等離子體物理的一些研究前沿和進展課件

放電等離子體基礎(chǔ)：原理、應(yīng)用和進展WangHongyu等離子體物理的一些研究前沿和進展WhatisPlasma?對任何物質(zhì)輸入足夠的能量，例如加熱，它會氣化，然后分子原子發(fā)生電離，最后形成一些正負離子和電子以一定比例混合的帶電氣體，這稱為plasma薩哈方程所以本質(zhì)上，熱電離溫標由U/k決定，U是電離能，一般來說這個值在一個電子伏也就是一萬度的水平。一般電子溫度到幾千度物質(zhì)就已經(jīng)電離，到一萬度完全電離除了靠加熱，更常見的是通過加速電子碰撞來激發(fā)等離子體等離子體物理的一些研究前沿和進展特性I：經(jīng)典力學(xué)和電動力學(xué)等離子體中的電子-離子行為是經(jīng)典的，即通常不考慮量子效應(yīng)，一般相對論效應(yīng)影響也很少（但是存在）。由于電子在等離子體中不斷地被碰撞，在很短時間內(nèi)就會退相干成為小尺寸波包，其量級大約是德布羅意波長，也就是納米到0.1A量級；而等離子體之間粒子距離遠遠大于這個數(shù)字，因此電子的干涉和衍射效應(yīng)可以忽略另一種可能的量子效應(yīng)是量子場論效應(yīng)，即電子-正電子的產(chǎn)生湮滅。但在等離子體中達到這個能量非常困難，事實上目前我們在實驗室中還完全做不到。原因主要是當電子能量突破KeV后，電子會和原子核碰撞放出X射線。X射線直接穿透等離子體區(qū)域并且逃逸，于是能量快速流失。溫度越高，輻射損失越大，以目前地球上的技術(shù)，讓等離子體電子溫度突破100Kev幾乎不可能。等離子體物理的一些研究前沿和進展特性2：準電中性，德拜屏蔽和Langmuir振蕩在宏觀尺寸看來，除了等離子體與其他物質(zhì)的接界面(鞘區(qū)），等離子體基本是電中性的。德拜屏蔽在等離子體中,在點電荷附近,電場接近真空庫侖場在離點電荷較遠處,電場迅速衰減,只剩下總電場當分辨率低于德拜長度的時候,等離子體看上去就是均勻帶電流體當分辨率高于德拜長度的時候,等離子體看起來是一堆粒子Langmiur振蕩稍微拉開電子和離子之后，等離子體會做固定頻率的振蕩：等離子體物理的一些研究前沿和進展特征3：高度熱不平衡性大部分情況下，等離子體能量由電子傳遞給離子只能通過碰撞，因此傳遞速度非常慢，因此電子和離子溫度常常是差距很大的：高溫等離子體Te~Tn~104K低溫等離子體Tn<<Te~104K此外，電子的分布函數(shù)也是通過碰撞來轉(zhuǎn)換到Maxwell分布。而電子碰撞截面的特點是，能量越高碰撞截面越小，因此能量較高的電子傳遞能量速度反而慢，結(jié)果通常等離子體中電子會強烈偏離熱平衡。此外，還可能存在長拖尾分布，即除了基本等離子體之外存在另外一些高速的電子束。等離子體物理的一些研究前沿和進展特征4：極高的化學(xué)活性等離子體中存在的基本是裸離子和電子，以及被電子碰撞激發(fā)的原子分子。由于碰撞過程可以打斷化學(xué)鍵，因此我們會看到大量獨立原子，它們具有極強的化學(xué)活性，尤其類似F之類的原子幾乎可以腐蝕所有物質(zhì)。此外，即使元素化學(xué)上是惰性的，它們也具有物理侵蝕能力，即離子擊中固體表面，把固體表面的原子直接敲出來，或者活化固體的化學(xué)鍵，催化各種化學(xué)反應(yīng)。等離子體物理的一些研究前沿和進展等離子體科學(xué)與技術(shù)：物理，化學(xué)，電氣工程和電子工程等離子體是一門橫斷學(xué)科，它由幾個較大的分支構(gòu)成，這些分支分屬不同的學(xué)科，因此現(xiàn)在很多人建議把等離子體從物理學(xué)和電氣工程中分離出來，獨立列為一門學(xué)科：1.