PECVD原理等离子体增强化学气相沉积技术基础

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1、等离子体增强化学气相沉积技术基础§1.1等离子体概论§1.1.1等离子体的基本概念和性质近代科学研究的结果表明，物质除了具有固态、液态和气态的这三种早为人们熟悉的形态之外，在一定的条件下，还可能具有更高能量的第四种形态——等离子体状态。例如通过加热、放电等手段，使气体分子离解和电离，当电离产生的带电粒子密度达到一定的数值时，物质的状态将发生新的变化，这时的电离气体已经不再是原来的普通气体了。由于这种电离气体不管是部分电离还是完全电离，其中的正电荷总数始终和负电荷总数在数值上是相等的，于是人们将这种由电子、离子、

2、原子、分子或者自由基团等粒子组成的电离气体[1]称之为等离子体。不管在组成上还是在性质上，等离子体不同于普通的气体。普通气体由电中性的分子或原子组成，而等离子体则是带电粒子和中性粒子的集合体。等离子体和普通气体在性质上更是存在本质的区别，首先，等离子体是一种导电流体，但是又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性；其次，气体分子间不存在净电磁力，而等离子体中的带电粒子之间存在库仑力；再者，作为一个带电粒子体系，等离子体的运动行为会受到电磁场的影响和支配。因此，等离子体是完全不同于普通气体的一种新的物质聚集态。

3、应当指出，并非任何的电离气体都是等离子体。众所周知，只要绝对温度不为零，任何气体中总存在有少量的分子和原子电离。严格地说来，只有当带电粒子地密度足够大，能够达到其建立的空间电荷足以限制其自身运动时，带电粒子才会对体系性质产生显著的影响，换言之，这样密度的电离气体才能够转变成等离子体。除此之外，等离子体的存在还有其特征的空间和时间限度，如果电离气体的空间尺度L不满足等离子体存在的空间条件L>>lD（德拜长度lD为等离子体宏观空间尺度的下限）的空间限制条件，或者电离气体的存在的时间不满足t>>tp（等离子体的振荡周

4、期tp为等离子体存在的时间尺度[2]的下限）时间限制条件，这样的电离气体都不能算作等离子体。§1.1.2等离子体的特性参数描述10PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.fineprint.com.cn等离子体的状态主要取决于它的组成粒子、粒子密度和粒子温度，其中粒[3]子密度和温度是描述等离子体特性的最重要的基本参量。1）粒子密度和电离度如前所述，组成等离子体的基本成份是电子、离子和中性粒子。通常分别用ne、ni和ng来表示等离子体内的电子密度、粒子密度和未电离的中性粒子密度，而当ne

5、＝ni时，则可用n来表示二者中任一个带电粒子的密度，简称为等离子体密度。然而，一般等离子体中可能含有不同价态的离子，也可能含有不同种类的中性粒子，因此电子密度与粒子密度不一定总是相等的。对于主要是一阶电离和含有同一类中性粒子的等离子体，可以认为ne≈ni。对于这种情形，电离度定义为：a=ne/(ne+ng)。电离度很小的等离子体称为弱电离等离子体；当a较大（约大于0.1）时，称为为强等离子体；a＝1时，则叫完全等离子体。在热力学平衡条件下，电离度仅仅取决于粒子种类、粒子密度及温度。2）电子温度和粒子温度由于等离

6、子体内不止有一种粒子，而且通常不一定有合适的形成条件和足够的持续时间来使各种不同的粒子达到统一的热平衡条件，因此不可能用一个统一的温度来对等离子体进行描述。根据弹性碰撞理论，离子－离子、电子－电子等同类粒子间的碰撞频率远大于离子－电子间的碰撞频率。况且同类粒子的质量相同，碰撞时能量交换最有效。显然，等离子体内部应当是每一种粒子各自先行达到自身的热平衡态。相比较而言，电子的质量最轻，达到热平衡的过程也进行得越快。所以，等离子体的温度必须用不同的粒子温度加以描述。通常，分别用Te、Ti和Tg来表示等离子体的电子温度

7、、离子温度和中性粒子温度，考虑到“热容”，等离子体的宏观温度取决于重粒子的温度。依据等离子体的粒子温度，可以将等离子体分为两大类。当Te＝Ti时，称为热平衡等离子体，这类等离子体不进电子温度高，重粒子温度也高，因此也叫高温等离子体。当Te>>Ti时，称为非平衡态的等离子体。尽管这种等离4子体的电子温度高达10K以上，但离子和原子之类的重粒子体温度却低到300～500K。因此按照其重粒子温度的特点也叫做低温等离子体。低温等离子体的特点表明，非平衡性对于等离子体化学与工艺具有十分重要的意义。一方面等离子体中的电子具

8、有足够高的能量，能够使得反应物分子实现激发、离解和电离；另一方面，由于反应能量是由电场通过电子提供的，能够在较低的温度下进行反应，使得反应体系可以保持低温。正是因为如此，通常基于低温等离子体技术的设备投资少，节省能源，因此获得了非常广泛的应用。11PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.fineprint.com.cn§1.1.3等离子体的产生方法和原理获得等离