Plasma處理材料的實(shí)質(zhì)原理

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2023-04-17

低溫等離子體（low temperature plasma）物理廣泛應(yīng)用于微電子，微機(jī)械，為微光學(xué)系統(tǒng)等，微納制造高科技產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域和傳統(tǒng)工業(yè)改造等領(lǐng)域。特別是在半導(dǎo)體工業(yè)中，1/3的超大規(guī)模集成電路（LSI）工藝都需要等離子體細(xì)微加工。比如等離子體的清洗、刻蝕以及去膠等等。

plasma處理材料在等離子體科學(xué)領(lǐng)域是一個(gè)非常重要的研究課題，而且這個(gè)課題緊密聯(lián)系著等離子體物理、表面物理、等離子體化學(xué)、分子物理和原子物理等領(lǐng)域。plasma處理材料的過程主要是等離子體與材料表面之間復(fù)雜的相互作用，所以，可以通過改變等離子體和材料表面的狀態(tài)來控制等離子體的應(yīng)用。plasma獨(dú)特的表面改性效果會(huì)被不同種等離子體產(chǎn)生的不同特性的微粒所影響，比如，能量的不同、動(dòng)量的不同、化學(xué)活性的不同和運(yùn)輸特性的不同等等。由此可見，通過調(diào)節(jié)plasma的這些參數(shù)，就可以改變plasma處理材料的處理效果，但是，現(xiàn)在還不能找到等離子體參數(shù)與他們的處理效果的定性關(guān)系。在這樣一個(gè)事實(shí)勝于雄辯，依賴于實(shí)踐開創(chuàng)新領(lǐng)域的時(shí)代，科學(xué)領(lǐng)域需要依靠新型的實(shí)驗(yàn)和建模工具來取得重大進(jìn)展，所以等離子體處理材料的研究也不會(huì)只拘泥于嚴(yán)格的二維平面上，很可能在表面下發(fā)生很強(qiáng)的深度梯度效應(yīng)，而且還可能大量產(chǎn)生不同的空間尺度和時(shí)間尺度。等離子體處理材料的環(huán)境是非常復(fù)雜的，等離子體和材料接觸的表面包含了不同種類的粒子（電子、離子、原子和分子），粒子與材料表面的協(xié)同相互作用，其中最主要是高能離子的轟擊使一般熱平衡條件下不會(huì)發(fā)生的反應(yīng)得以發(fā)生，而且還有其他種類的等離子體基元在非熱平衡條件下的協(xié)同作用使得特殊材料的合成，改性及微細(xì)圖形的制備在相對(duì)低的溫度條件下得以進(jìn)行。plasma與材料表面間的相互作用和等離子體中原子分子等基元的物理性質(zhì)的關(guān)系如此錯(cuò)綜復(fù)雜是因?yàn)榈入x子體中粒子的能量、相對(duì)流量和化學(xué)成分決定了它們?cè)诒砻娴姆磻?yīng)活性，而表面反應(yīng)速率更傾向于依賴到達(dá)表面的基元的電子態(tài)和振動(dòng)態(tài)。plasma處理材料的過程中的不同種類的相互作用和固體物理、化學(xué)和表面科學(xué)等學(xué)科間有著緊密的聯(lián)系，而且其反應(yīng)既取決于與等離子體作用的物體表面的電子能帶結(jié)構(gòu)、表面和塊體的成分和結(jié)構(gòu)，也取決于吸附到表面的等離子體基元以及穿過復(fù)雜反應(yīng)層在表面上形成的激元的擴(kuò)散能力和反應(yīng)能力。

Plasma處理材料的實(shí)質(zhì)

plasma處理材料的主要粒子為中性粒子、離子和電子，發(fā)生的反應(yīng)主要有背反射、解吸、物理濺射、化學(xué)濺射、輻射增強(qiáng)升華、起泡、輻射損傷和再沉積等。

plasma處理材料原理示意圖

（1）背反射：粒子進(jìn)入材料表面和材料原子發(fā)生彈性和非彈性碰撞后，其中一部分粒子離開材料后回到等離子體區(qū)，這個(gè)過程叫背反射。

（2）解吸：材料表面會(huì)吸附一些粒子，當(dāng)壁溫度升高或者粒子轟擊到壁，吸附能較小的粒子就會(huì)離開材料表面，這個(gè)過程叫解吸附過程。