空間等離子體，宇宙中99%的物質(zhì)都是等離子體，對這些物質(zhì)的研究屬于物理學(xué)。2.聚變等離子體—物理學(xué)和能源技術(shù)3.等離子體源和材料處理----化學(xué)和材料科學(xué)，電子工程4.高壓擊穿和脈沖（包含雷電等內(nèi)容）---電氣工程等離子體物理的一些研究前沿和進展等離子體表面處理：微電子平面工藝等離子體表面處理，現(xiàn)實中最常見和關(guān)鍵的任務(wù)是微電子技術(shù)工藝，尤其是超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)?，F(xiàn)代集成電路基本使用平面工藝，也就是在硅或者類似的襯底上，一層一層地疊放各種材料構(gòu)成電路。等離子體技術(shù)用于挖出電路需要的槽洞，以及實際覆蓋部分材料。等離子體物理的一些研究前沿和進展etching刻蝕技術(shù)是集成電路制造的核心工藝之一，它的任務(wù)是把光刻得到的電路圖樣實際刻畫到硅片上，并且把圖樣的線條變成挖入硅片內(nèi)部的凹槽。這一步工藝目前100%依賴于等離子體技術(shù)，沒有其他任何現(xiàn)階段的技術(shù)可以替代?？涛g過程的核心難度在于，為了提高集成度，現(xiàn)代集成電路的線寬越來越窄；同時為了控制電阻，線的橫截面積必須保持；而導(dǎo)線是在凹槽內(nèi)沉積金屬物質(zhì)得到的；所以凹槽的形狀就會變成非常窄而深的形式，深寬比可以突破5:1甚至10:1襯底由硅，SiO2甚至未來可能是金剛石等物質(zhì)構(gòu)成，它們的化學(xué)性質(zhì)過于穩(wěn)定，基本只能用F之類的強活性物質(zhì)進行腐蝕處理。但是直接腐蝕方法無法定向：它們挖出來的槽總是必然橫向擴展。等離子體物理的一些研究前沿和進展鞘和定向刻蝕把固體物質(zhì)浸沒在等離子體中，假如物質(zhì)是導(dǎo)電的，或者有辦法導(dǎo)出物質(zhì)內(nèi)的電荷，等離子體中的電子和離子會快速落到固體表面，但是電子運動快離子運動慢，所以過一段時間后，在接界面處會出現(xiàn)電子基本全部耗盡而只剩下離子的區(qū)域，稱為鞘層。鞘層中存在一個指向固體表面的電場，電壓依賴于等離子體參數(shù)和外加電路，一般可以達到幾百伏特。于是電子被電場束縛，而正離子進入鞘層后會被加速達到較高能量并且擊中固體表面。我們在等離子體區(qū)放入一定的CF4氣體，CF4和電子碰撞，有可能解離產(chǎn)生CF3和F原子。離子把能量傳遞給Si固體，活化固體表面，于是這個表面會和碰到的F原子反應(yīng)，形成SiF4氣體并且被吹走。由于離子是被電場推動的，飛行方向基本垂直于固體表面，所以基本上只有垂直方向的固體表面才會被活化，于是這一片固體的反應(yīng)速度遠遠高于其他區(qū)域，形成了定向刻蝕。等離子體物理的一些研究前沿和進展PECVD下一個需要等離子體技術(shù)的工藝是沉積，就是在固體表面生長出薄膜。這個技術(shù)大家一般知道是把固體放在沉積工作氣體中，然后氣體在固體表面分解沉積上元素薄膜，稱為氣相化學(xué)沉積。那么問題是什么呢？首先，直接氣相沉積和腐蝕過程有類似的問題，就是定向性不好，想要均勻的地方不均勻，不想均勻的地方又常常有多余的覆蓋。此外，電路中用的常是些化學(xué)活性不高的物質(zhì)，于是其沉積很慢。在現(xiàn)代微電子工業(yè)中，我們需要在成平方米的表面上進行處理，而且要求盡快，因為越快成本越低！解決方法是，將工作氣體和等離子體混合，利用等離子體活化工作氣體，比如本來是SiH4，被電子碰撞之后變成了SiH3自由基甚至SiH，這個的表面沉積速度就非常高了。