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低温等离子体 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 低温等离子体 三、低温等离子体 第一章 国外研究工作的最新进展 低温等离子体物理与技术经历了一个由60年代初的空间等 离子体研究向80年代和90年代以材料为导向研究领域的大转 变，高速发展的微电子科学、环境科学、能源与材料科学等， 为低温等离子体科学发展带来了新的机遇和挑战。 现在,低温等离子体物理与应用已经是一个具有全球影响 的重要的科学与工程，对高科技经济的发展及传统工业的改造 有着巨大的影响。例如，1995年全球微电子工业的销售额达 1400亿美元，而三分之一微电子器件设备采用等离子体技术。 科学家预测:二十一世纪低温等离子体科学与技术将会产生突 破。据估计，低温等离子体技术在半导体工业、聚合物薄膜、 材料防腐蚀、等离子体电子学、等离子体合成、等离子体冶 金、等离子体煤化工、等离子体三废处理等领域的潜在市场每 年达一千几百亿美元。 等离子体辅助加工被用来制造特种优良性能的新材料、研 制新的化学物质和化学过程，加工、改造和精制材料及其表 面，具有极其广泛的工业应用--从薄膜沉积、等离子体聚合、 微电路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等离子体喷 涂、等离子体冶金、等离子体化工、微波源。等离子体辅助加 工已开辟的和潜在的应用领域包括: ?半导体集成电路及其它微电子设备的制造 ?工具、模具及工程金属的硬化 ?药品的生物相溶性包装材料的制备 ?表面上防蚀及其它薄层的沉积 ?特殊陶瓷(包括超导材料) ?新的化学物质及材料的制造 ?金属的提炼 ?聚合物薄膜的印刷和制备 ?有害废物的处理 1 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 ?焊接 ?磁记录材料和光学波导材料 ?精细加工 ?照明及显示 ?电子电路及等离子体二极管开关 ?等离子体化工(氢等离子体裂解煤制乙炔、等离子体煤 气化、等离子体裂解重烃、等离子体制炭黑、等离子体 制电石等) 对上述某些部分领域的目前潜在市场估计: ?半导体工业260亿美元 — ?等离子体电子学400亿美元 — ?工具及模具硬化20亿美元 — ?作记录和医用聚合物薄膜领域有几十亿美元的市场 — 对一些新的有活力的市场估计: ?金属腐蚀防护500亿美元 — ?优质陶瓷50亿美元 —— ? 在废物处理、金属提练、包装材料及制药业中的应用— 有几十亿美元市场。 低温等离子体物理与应用是一个具有全球性影响的重要的 科学与工程，对全世界的高科技工业发展及许多传统工业的改 造都有着直接的影响，二十一世纪初等离子体辅助加工会产生 重要的突破，而这些突破对高科技产业的保护及提高其在市场 中的地位将是极为重要的，例如近十年来，低温等离子体的物 理研究和技术应用在很多方面有了突破性的进展，最有代表性 的是微电子工业等离子体的应用。1995年的微电子工业的全球 销售额已达1400亿美元，其中三分之一的微电子器件的设备是 采取等离子体技术。以“奔腾”芯片为代表的半导体微处理器 的复杂生产过程中，三分之一是与等离子体有关的。 1.1. 低温冷等离子体的进展 1.1.1 深亚微米和纳米的等离子体刻蚀 1997年全球半导体材料设备的市场销售额约为40多亿美元，据估计该数字每年以18%的速率增长。其中等离子体刻蚀设备的市场为 2 低 温 等 离 子 体 物 理 篇 24亿美元，预计到2000年将会达到53亿美元。由于刻蚀尺度要求已在100纳米或更小，按照美国SIA于1994年公布的半导体行业发展蓝图，1998年商业芯片最小特征尺寸为0.25微米，至2004、2007年最小特征尺寸将分别降至0.13、0.17微米。据中国科学报报导(1998.2.25)，IBM公司已推出了0.25微米线宽的电脑芯片。21世纪0.1微米线宽的芯片，已接近了硅半导体器件的物理极限，对各项微细加工技术提出了严峻挑战。在超大规模集成电路的生产中，掩模光刻和基底等离子体(反应离子)刻蚀是两个主要的工艺流程。作为重要工艺流程之一的等离子体刻蚀，0.1微米线宽加工的综合指标要求为: 大面积均匀(200,300mm，不均匀性??3%)，高速率单片刻蚀(2,3分钟)，高各向异性(侧壁垂直角?88?)，高纵横比(10?1)，高刻蚀选择比(30?1)，微观不均匀性小,Aspect Ratio Dependent Etching(ARDE)and Notching,，低电磁和能量损伤。 当刻蚀槽孔越来越小时，人们所遇到的问题是:1)等离子体刻蚀速率随槽孔的绝对尺寸减小而下降,size-dependent etching，(SDE),;2)同一绝对尺寸的图形，刻蚀速率随图形密度增大而下降，即微负载效应,microloading effect.(ML),，与过去普通的宏