Plasma处理材料的实质原理

文章出处：本站 | 网站编辑：深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-04-17

低温等离子体（low temperature plasma）物理广泛应用于微电子，微机械，为微光学系统等，微纳制造高科技产业领域和传统工业改造等领域。特别是在半导体工业中，1/3的超大规模集成电路（LSI）工艺都需要等离子体细微加工。比如等离子体的清洗、刻蚀以及去胶等等。

plasma处理材料在等离子体科学领域是一个非常重要的研究课题，而且这个课题紧密联系着等离子体物理、表面物理、等离子体化学、分子物理和原子物理等领域。plasma处理材料的过程主要是等离子体与材料表面之间复杂的相互作用，所以，可以通过改变等离子体和材料表面的状态来控制等离子体的应用。plasma独特的表面改性效果会被不同种等离子体产生的不同特性的微粒所影响，比如，能量的不同、动量的不同、化学活性的不同和运输特性的不同等等。由此可见，通过调节plasma的这些参数，就可以改变plasma处理材料的处理效果，但是，现在还不能找到等离子体参数与他们的处理效果的定性关系。在这样一个事实胜于雄辩，依赖于实践开创新领域的时代，科学领域需要依靠新型的实验和建模工具来取得重大进展，所以等离子体处理材料的研究也不会只拘泥于严格的二维平面上，很可能在表面下发生很强的深度梯度效应，而且还可能大量产生不同的空间尺度和时间尺度。等离子体处理材料的环境是非常复杂的，等离子体和材料接触的表面包含了不同种类的粒子（电子、离子、原子和分子），粒子与材料表面的协同相互作用，其中最主要是高能离子的轰击使一般热平衡条件下不会发生的反应得以发生，而且还有其他种类的等离子体基元在非热平衡条件下的协同作用使得特殊材料的合成，改性及微细图形的制备在相对低的温度条件下得以进行。plasma与材料表面间的相互作用和等离子体中原子分子等基元的物理性质的关系如此错综复杂是因为等离子体中粒子的能量、相对流量和化学成分决定了它们在表面的反应活性，而表面反应速率更倾向于依赖到达表面的基元的电子态和振动态。plasma处理材料的过程中的不同种类的相互作用和固体物理、化学和表面科学等学科间有着紧密的联系，而且其反应既取决于与等离子体作用的物体表面的电子能带结构、表面和块体的成分和结构，也取决于吸附到表面的等离子体基元以及穿过复杂反应层在表面上形成的激元的扩散能力和反应能力。

Plasma处理材料的实质

plasma处理材料的主要粒子为中性粒子、离子和电子，发生的反应主要有背反射、解吸、物理溅射、化学溅射、辐射增强升华、起泡、辐射损伤和再沉积等。

plasma处理材料原理示意图

（1）背反射：粒子进入材料表面和材料原子发生弹性和非弹性碰撞后，其中一部分粒子离开材料后回到等离子体区，这个过程叫背反射。

（2）解吸：材料表面会吸附一些粒子，当壁温度升高或者粒子轰击到壁，吸附能较小的粒子就会离开材料表面，这个过程叫解吸附过程。

（3）物理溅射：带电粒子以高速轰击材料，其中部分能量通过碰撞传给材料中的原子，当原子的能量超过了结合能，就会从壁表面逃逸出并进入等离子体区，这个过程叫物理溅射，而且与入射粒子能量、角度和材料特性有关。

（4）化学溅射：入射粒子和固体表面物质发生化学反应，生成可挥发性的分子。与入射粒子能量、粒子流和材料温度有关。

（5）辐射增强升华：高能粒子轰击材料并产生间隙原子和空穴。当温度较低时，材料的间隙原子和空穴很快复合；当温度较高时，材料的间隙原子向材料表面运动并与周围原子的结合，但结合能很低，可以热解吸，这个过程叫辐射增强升华。

（6）起泡：当具有一定能量的气体离子进入并在固体内深度植入且逐渐累积，表面就会形成逐渐增大并最终破裂的气泡，这个过程叫起泡，起泡会引发起层现象，会使金属材料严重损伤，产生大量金属杂质，但同时可以改变金属材料性质和减小金属的热传导性。

（7）辐射损伤：用高能中子长期照射壁材料使材料中的原子核发生位移，材料就会产生肿胀、硬化、脆化等变化，这个过程叫辐射损伤。

（8）再沉积：高能粒子轰击壁对材料进行侵蚀，使濺射出来的杂质粒子在等离子体区电离，然后在电场和磁场作用下运动（杂质的输运），一部分重新沉积到材料的其他位置，这个过程叫再沉积过程。

等离子体与固体表面的相互作用主要包括：物理作用、表面反应、能量传递、薄膜沉积和等离子体诱导损伤。①物理作用：等离子体通过轰击固体表面与表面发生反应。当碰撞时，高能粒子将能量传递给固体的晶格原子，产生瞬间的晶格原子运动碰撞歧化反应（10^-11~10^-12s）。可以促进在室温条件下不能进行或进行的非常缓慢的化学反应。②表面反应：离子增强的化学过程是核能离子与表面碰撞的重要结果，离子通过动量传递和増强扩散促进表面层原子混合。③能量传递：通过光辐射和中性粒子、离子的通量，能量可以从等离子体传递到固体表面。④薄膜沉积：负偏压电极附近的离子碰撞可以影响材料的物理性质。在处理过程，可以对提高薄膜的致密性和氧化性。⑤诱导损伤：在等离子体处理材料的过程中，低能离子轰击基片时可以产生刻蚀和材料的改性，但高能离子会对薄膜或基片造成损伤。

plasma处理材料主要是通过粒子与材料表面的相互作用而实现，包括表面清洁、表面刻蚀、化学改性及表面交联作用。Plasma处理材料会使材料表面产生一系列物理、化学变化，从而提高材料的表面性能，以适应不同的生产应用要求。