等離子體物理的一些研究前沿和進展PlasmaSource：DischargeCavity所以我們需要的是一個能夠不斷產(chǎn)生等離子體的源設(shè)備，對于微電子工業(yè)，這個源一般是一個空腔，等離子體在腔內(nèi)形成。為了節(jié)省能量和提高壽命，我們絕對不能用加熱的方法產(chǎn)生等離子體！所以，常規(guī)的方法是，用電磁場驅(qū)動電子，電子碰撞中性氣體導(dǎo)致電離，然后形成等離子體。電磁場由一個腔室引入，即放電腔。在微電子工藝的情況下，我們需要的是氣壓很低的工作氣體，所以一般是用一個真空室來做這件事情等離子體物理的一些研究前沿和進展典型的低氣壓等離子體源感性耦合電容耦合微波共振等離子體物理的一些研究前沿和進展Whatistheproblem?理論：我們需要非常均勻的等離子體產(chǎn)生。在典型的微電子生產(chǎn)中，腔室的直徑超過48cm，硅片直徑突破15寸，于是你需要保證在這個范圍內(nèi)等離子體密度基本均勻，這是非常困難的。由于非線性效應(yīng)，我們沒有好的理論來預(yù)測等離子體的形成。我們只能通過數(shù)值模擬來完成這個工作。然而，由于工作氣壓太低，等離子體甚至背景氣體的行為都是粒子性的，只能使用PIC/DSMC完成，這帶來了接近荒謬的計算量。實驗我們想知道等離子體的具體密度分布和氣體中各種活性基團的分布。我們也想知道等離子體的能量分布函數(shù)，鞘層結(jié)構(gòu)等等。常規(guī)的做法是用探針插入到等離子體中收集電流，這個方法因為是機械式的，工作難度很大。我們也可以用光譜法測量，但是光譜只能給出相對數(shù)值，并且光學(xué)設(shè)備價格更加昂貴我們需要做許多次實驗才能優(yōu)化設(shè)計！等離子體物理的一些研究前沿和進展真正的問題是什么？等離子體技術(shù)的根本特性是高投入，高能耗，高風險，高污染，高利潤。所以到目前為止，只有具有極高附加值的產(chǎn)品制造才真正需要等離子體技術(shù)。盡管等離子體技術(shù)能做到很多其他技術(shù)完全做不到的事情，但是過高的能耗和無處不在的污染使得其實用化非常困難。此外，大部分情況下，即使簡單的研究和實驗，等離子體技術(shù)也需要大量投資。最典型的例子是ITER，作為一個實驗驗證計劃，大約投資50億歐元。這樣，即使對于研究，我們也需要謹慎地選擇實驗驗證路線。然而同樣令人頭痛的是，放電過程的基本物理雖然簡單，但實際過程卻遠遠比所有所謂“復(fù)雜系統(tǒng)”要復(fù)雜得多得多。相比放電過程的復(fù)雜性，一切“非線性科學(xué)”理論都是小兒科。在今天我們只能用實驗、理論和數(shù)值模擬的方法來研究，并且后兩者還非常不成熟。等離子體物理的一些研究前沿和進展數(shù)值模擬….因為工業(yè)的壓力，放電腔等離子體的數(shù)值模擬一直是個大問題，但進展并不太令人滿意。其中最重要的是粒子云網(wǎng)格模擬技術(shù)：ParticleInCell但放電模擬涉及到太多的工藝和技術(shù)，很多人在做出一點工作后就離開了研究領(lǐng)域。模擬的巨大計算量要求使用超級計算機，這也使得問題極度復(fù)雜化OOPIC,VORPAL,…..對放電腔室模擬最主要的貢獻來自Birdsall,Landon,Nanbu,Vahedi,Voebouncer，J.K.Lee以及。。。我們在2010年前后解決了大尺寸圓柱型CCP腔室的模擬問題。目標是2-3年內(nèi)解決ICP腔室模擬的問題。

