了三極反應器外，常規(guī)的等離子體反應器 不能把等離子體的產生與帶電粒子的輸運分離開來，并且不易獨立 地調節(jié)離子能量和在不影響速率、選擇性、均勻性和各向異性的情 況下使損傷降到最小。因此人們對高密度、低氣壓，有磁場的等離 子體源有著相當大的興趣。在這種等離子體源中，等離子體的產生 是完全或部分地與加工區(qū)域分開來。獨立的控制離子能量和等離子 體密度使得有一個較寬的工藝優(yōu)化范圍，能夠減少顆粒污染，并使 離子、電子和光子引起的損傷降至最小。在應用于單一晶片加工 時，需要有磁約束和共振模式來激發(fā)產生高密度的等離子體和反應 粒子，磁場也會改變離子轟擊能量，可用作優(yōu)化工藝的另一個控制

24、參數(shù)。但是，磁場的應用將使建立模型、設計和等離子體工藝的控 制遇到更多的問題。低氣壓高密度等離子體的產生與特點在國際上以螺旋波激勵等離子體為代表的高密度等離子體源已 經成為引人注目的令人激動的研究領域了，它們的主要優(yōu)點是：a）高密度、高效率、均勻、平穩(wěn)；b）低的中性粒子能量；與ECR相比磁場很低；c）無內電極；電子和離子能量可控；d）可遙控、好操作；基片直流自偏壓。大氣壓非平衡態(tài)等離子體的產生與特點近幾年來隨著非平衡態(tài)化學的發(fā)展，產生一種嶄新的大氣壓下 非平衡態(tài)等離子體源技術，其中以大氣壓輝光放電和介質阻擋放電 等離子體為代表，它能非常有效地形成大量自由基分子、準分子， 在環(huán)境除污、納米級薄膜

25、的形成、離分子材料表面改性、大面積紫 外輻射源、大屏幕彩電顯示器等領域有廣闊的應用前景，常用的低 氣壓非平衡等離子體技術需要龐大而復雜的真空系統(tǒng)和相應設備， 使材料的加工處理只能分批量進行，而采用大氣壓非平衡態(tài)等離子 體技術，可達到節(jié)約技術，節(jié)約設備費用，提高生產速度和進行連 續(xù)生產的效果。目前產生大氣壓非平衡態(tài)等離子體的機理尚不清 楚，在高氣壓下等離子體的輸性特性研究也剛剛起步，但是正在形 成新的研究熱點。用于飛行器減阻和隱身的等離子體產生和特點電磁波（包括微波和激光）與等離子體之間的相互作用，特別 是電磁波穿過等離子體及其邊界激波層的反射、折射與吸收問題是 飛行器控制、探測及隱身的重要課題

26、 1。由于對等離子體隱身技 術的普遍重視，在最近十年里這方面的研究工作有很大發(fā)展。俄羅 斯克爾德什研究中心最近宣布其已研制出第三代等離子體隱身系 統(tǒng)。而美國在這方面的研究也不甘人后。從90年代以來，不斷有相關的研究報告和論文發(fā)表 2-6。我國在這個領域里的研究也從 去年開始起步。飛行器表面等離子體的產生可以分為兩種方式：通過端部等離 子體發(fā)生器產生等離子體7，8、通過端部強激光束電離外界氣體 產生等離子體、超音速飛行器高速運動時的表面高溫產生等離子體。后一種方式幾乎不可能實現(xiàn)參數(shù)控制，所以一般表現(xiàn)為不利因 素。而前兩種方式產生的等離子體參數(shù)可以人為調節(jié)、控制。所產 生的等離子體通過飛行器高速運

27、動而迅速覆蓋飛行器表面。一方面 可以破壞表面湍流而形成層流結構（即所謂等離子體減阻7，8），另一方面在飛行器表面所形成的等離子體分布也提供了飛行 器等離子體隱身的條件2-6。所以等離子體減阻與等離子體隱身 是相互聯(lián)系、相互影響的。而且由于表面等離子體層的存在、特別 是超音速飛行條件下等離子體外緣形成的激波面對飛行器的通訊聯(lián) 絡、飛行控制、隱身技術都會有很大的影響。1.2低溫熱等離子體的進展低溫熱等離子體具有很多特點，如高溫（300020000K）,氣 氛可控制為氧化氣氛、還原氣氛、中性氣氛，功率可高達10MW以上，甚至高達60MW,電弧的行為可以用磁場控制。因此，低溫熱等 離子體在工業(yè)和技術領

28、域具有廣闊的應用遠景。近幾年來，等離子 體科學技術得到迅速的發(fā)展。1.2.1應用領域的最新進展傳統(tǒng)的等離子體應用領域主要為：等離子體技術在機械加工領域中的應用（如切割、焊接、噴涂、致密化等）；等離子體技術在冶金工業(yè)中的應用（重熔、制備鐵合金、提高高 爐風溫、連鑄中間包加熱等）；等離子體合成（制備氮化物、氧化物、碳化物及純金屬超細粉）；其他領域（如電弧加熱風洞、磁流體發(fā)電、電弧開關等）。近年來，在傳統(tǒng)的應用領域，等離子體技術趨向成熟，并有所 發(fā)展，與此同時又擴展了許多新的應用領域。應用領域的新進展為：等離子體處理三廢發(fā)展迅速近年來，美國、法國、瑞典、加拿大、日本等發(fā)達國家紛紛進 行廢液、廢氣、廢

29、渣、有毒廢物及醫(yī)院廢棄物的等離子體處理研 究。目前已經建成了日處理金屬氧化物廢物50噸的試驗工廠。造紙10低溫等離子體物理篇廠廢水的等離子體處理實驗室研究已經基本完成。1995年在美國亞特蘭大召開了第一屆國際等離子體廢物處理會議。H 2等離子體制備金剛石薄膜取得了較大的技術突破。在優(yōu)化了工藝參數(shù)后，已經制備出直徑 8英寸、厚度2m啲金剛 石片。等離子體冶金工藝，已經在一部分工廠投入應用國外已經有多家鋼廠在連鑄中間包上安裝了等離子體加熱系 統(tǒng)，而美國、英國的一些公司已經生產等離子體加熱系統(tǒng)出售。等離子體化工領域的研究非常活躍在等離子體條件下用煤制乙炔、電石、煤氣、裂解重烴、制炭 黑的研究已經展開

30、，并已取得部分成果。1.2.2研究領域的新進展1.2.2.1 等離子體發(fā)生器等離子體技術的進展，主要取決于等離子體發(fā)生器的水平，工 業(yè)化裝置要求等離子體發(fā)生器具有大功率、長壽命、高效率、能在 各種氣氛下工作的特點。Ar、n2為保護性氣體，因而Ar、n2等離子體發(fā)生器的技術難度較小，已經基本解決。而在含氧氣氛（空 氣、氧氣、工業(yè)普氮-含有少量的空氣）中工作的空心電極發(fā)生器 技術難度較大。近年來適用于含氧氣氛的空心電極等離子體發(fā)生器 的研究，在應用基礎理論、實驗研究數(shù)值模擬、診斷等領域都有所 發(fā)展。數(shù)值模擬了等離子體發(fā)生器弧室中溫度場、速度場、電弧弧根的 位置、弧旋轉速度與各種流動參數(shù)，幾何參數(shù)的

31、關系。為發(fā)生器 的設計提供了參考。用光導纖維測量了空心電極等離子體發(fā)生器弧室內電弧弧根的位 置。用光電系統(tǒng)和計算機圖象分析技術，測量了空心電極等離子 體發(fā)生器弧室中電弧旋轉速度，為理論研究與數(shù)值模擬提供了檢 驗標準。實驗研究了空心電極等離子體發(fā)生器，并優(yōu)化了發(fā)生器的流動參 數(shù)、幾何參數(shù)、運行參數(shù)。在應用基礎研究的支持下，適用于含 氧氣氛的空心電極等離子體發(fā)生器，在技術上有較大的進展?，F(xiàn) 在在國際市場上已經有大功率空氣等離子體發(fā)生器出售。1.222等離子體發(fā)生器數(shù)值模擬等離子體工藝在反應器中進行，為了使反應器裝置能正常運 行，并且具有較高的能量利用率，必須對反應器的基本過程進行研 究。近年來，反

