等离子体及其应用介绍-镀膜

Type II
Source: B. Window and N. Savvides, J. Vac. Sci. Technol. A 4(2), 196 (1986).
冷等离子体（非平衡态等离子体Ti<<Te ）。
1. 热等离子体及其应用
A. 等离子体焊接与切割 B. 喷涂和表面改性 C. 等离子体合成与分解
D. 等离子体冶金和中间包加热
E. 等离子体炬燃烧废物
A. 等离子体焊接与切割
开关电源焊接机；
漏抗式电源空气等离子体切割机；
大功率可控硅电源空气等离子体切割机；
二、等离子体镀膜技术的应用形式
单片式：半导体和微电子工业 旋转式：光学薄膜工业
悬挂式：装饰和机械工业 卷绕式：电器和包装工业
多室连续式：显示薄膜工业，大批量
三、非平衡磁控溅射技术
A. 什么是平衡非平衡？ B. 非平衡磁控溅射的两种形式 C. 物理特性 D. 非平衡的优点 E. 圆形靶的设备 F. 矩形靶的设备
合用的等离子体源分析
按产生和加速电子的 方法不同分 有极放电：直流、交流、脉冲、高频 辉光：Hall； 弧光：热阴极弧； 介质阻挡：脉冲、高频和射频（CCP）等； 无极放电： 射频：ICP和TCP等； 微波：微波和微波ECR等。
三、离子束增强镀膜
不用离子束生成膜料，但采用离子束辅助， 包括镀前、镀后处理。

ICP PECVD、MWECR PECVD等

混合型：更广泛 活性反应蒸发、反应磁控溅射、反应离子镀等

现在可以毫不含糊地说，镀膜离不开等离子体！
离子参与镀膜的重要性

离子的运动特性

在沉积薄膜过程中，在传统的原子、分子以及他们 的团蔟与基片和薄膜相互作用之外，增加了离子参 与与基片和薄膜表面的相互作用； 在离子束辅助的情况下，离子以束流的方向和能量 与基片和薄膜表面作用； 在等离子体辅助的情况下，等离子体与基片和薄膜 表面形成等离子体鞘层，离子以鞘层电场的方向和 能量与基片和薄膜表面作用。
与基片和薄膜表面的相互作用大大加强，速率加快； 需要的沉积温度大大降低； 大大改善薄膜质量：致密性、附着力、结构性能等

结果：

创造了制备新型薄膜条件
离子镀膜
用等离子体生成膜料，同时起辅助作用

常用的等离子体产生的方法： 辉光放电：直流、脉冲、高频和射频等； 弧光放电：直流和脉冲等
目前常用的是：

磁控溅射

多弧镀
等离子体增强镀膜
不用等离子体生成膜料，但采用等离子体辅助，包括镀 前、镀后处理。


PVD发展为PEPVD
CVD发展为PECVD 混合型
最重要的是研究合用的等离子体源。 离子能量由等离子体空间电位及 鞘层负电位决定： 数 eV－～100 eV －－－对稳态 数 百eV－数十k eV－－ 对快脉冲
B. 低气压放电等离子体的应用
a. 等离子体光源和显示 b. 等离子体表面处理 c. 等离子体刻蚀加工
d. 等离子体离子源
e. 等离子体制备薄膜材料
a. 等离子体光源和显示

有极灯：荧光灯、纳灯、卤数灯，已广泛应用。
无极灯：射频灯、微波灯；发热量小、电效率 高、使用寿命长，可开发成系列产品。

合成粉、合成气、分解、化合
D. 等离子体冶金和中间包加热
电弧炼钢、各种有色金属冶炼；
保持连铸中间包恒温。
E. 等离子体炬燃烧废物

工作温度可达5000OC以上，几乎所有的 有毒气体和粉体在如此高温下都可以分 解为无毒的物质，并达到排放标准； 助燃燃煤锅炉，降低硫排放两倍以上； 还可以应用来助燃煤火炬，提高焚烧城 市垃圾的温度，降低排气污染。
D. 等离子体离子源

聚变研究中的中性束加热技术 离子束技术在生物工程中的应用 离子束辅助沉积薄膜技术 离子束技术简介 其他应用
E. 等离子体制备薄膜材料

等离子体制备薄膜材料是冷等离子体应 用最活跃的领域；

已经形成产业或正在形成的产业项目包 括两方面：

等离子体制备薄膜方法和设备； 薄膜材料研究和产业。
For 5 mtorr of argon (~300K) with 5eV electrons Collision type Mean Free Path 40 m
电子-电子 电子-氩(电离) 电子-氩(二次电离)
电子-氩 (动量损失) 50 cm
5m 100 m
氩 -氩
2 cm
6. 等离子体鞘层


离子束具有方向性 能量由加速电压决 定。
等离子体鞘层 电场方向： 与壁垂直 能量与等离子体 参数有关
离子与表面相互作用
吸附和扑获 溅射 二次电子发射 化学反应
离子参与镀膜创造的条件和结果