等離子體物理的一些研究前沿和進展數(shù)值模擬….等離子體物理的一些研究前沿和進展等離子體發(fā)動機等離子體是帶電氣體，因此我們可以用電磁場將它從腔內(nèi)噴出，于是腔體就受到反作用力，這稱為等離子體推進。目前常用的等離子體推進器包括利用磁力推進的HallThruster和直接利用電力的ionThruster。目前還在試驗直接利用等離子體內(nèi)能噴射的VASMIRPlasmathruster。

等離子體物理的一些研究前沿和進展轉(zhuǎn)向其他應(yīng)用：大氣壓放電微電子工藝中等離子體可以完成很多別的方法無法解決的任務(wù)，但是對應(yīng)地，其成本也是相當高的。復(fù)雜的真空設(shè)備，氣壓在0.05Pa到1Pa復(fù)雜的高頻甚至微波電源用于沖洗剩余產(chǎn)物的復(fù)雜換氣系統(tǒng)這個工藝已經(jīng)被平移到太陽能電池制造中我們在其他方面也需要等離子體獨有的化學(xué)活性，或者在物質(zhì)表面導(dǎo)入各種元素的能力。但是我們必須控制成本！所以，近年來的熱點之一是大氣壓下的工頻或者低頻等離子體源但是，大氣壓放電是不穩(wěn)定的。因為放電區(qū)的動態(tài)阻抗是負的，所以放電會很快變成電弧，然后破壞。解決方法主要是介質(zhì)阻擋放電。

等離子體物理的一些研究前沿和進展介質(zhì)阻擋放電介質(zhì)阻擋放電就是在電極之間插入一層電介質(zhì)，用電介質(zhì)來控制電流的雪崩和負阻抗問題。實踐表明這方法可以在接近常壓的條件下工作，而且可以使用交流或者直流電源。等離子體物理的一些研究前沿和進展應(yīng)用：大氣壓等離子體源大氣壓下的等離子體源目前還處在試驗性應(yīng)用狀態(tài)。臭氧等化學(xué)活性氣體源或者負離子發(fā)生器等離子體表面去污飛行器減阻（?。┑入x子體物理的一些研究前沿和進展困難和優(yōu)點理論：大氣壓放電尤其DBD，一般來說并不是真正穩(wěn)定的放電，而是一系列小的瞬間流注放電構(gòu)成的，理解流注才能理論理解DBD。但流注過程現(xiàn)在還有一些沒有搞清楚的東西，此外，和前述一樣，這種問題必須進行數(shù)值模擬，而數(shù)值模擬需要巨大的計算量。(MuchlargerthanRoadRunner’sCapacity)實驗：大氣壓放電對探針具有破壞性，而且由于尺寸問題，微尺寸放電基本不可能插入探針。光譜儀也難以分辨小尺寸行為。當然，不需要真空系統(tǒng)和復(fù)雜電源，使得大氣壓放電實驗很容易做，只是不容易得到結(jié)果(laugh)等離子體物理的一些研究前沿和進展轉(zhuǎn)向深層：脈沖放電和擊穿過程現(xiàn)在我們回頭來看，擊穿到底是什么過程。1:首先由于某種物理機制，例如本底輻射或者場致電子發(fā)射，或者其他某些原因（熱電子蒸發(fā)，光電離）等等，在局部產(chǎn)生極少量的種子電子2：種子電子在電場作用下獲得能量。3：較高能量的電子通過某種機制激發(fā)出次生電子，使得總電子數(shù)增加。次生電子再從電場獲得能量，達到能量閾值后產(chǎn)生更多的次生電子（離子）4：隨著電子數(shù)的雪崩增加，在系統(tǒng)局部產(chǎn)生高密度的電荷區(qū)，等離子體自生電場達到和外場互相競爭的程度，電子由一開始的雪崩增長變成穩(wěn)定地向前運動（流注），并且不斷地分裂和破碎5：流注到達對應(yīng)極板之后，在極板之間形成一個導(dǎo)電通道，然后電流緩慢地上升，并由于歐姆效應(yīng)加熱通道，最后形成一個電弧1-3稱為雪崩段，4為流注段，5為電弧段

等離子體物理的一些研究前沿和進展脈沖放電在氣體內(nèi)部饋入脈沖電磁場，就可以擊穿氣體形成等離子體。前面說的大氣壓放電其實也是由無數(shù)脈沖放電構(gòu)成的。那么，我們的工作就是理解脈沖等離子體的形成。Wedon’