32、應器的數(shù)值模擬有所發(fā)展，數(shù)值模擬了反應器裝置 中的溫度場、速度場、等離子體與氣態(tài)反應劑的湍流摻混、反應器 中固體顆粒的傳熱與運動阻力，為反應器的設計提供了設計依據(jù)。1.3低溫等離子體展望1.3.1低溫冷等離子體展望電子工業(yè)是民國經濟的一個極其重要的組成部分，也是其國防 一個主要部分。等離子體加工是這個工業(yè)的關鍵，在集成電路生產 中，等離子體刻蝕是細微圖案高保真轉移的唯一經濟可行的辦法。 同時，等離子體廣泛應用于在足夠低的溫度下沉積絕緣膜和導電 膜，以避免損害器件的性能。等離子體亦用來清洗和改善器件表 面。由于微電子器件尺寸在未來十年內將不斷縮小，因此將會更頻 繁地應用等離子體加工。同時對等離子

33、體加工也提出了更高的要 求。未來新一代集成電路的生產將要求刻蝕在各向異性、選擇性和 均勻性方面有顯著的改時，改善平坦化和沉積時的保形性，用新的 材料以滿足器件性能和可靠性要求，降低加工的損傷和污染等，為 了迎接這些挑戰(zhàn)，需要有新的工藝和新的反應器。目前等離子體工藝是用直覺判斷，經驗和統(tǒng)計優(yōu)化三者結合起 來發(fā)展的。對于等離子體工藝，由于基礎知識方面還有空白，尚不 存在數(shù)值模擬代碼或專家系統(tǒng)等設計方法?，F(xiàn)在對等離子體加工提 出了前所未有的要求，不大可能用傳統(tǒng)的發(fā)展工藝的方法來不斷滿 足我們的需求。必須把工藝變量和晶片屬性聯(lián)系起來，變更現(xiàn)有工 藝和設計新的工藝。等離子體反應器設計與等離子體加工直接相

34、關，但我們又缺少 計算機輔助設計方法來設計新的等離子體反應器。我們也沒有能力 把從一種等離子體反應器的工藝變換成另一種等離子體反應器的工 藝，或把一個小的等離子體反應器的工藝擴大成一個大的等離子體 反應器的工藝。在我們理解幾何形狀和電磁設計是如何影響材料性 能之前，對于某一給定的工藝來說，如何來選擇反應器，這還是不 清楚的，缺乏物理基礎知識來建立計算機輔助設計方法，能夠提供 必要指導的僅僅是根據(jù)費用昂貴的經驗的和反復的探索性試驗。當特定設計、特定制作的芯片(特定用途集成電路，ASIC)擁有 更大的市場份額時，未來的微電子市場將不依懶存貯器芯片占主要 地位。但低價格的特定制作意味著 ASIC生產

35、廠商不可能承擔對每份 新訂單的新工藝和新加工設備所需的大規(guī)模投資。未來ASIC市場將屬于柔性生產廠商，它使用一套通用的工藝設備來生產許多種不同 電路設計的集成電路。這種柔性加工只能產生于對工藝和反應器的 真實理解。132低溫熱等離子體展望根據(jù)熱等離子體科學發(fā)展的歷史及其自身發(fā)展規(guī)律，根據(jù)社會 需要、技術可達性與投資的可能性，可以對未來熱等離子體科學與 技術的發(fā)展進行預測和展望。等離子體化工將會有快速發(fā)展，其中氫等離子體條件下煤制乙炔將 會有所突破。等離子體煤氣化會有較大發(fā)展。為了社會的可持續(xù)發(fā)展，環(huán)境保護是人類面臨的最大問題。而等 離子體發(fā)生器技術的突破又為“廢棄物的等離子體處理”創(chuàng)造了 條件

36、，因而廢棄物的等離子體處理將會得到較大的發(fā)展，并且在 某些領域將會投入工業(yè)應用，形成產業(yè)。如有害廢棄物處理、金 屬氧化物廢棄物處理、廢液處理等。氫等離子體制備金剛石薄膜將會快速發(fā)展，在相應的基礎研究及 工藝參數(shù)優(yōu)化后，將會投入小規(guī)模生產。等離子體發(fā)生器中的基本過程應用基礎研究將更加深入，與此同 時，等離子體反應器的基礎研究將會獲得進展。由于等離子體發(fā)生器及等離子體反應器已經達到較高水平，因而 等離子體冶金將在某些領域實現(xiàn)產業(yè)化。等離子體合成將會發(fā) 展，某些品種超細粉末將會投入生產，并形成一定規(guī)模。其他的等離子體工業(yè)應用將會繼續(xù)前進，也可能出現(xiàn)一些令人感 興趣的新領域。參考文獻：1 參見： V.

37、 L. Ginzberg,The propagation of electromagnetic waves in plasma ” (Pergammon Press, New York, 1970).2 R.J. Vidmar, Plasma cloaki ng:Air chemistry,broadband absorptionand plasmageneration ”， FinalReport, Air Force Office of Scie ntific Research Con tractNo. F49620-K-0013 (SRI International, 1990).3 R

38、. 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,Experimentalstudies of highpower microwave reflecti on, tran smissi on, and absorpti on from a

39、plasma-covered pla ne boun dary ”，J. Appl. Phys. 69, 6313 (1991)5 D. J. Gregdire, J. Santoru, and R. W. Schumacher, Electromag netic wave propagatio n in unmagn etizedplasmas,Final Report, Air Force Office of ScientificResearch # AD-A250710, 19926 M. Laroussi and J. R. Roth,Numerical calculati on of

40、the reflecti on,absorpti on,and tran smissi onofmicrowaves by a non-uniform plasma slab ”， IEEE Trans. Plasma Sci. 21, A-89 (1993)7 戈爾杰耶夫等，“利用等離子體技術降低超聲速飛行器氣動 阻力的可能性實驗研究”。(內部報告)8 加尼涅夫 等，“利用等離子體噴流減小氣動阻力可能性的理 論與試驗研究”。(內部報告) 第二章 我國低溫等離子體研究的發(fā)展狀況2.1. 我國低溫冷等離子體發(fā)展狀況至今我們國家沒有低溫等離子體物理與技術的發(fā)展規(guī)劃，更沒 有在大學或研究單位布點進行

41、重點支持，使這一領域與國際上相比 顯得十分冷清。研究工作規(guī)模小，只有有限幾個研究組規(guī)模的單位 在認真地從事低溫等離子體方面物理的工作，大學中只有大連理工 大學和中國科大在近代物理系設有等離子體專門化，每年培養(yǎng)幾十 名等離子體方面的本科性，而幾乎所有的理工科大學生都不知道這 個占宇宙物質存在形式達百分之九十九的等離子體為何物。一些從事真空技術、材料科學和環(huán)保、能源方面的科技人員，在自己工作 中往往只把等離子體當做一種手段，而不注重研究它們的性質去提 高工作質量，因此造成低水平的重復，這樣就使我國低溫等離子物 理與技術水平與國際上的差距逐漸加大。例如：自本世紀50年代中期開始幾乎與日本同時，我國即

42、對半導體工業(yè)、繼而對微電子行 業(yè)進行開發(fā)和投資，但初期由于力度不夠，又沒有注意先進技術的 引進，進展不快?！傲濉逼陂g國家開始給予較大重視，迄今已投 入很多資金進行技術引進，然而收效并不顯著，與先進國家差距仍 在加大。究其原因主要是因為我國雖然注意了技術的引進，投資也 很大，但對基礎研究重視不夠。從事微電子研究的人員只把主要精 力放在微電子工業(yè)本身如材料和加工工藝，而對作為微電子加工主 要手段的低溫等離子體技術則不太重視，對等離子體加工的機理則 更少研究。另一方面從事微電子低溫等離子體研究的人員又得不到 足夠的重視和支持，無從進行較為全面深入的等離子體加工機理的 研究，難以發(fā)揮作用。長期以來這