（3）物理濺射：帶電粒子以高速轟擊材料，其中部分能量通過碰撞傳給材料中的原子，當(dāng)原子的能量超過了結(jié)合能，就會(huì)從壁表面逃逸出并進(jìn)入等離子體區(qū)，這個(gè)過程叫物理濺射，而且與入射粒子能量、角度和材料特性有關(guān)。

（4）化學(xué)濺射：入射粒子和固體表面物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可揮發(fā)性的分子。與入射粒子能量、粒子流和材料溫度有關(guān)。

（5）輻射增強(qiáng)升華：高能粒子轟擊材料并產(chǎn)生間隙原子和空穴。當(dāng)溫度較低時(shí)，材料的間隙原子和空穴很快復(fù)合；當(dāng)溫度較高時(shí)，材料的間隙原子向材料表面運(yùn)動(dòng)并與周圍原子的結(jié)合，但結(jié)合能很低，可以熱解吸，這個(gè)過程叫輻射增強(qiáng)升華。

（6）起泡：當(dāng)具有一定能量的氣體離子進(jìn)入并在固體內(nèi)深度植入且逐漸累積，表面就會(huì)形成逐漸增大并最終破裂的氣泡，這個(gè)過程叫起泡，起泡會(huì)引發(fā)起層現(xiàn)象，會(huì)使金屬材料嚴(yán)重?fù)p傷，產(chǎn)生大量金屬雜質(zhì)，但同時(shí)可以改變金屬材料性質(zhì)和減小金屬的熱傳導(dǎo)性。

（7）輻射損傷：用高能中子長期照射壁材料使材料中的原子核發(fā)生位移，材料就會(huì)產(chǎn)生腫脹、硬化、脆化等變化，這個(gè)過程叫輻射損傷。

（8）再沉積：高能粒子轟擊壁對(duì)材料進(jìn)行侵蝕，使濺射出來的雜質(zhì)粒子在等離子體區(qū)電離，然后在電場和磁場作用下運(yùn)動(dòng)（雜質(zhì)的輸運(yùn)），一部分重新沉積到材料的其他位置，這個(gè)過程叫再沉積過程。

等離子體與固體表面的相互作用主要包括：物理作用、表面反應(yīng)、能量傳遞、薄膜沉積和等離子體誘導(dǎo)損傷。①物理作用：等離子體通過轟擊固體表面與表面發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)碰撞時(shí)，高能粒子將能量傳遞給固體的晶格原子，產(chǎn)生瞬間的晶格原子運(yùn)動(dòng)碰撞歧化反應(yīng)（10^-11~10^-12s）?？梢源龠M(jìn)在室溫條件下不能進(jìn)行或進(jìn)行的非常緩慢的化學(xué)反應(yīng)。②表面反應(yīng)：離子增強(qiáng)的化學(xué)過程是核能離子與表面碰撞的重要結(jié)果，離子通過動(dòng)量傳遞和増強(qiáng)擴(kuò)散促進(jìn)表面層原子混合。③能量傳遞：通過光輻射和中性粒子、離子的通量，能量可以從等離子體傳遞到固體表面。④薄膜沉積：負(fù)偏壓電極附近的離子碰撞可以影響材料的物理性質(zhì)。在處理過程，可以對(duì)提高薄膜的致密性和氧化性。⑤誘導(dǎo)損傷：在等離子體處理材料的過程中，低能離子轟擊基片時(shí)可以產(chǎn)生刻蝕和材料的改性，但高能離子會(huì)對(duì)薄膜或基片造成損傷。

plasma處理材料主要是通過粒子與材料表面的相互作用而實(shí)現(xiàn)，包括表面清潔、表面刻蝕、化學(xué)改性及表面交聯(lián)作用。Plasma處理材料會(huì)使材料表面產(chǎn)生一系列物理、化學(xué)變化，從而提高材料的表面性能，以適應(yīng)不同的生產(chǎn)應(yīng)用要求。