等离子体加工过程中尘埃微粒行为的研究-力学进展.PDF

第27卷　 第1期 力　学　进　展 . 27　 . 1 V o l N o 1997年2月25 日 ADVAN CES IN M ECHAN ICS Feb. 25, 　1997 等离子体加工过程中尘埃微粒行为的研究 顾　　琅 中国科学院力学研究所, 北京　100080 提要　在等离子体加工过程中产生的尘埃微粒是影响半导体集成电路生产质量的关 键问题, 近年来吸引了不少科学家的注意力. 尘埃等离子体已成为等离子体物理中 一个重要的前沿分支. 本文综述低气压等离子体加工过程中关于尘埃微粒的形成及 生长过程、带电机制、作用力、输运特性及尘埃等离子体的强耦合性质等方面的研 究进展, 并介绍其主要测量手段, 观测结果及理论模型. 关键词　等离子体; 等离子体; 尘埃微粒; 低气压 1　 引　言 等离子体技术目前已成为半导体集成电路生产中的关键工艺, 是其他技术难以顶替的. 采 用等离子体技术进行各种高性能的薄膜沉积、表面改性, 或制取超细粉末、烧结、合成材料 等促进了材料工艺的蓬勃发展, 也促进了等离子体科学的进展. 最近几年来, 研究等离子体 过程中微小颗粒的形成及其行为对等离子体过程的影响就是基于新一代集成电路及表面沉积 技术的需要, 当前已成为等离子体物理中一个重要的前沿分支, 简称为尘埃等离子体 (du sty p lasm a). 最早涉及到尘埃等离子体领域的是天体物理. 在星际空间和电离层广泛存在尘埃粒子. 空 间体系的热力学、电磁演变均受尘埃影响, 有时是支配性的. 尘埃颗粒也会影响到空间和电 离层通信中的电磁信号传输. 空间飞船揭示了它的存在, 可以用电测法量出撞击在飞船上的 微粒. 实验室聚变装置中也出现微小颗粒的污染问题. 另外, 较早时候就有科学家在等离子 体物理实验中利用添加的微颗粒来观察及研究等离子体动力学, 即离子、电子或者某些中性 [ 1 ] 气体的运动. 在用等离子体加工的过程中发现有颗粒形成的首次报道是在1985年 , 虽然当时 已观察到了这些微颗粒在基片上的沉积及造成的污染, 但只在最近几年, 由于制造新一代高 密度集成电路的工业以及薄膜沉积技术的发展, 迫切需要解决由于尘埃粒子造成的对质量影 响的关键问题, 才促使人们理解到研究在等离子体过程中尘埃颗粒形成的机理、行为的模拟 ·56 · 以及开展真实时间的实验研究的重要性, 这种研究直接关系到离子源设备的设计及控制. 尘埃等离子体意指在等离子体中包含了固态的弥散粒子, 事实上通常是电介质材料的微 粒, 尺寸范围在几十 到几十 之间. 在等离子体环境下, 这些微小颗粒因与电子、离子 nm n 的碰撞而获得电荷. 因为电子的质量比离子小得多, 其热运动速度也高, 因此微颗粒表面往 往带的是负电荷, 并有涨落. 由于这些微颗粒带有电荷, 在等离子体中它们代表了另一组分, 类似具有质量的离子, 这些带电微粒的存在改变了等