成膜环境由气态变成了等离子体态；
等离子体态条件下的物种：

少量的电子和离子；

大量的高活性的原子、分子以及自由基；
聚变电站示意图
五. 低温等离子体
低温等离子体的研究和应用目标极为广泛： 利用低温等离子体条件下所具有的特殊的物理 和化学性质形成了一些新技术，在材料、信息 、能源、化工、冶金、机械、环保、军工、和 航天等领域表现出了突出的优势。 人们通常又把低温等离子体分成为： 热等离子体（平衡态等离子体Ti~Te）；
三. 实验室等离子体
按其中带电粒子温度的相对高低，以及应 用目标,可将实验室等离子体分为:
高温等离子体：温度T在数十eV(几十万度)以上
几乎完全电离,氢弹和可控核聚变；
低温等离子体：温度T在数十eV(几十万度)以下
部分电离<50%,各种工业应用.
四. 高温等离子体

能源分为三大类: 化石能源 自然能源
A. 什么是平衡非平衡？
•平衡和非平衡磁控器是通常应用的术语 •平衡的术语一般地应用与传统的磁控器 •非平衡磁控器被应用来描叙： 在沉积薄膜的同时也能够对薄膜表面产 生离子轰击。
B.非平衡靶的两种形式
‘Windows and Savvides’ 是第一个定义考虑和 把一直是等离子体理论和实验的研究热点
瞬态鞘层
高压鞘层
7. 等离子体的整体特性
电阻和电导
单极扩散: D~kT/m 电子比离子快得多 利用电阻进行欧姆加热 双极扩散: 电子离子共同的扩散
等离子体中的扩散输运
二. 等离子体学科
到70年代末，等离子体已 发展成为一门独立的分支学科， 其研究对象为： 天体等离子体 近地电离层空间等离子体 人工产生的实验室等离子体。
开关电源空气等离子体切割机；
还可开发切割非金属材料的切割机。
开关电源有广泛的推广应用前景。
B. 等离子体喷涂和表面改性
电弧、等离子炬喷涂：
对金属表面：可用直接电弧等离子体喷涂；
对金属表面，特别是非金属表面可用双电
极电弧等离子体喷涂。
金属材料表面沾火 非金属材料表面加工
C. 等离子体合成与分解
带电粒子在电磁场中的运动
4. 5. 6.
7.
等离子体的准中性和表征参数 平均自由程和碰撞频率 等离子体鞘层 等离子体的整体特性
1. 物质第四态
在自然界，物质有四态： 固态、液态、气态和等离子态。 人们熟知：物质的固态、液态和气态 对等离子态则鲜为人知。 人类对等离子体的认识开始于 19世纪30年代的气体放电研究。 在20世纪初建立了等离子体概念： 即由大量具有相互作用的带电粒子组成 的宏观时空尺度（大于德拜屏蔽半径） 的体系。
粒子分布函数: 密度 (ne 、ni 、nn );电离度： ne / nn 温度 (Te 、Ti )电子/离子的平均动能 (1eV = 12000°c) 等离子体能量:nkT,低密度/低温等离子体能量很低; 等离子体电位: (Vp )
5. 平均自由程和碰撞频率
平均自由程是粒子在经受一次碰撞之前所行走的平均距离

对CVD：高温。 对PVD:

汽化：蒸发、溅射等

蒸发：热蒸发：直接加热、感应加热等；
束蒸发：电子束、离子束、激光束。

溅射：离子束溅射等。 传统方法的缺点： ▲致密性差 ▲机械性能不稳定 ▲速率慢等

二、离子镀膜与等离子体增强镀膜
有离子与基片和薄膜表面直接相互作用

PVD： PEPVD、IEPVD等 活性蒸发、磁控溅射、多弧离子镀等 CVD：PECVD、IECVD等
木材 煤炭 石油 水力 风力 太阳能
核能
核裂变 核聚变

核能的现状与发展:
重核裂变
储量有限 污染环境
轻核聚变
储量充足 污染小
不安全
安全
高温等离子体研究的主要目标
氢弹-毁灭人类的最可怕的武器 和平利用:高温等离子体条件下氘氚核聚变反应 产生的巨大能量,可以解决人类未来的能源问题 D + T = He + n +14.5eV 在海水D有极大的储量,1升海水~300升汽油 聚变能是人类清洁而又无限的理想新能源

PVD发展为IEPVD CVD发展为IECVD 混合型，包括多种形式的混合。
最重要的是研究合用的离子束源。
离子束源的基本概念
作用于薄膜表面离子的能量由离子束加速电压决定 （ ～ 100eV－数keV ）。
合用的离子束源分析



有极放电： 考夫曼、潘宁、佛里曼(Freeman)、 双压缩、双潘宁、 射频容性耦合（CCP） 无极放电： 微波ECR、射频感性耦合（ICP） 其它离子源: 束—等离子体离子源
2. 等离子体产生
等离子体是由于载能电子碰撞中性原子变成离子的结果 沙哈方程: