等离子体鞘层.pdf

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第二章: 等离子体鞘层(Plasma Sheaths)
一、Reason of sheath formation?
二、Floating sheaths
三、Direct-current (DC) biased sheaths
四、Pulse biased sheaths
五、RF biased sheaths
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一、鞘层形成的原因
1、层的概念:在固体表面附近形成的非电中性区称为鞘层
(sheath).
2、形成鞘层的原因:
a) 对于气体放电实验,所产生的等离子体要与放电容器的
器壁(一般为石英管)或其他绝缘基片接触。由于电子的极、
基片等固体表面等接触。等离子体中的电子和离子均可以向绝
缘固体表面上运动,但电子的热运动速度远大于离子的热速
度,从而导致固体表面出现过剩的负电荷,形成非电中性区。
这类鞘层称为悬浮鞘层( floating sheaths)。
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b) 对于电极放电,如直流放电或内电极电容耦合放电,
将在两个电极表面处形成鞘层。
对于直流放电,在阳极处形成的电子鞘层,而在阴极
处则形成的是离子鞘层。
对于对称的平行板电极放电,两个电极处形成的鞘层
也是对称的;而对于非对称电极,形成的鞘层也是非对称
的。
非对称鞘层
对称鞘层
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c) 在离子体合成薄膜(如溅射沉积)、材料表面改性
(如等离子体源离子注入)及等离子体刻蚀工艺中,为了
对工艺过程进行控制,通常在基片上施加一偏压(直流、
射频或脉冲偏压),从而在基片附近形成一非电中性的鞘
层区域。对于这种鞘层,其特性(如鞘层的厚度、鞘层电
场等)在很大的程度上取决于施加偏压电源的性质(如电
源的功率或电压、频率等)。
由于离子在不同的工艺中起主导作用,这要求鞘层的性
质能对离子的运动行为进行调控。为此,要求:
对于施加的直流或脉冲偏压,应为负偏压;
对于射频偏压,尽管施加的偏压是正弦变化的,但通过
使用堵塞电容或适当选择两个电极的面积,可以在基片上
产生一个负的自偏压效应。
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3、偏压鞘层的作用
PLASMA
Sheath 鞘层电场
Substrate (Workpiece)
Biased power
( DC, RF, or pulse)
偏压鞘层的示意图
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Physical characteristics of the sheaths
Ions (acceleration due Neutral-particles
to electric field): ( Charge-exchange):
energy distributions energy distributions
angle distributions angle distributions
• Deposition films
• Materials modification
• Etching
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增强了等离子体与材料表面的相互作用过程
鞘层的作用
相互作用过程材料表面改
性的结果:
•带电粒子的能量输运
形貌
•表面原子的移位
结构
•表面原子的溅射和
成分
散射
性能
•二次电子发射
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双放电腔微波ECR等离子体源非平衡磁控溅射沉积N-C薄膜
徐军、邓新绿、马腾才等,J. Vacu. Sci. Tech. A 19 (2), 425 (2001);
Chinese Phys. Lett., 17, 586 (2000); Thin Solid Films 390, 107 (2001);
Int. J. Mod. Phys B 16, 1120(2002)
(a) 沉积偏压为-60V (b) 沉积偏压为-160V
偏压对N-C薄膜的表面形貌的影响
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Deposition rate (nm/s)
Bias Voltage (V)
沉积速率随基片偏压的变化关系
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感应耦合等离子体源沉积类金刚石薄膜
俞世吉,丁振锋等, Thin Solid Films 390, 98 (2001).
300W

200W


Roughness(nm)


-200 -160 -120 -80
Bias Voltage