43、種狀況使得我國等離子體微加工 技術缺少自我發(fā)展的能力，實驗室水平一直處于較為落后的地位。 但盡管這樣，我國的低溫等離子體物理與技術的研究工作還是在近 幾年內取得不少成績，在某些方面達到或接近世界先進水平。例 如，在低溫等離子體物理基礎研究方面利用穩(wěn)態(tài)和ECF等出子體放電裝置在國際上首次觀察到了等離子體中的三周期振蕩、準周期振 蕩、臨界引起的陣發(fā)振蕩，并首次計算出它的關聯(lián)維數(shù)。在 phys .R ev.lett 上發(fā)表多篇研究論文，在研究等離子體與表面相互 作用和鞘層理論方面，有三十多篇論文被SCI收錄，并受到國際上權威專家的高度評價。在等離子體制備新材料方面，我國利用等離 子體化學氣相沉積制備

44、的B -C3N4膜、DB濮、GN等膜的某些晶相純、晶質特性以及ECF微波等離子體源離子滲氮的效果等方面都已 處于世界先進水平。中科院合肥等離子體所1994年研制了微波ECR-RIE型刻蝕樣機，通過了電子工業(yè)部主持的監(jiān)定，獲中科院科技進 步二等獎。利用PECV已合成厚度大于0.5毫米的金剛石厚膜，經加工后制 成了大小103 103 0.36mm和熱導率為10W/kcrrtS勺金剛石電子基板， 已達到了實用要求。在國際上首次研制成功高能量密度的等離子體 化學沉積系統(tǒng)和EC等離子體源離子增強的物理化學沉積系統(tǒng)。22我國低溫熱等離子體發(fā)展狀況發(fā)展過程60年代 起步，建立了為航天服務的電弧加熱風洞。70

45、年代 除了個別單位進行少量研究外，基本上處于停滯階段。80年代 國內有20多家研究單位及大學組織人力、物力投入等離子 體科學與技術的研究，當時的研究重點是制備新材料。與 此同時等離子體噴涂與空氣等離子體切割工藝得到了推 廣，現(xiàn)在國內已經有多家工廠生產專用的等離子體噴涂設 備和等離子體切割設備。90年代 開辟了新的研究領域，其中有：等離子體冶金、造紙廠廢 水等離子體處理、煙氣脫硫研究、氫等離子體制備金剛石 薄膜、等離子體制乙炔等。與此同時進行了相應的等離子 體發(fā)生器及等離子體反應器中基本過程應用基礎研究，取 得了較好的結果?，F(xiàn)狀2國內已有20多所研究院所及高校進行了研究，已經有一支研究隊 伍。2

46、凡是國外進行的主要研究領域，國內都有人在進行研究。2在造紙廠廢水處理、氫等離子體制備金剛石薄膜、大功率等離子 體發(fā)生器（實心電極型和空心電極型）等領域取得了較好成果。2發(fā)生器及反應器基本過程研究及數(shù)值模擬取得了一定的進展。2從事等離子體研究的院所及高等學校都建立了等離子體裝置，主 要是直流系統(tǒng)。2由于投資不足，因而基礎研究較少，診斷技術研究幾乎空白。2研究人員老化，年輕的研究生大部分出國，后繼乏人。第三章關于我國低溫等離子體研究發(fā)展的對策3.1. 低溫冷等離子體領域在低溫等離子體方面，應重點開展微電子工業(yè)的等離子體物理研 究，為深亞微米和納米的等離子體刻蝕以及新的微電子、光電子 薄膜制備工藝奠

47、定可靠的科學基礎，以微電子工業(yè)的低溫等離子 體物理與工藝研究為龍頭，有針對性的系統(tǒng)的開展低溫等離子體 物理基礎和應用基礎研究工作，并在總結國外研究工作和自己研 究成果的基礎上，爭取在35年的時間形成較完整系統(tǒng)的理論與 工藝體系。為此，我們認為在技術引進的同時，必須努力培養(yǎng)出 一批自己的微電子低溫等離子體研究專家，象技術先進的國家一 樣能在自己的實驗室里不斷拿出世界一流的研究成果，能自行設 計、改進等等離子體裝置、改進等離子體加工工藝和方法。只有 這樣我國才能逐步化被動為主動，做到自我裝備，不斷自我更新 和自我發(fā)展，象日本六七十年代一樣以較快速度趕上世界一流水 平。為扭轉我國微電子工業(yè)長期落后狀

