Plasma處理材料的實質原理

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

低溫等離子體（low temperature plasma）物理廣泛應用于微電子，微機械，為微光學系統等，微納制造高科技產業(yè)領域和傳統工業(yè)改造等領域。特別是在半導體工業(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領域是一個非常重要的研究課題，而且這個課題緊密聯系著等離子體物理、表面物理、等離子體化學、分子物理和原子物理等領域。plasma處理材料的過程主要是等離子體與材料表面之間復雜的相互作用，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用。plasma獨特的表面改性效果會被不同種等離子體產生的不同特性的微粒所影響，比如，能量的不同、動量的不同、化學活性的不同和運輸特性的不同等等。由此可見，通過調節(jié)plasma的這些參數，就可以改變plasma處理材料的處理效果，但是，現在還不能找到等離子體參數與他們的處理效果的定性關系。在這樣一個事實勝于雄辯，依賴于實踐開創(chuàng)新領域的時代，科學領域需要依靠新型的實驗和建模工具來取得重大進展，所以等離子體處理材料的研究也不會只拘泥于嚴格的二維平面上，很可能在表面下發(fā)生很強的深度梯度效應，而且還可能大量產生不同的空間尺度和時間尺度。等離子體處理材料的環(huán)境是非常復雜的，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發(fā)生的反應得以發(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同作用使得特殊材料的合成，改性及微細圖形的制備在相對低的溫度條件下得以進行。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的關系如此錯綜復雜是因為等離子體中粒子的能量、相對流量和化學成分決定了它們在表面的反應活性，而表面反應速率更傾向于依賴到達表面的基元的電子態(tài)和振動態(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、化學和表面科學等學科間有著緊密的聯系，而且其反應既取決于與等離子體作用的物體表面的電子能帶結構、表面和塊體的成分和結構，也取決于吸附到表面的等離子體基元以及穿過復雜反應層在表面上形成的激元的擴散能力和反應能力。

Plasma處理材料的實質

plasma處理材料的主要粒子為中性粒子、離子和電子，發(fā)生的反應主要有背反射、解吸、物理濺射、化學濺射、輻射增強升華、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)，這個過程叫背反射。

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

（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，當原子的能量超過了結合能，就會從壁表面逃逸出并進入等離子體區(qū)，這個過程叫物理濺射，而且與入射粒子能量、角度和材料特性有關。

（4）化學濺射：入射粒子和固體表面物質發(fā)生化學反應，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。

（5）輻射增強升華：高能粒子轟擊材料并產生間隙原子和空穴。當溫度較低時，材料的間隙原子和空穴很快復合；當溫度較高時，材料的間隙原子向材料表面運動并與周圍原子的結合，但結合能很低，可以熱解吸，這個過程叫輻射增強升華。

（6）起泡：當具有一定能量的氣體離子進入并在固體內深度植入且逐漸累積，表面就會形成逐漸增大并最終破裂的氣泡，這個過程叫起泡，起泡會引發(fā)起層現象，會使金屬材料嚴重損傷，產生大量金屬雜質，但同時可以改變金屬材料性質和減小金屬的熱傳導性。

（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，材料就會產生腫脹、硬化、脆化等變化，這個過程叫輻射損傷。

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

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、能量傳遞、薄膜沉積和等離子體誘導損傷。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。當碰撞時，高能粒子將能量傳遞給固體的晶格原子，產生瞬間的晶格原子運動碰撞歧化反應（10^-11~10^-12s）?？梢源龠M在室溫條件下不能進行或進行的非常緩慢的化學反應。②表面反應：離子增強的化學過程是核能離子與表面碰撞的重要結果，離子通過動量傳遞和増強擴散促進表面層原子混合。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：負偏壓電極附近的離子碰撞可以影響材料的物理性質。在處理過程，可以對提高薄膜的致密性和氧化性。⑤誘導損傷：在等離子體處理材料的過程中，低能離子轟擊基片時可以產生刻蝕和材料的改性，但高能離子會對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現，包括表面清潔、表面刻蝕、化學改性及表面交聯作用。Plasma處理材料會使材料表面產生一系列物理、化學變化，從而提高材料的表面性能，以適應不同的生產應用要求。