48、態(tài)，我們建議國家應當在等離子體微加工機理的研究方面進行較大的投入，在全國建立1-2個具有世界水平的低溫等離子體研究中心，并制定國家級的等離子體 微電子加工的計劃，米取有效措施，鼓勵和支持等離子體、微電子 和材料等方面的專家進行合作來完成這項國家計劃。第四章 某些關鍵科學問題 4.1先進等離子體源的研制 建立高密度等離子體源（ECR.ICP）特征參數(shù)控制和理論模型。高密度等離子體源仍有許多需要解決的問題，我們擬解決的主 要是大面積加工的非均勻性和不穩(wěn)定性問題。等離子體均勻性是和 功率沉積的均勻性密切相關的，因此必須在考慮等離子體輸運情況 下波與等離子體耦合的自洽理論，確定出電子、離子密度分布與波

49、 的功率沉積之間的關系，與等離子體源幾何形狀、電磁場位形之間 接關系，尋求電子、離子密度和溫度分布函數(shù)的控制方法，實現(xiàn)對 等離子體精加工工藝的優(yōu)化和控制；研究ECF等離子體、ICP等離子體中的湍流、多穩(wěn)態(tài)以及在其附近產生的自振蕩和不穩(wěn)定性。給出 穩(wěn)定性判據(jù)，實現(xiàn)對發(fā)生這類不穩(wěn)定性的預測和反饋控制。 建立界面區(qū)域等離子體刻蝕和沉積的物理化學動力學模型。實際上，構成界面區(qū)物理和化學反應及直接影響精加工質量的 是等離子體鞘層的特性和參數(shù)，如電子密度、離子密度、電子溫 度、離子溫度，特別是離子轟擊表面的定向能量和通量，中間產物 種類及密度分布，紫外光強度以及鞘層內電磁場特性等，以這些參 數(shù)為依據(jù)所建立

50、的定標關系才是正確的，為此我們必須研究在界面 區(qū)域（或鞘層區(qū)）粒子和能量的非平衡輸運理論，重點考察離子在鞘 層里的能量分布、動量分布以及塵埃粒子對鞘層結構與輸運過程的 影響，并尋求對離子能量、動量分布的控制方法，研究離子能量分 布、動量角分布和中性成份的時空分布對刻蝕速率、形狀和薄膜微 組織結構以及物性的關系，利用計算機計算技術跟蹤原子的沉積過 程及原子的聚集成膜過程，研究薄膜的生長速率、晶體結構、薄膜 原子在界面與基體原子的混合程度等同等離子體鞘層參數(shù)及其非平 衡輸運特性之間關系，基于以上于理論、實驗和計算機模擬的結 果，給出等離子體精加工制備高品位微電子薄膜的定標關系以及指 導和改進等離子

51、體反應器的設計。4.2進行精加工理論的實驗驗證和高質量精加工的示范研究精密的實驗設計和準確的實數(shù)據(jù)是建立物理、數(shù)值模型和定標 關系的基礎，因此必須改進和完善專用的研究裝置和測量系統(tǒng)，以 低氣壓高密度等離子體源（ECR.ICP）做為用于薄膜沉積和刻蝕。研 制測量系統(tǒng)和實驗方法，重點用于監(jiān)測等離子體與工件表面作用區(qū) 內的等離子體參數(shù)，包括：在加工表面的鞘層里粒子分布，時空分 布，能量及電位分布，穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)放電參數(shù)，電子和離子密度剖 面、溫度剖面、電磁場的空間位形，中性粒子成分與分布。在精加 工的示范研究方面，將實現(xiàn)深亞微米、大面積均勻、高刻蝕率、選 擇性好、低損傷的刻蝕加工；發(fā)展先進的制膜工藝、將