从微电子工业到航天器推进系统乃至高效光源，低温射频等离子体在各种前沿技术中扮演着重要的角色，而且它是物理学、化学及工程学之间相互交叉的一个学科。《射频等离子体物理学》主要聚焦在物理学方面，所以主要适用于应用物理及电子工程专业的研究生及科研人员。《射频等离子体物理学》不仅对射频等离子体的前沿进展进行综述，同时也包括一些等离子体物理基础知识，如有界等离子体的输运及电学诊断。《射频等离子体物理学》的风格有助于激发读者学习的兴趣，帮助读者建立物理图像和数学分析方法。通过实例分析，将理论应用到实际问题中，并留有超过100道的简答题，让读者能够快速掌握新知识，有信心解决与实验相关的物理问题。
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第1章概论
1.1等离子体
等离子体是一种包含自由运动的电子、离子的电离气体。等离子体通常非常接近电中性，也就是说，等离子体中的负电荷粒子的数密度等于正电荷粒子的数密度，正负电荷的数密度偏差在千分之几以内。带电粒子在电场中的运动是相互耦合的，因此它们的运动会对外加电磁场作出集体响应。在低频电磁场中，等离子体表现为导体；当外加电磁场的频率足够高时，等离子体的行为更像电介质。在弱电离等离子体中（工业应用中大部分属于这种情形），除了电子和离子之外，还存在大量中性粒子，如原子、分子和自由基团等。本书主要讨论低气压射频（radio frequency，RF）放电产生的弱电离等离子体。
从质量和体积两方面来看，等离子体是宇宙中可见物质的主要存在形式。恒星是由等离子体构成的，同样，星际空间也充满等离子体。这两种等离子体有很大差别： 恒星的星核是高温稠密的等离子体，而星际空间则是稀薄的冷等离子体。地球上人造等离子体也有同样的差别：既有高温高密度等离子体，也有低温低密度等离子体。受控热核聚变堆就是一种高温高密度的人造等离子体，它是完全电离的。目前，对于受控热核聚变研究，其挑战性的问题是如何长时间地约束这种高温高密度等离子体，从而使其发生轻核聚变，释放出巨大的聚变能。另一类温度较低的弱电离等离子体，又被称为低温等离子体，包括从照明到半导体工艺等各种工业应用等离子体。低温等离子体可通过气体放电来产生，放电电源的频率可以从直流（direct current，DC）到微波波段（GHz）。放电气压可以在小于1 Pa到数倍大气压之间（105 Pa）。
对于具有金属电极的大气压直流放电，通常是工作在强电流区，其中在由带电粒子和中性粒子组成的等离子体中形成了一个狭窄的电流通道。在这种直流大气压等离子体中，带电粒子和中性粒子接近热平衡（各种粒子大致处于相同温度，大约10 000 K）。相似的情形也可以在巨型闪电及用于焊接和切割的电弧等离子体中看到。由于中性气体组分的温度过高，电弧等离子体不适于软材料表面的处理。但是，如果可以抑制达到热平衡的条件，就可以避免大气压放电中气体的过度加热，从而产生一大类被广泛应用的等离子体，即非热（平衡）等离子体。在这种等离子体中，电子的温度远高于离子和气体原子的温度。产生非平衡等离子体的方法之一是射频激励介质阻挡放电（dielectric barrier discharge，DBD）。这种放电装置中，在电极表面覆盖一层电介质，这样在电极产生弧光放电前，电介质表面的电荷积累会自动终止放电。短脉冲介质阻挡放电通常工作在丝状放电模式，每个丝状放电通道的电流很小，但其中的电子密度及电子温度足以使相当一部分中性气体解离和电离。中性气体仍处于低温状态，而且在一个电流脉冲内，等离子体中的各种组分来不及达到热平衡状态。DBD等离子体在低成本工业应用中的重要性日益增加，例如，在医用材料的消毒，以及空气中可挥发有机化合物的去除等方面的应用。在一些情况下，某些气体的放电会呈现出比DBD更强的扩散模式。对于这类气体放电，由于约束等离子体的空间过于狭小，等离子体各组分之间难以达到热平衡。在大气压下，这种放电形式被称为微放电，其特征放电尺度小于1 mm。
在低气压下更易于产生大面积低温非热平衡等离子体。低气压放电系统通常由真空室（典型尺度为几厘米）、配气系统及馈入电能的电极（或天线）构成。在低气压下，放电过程发生在所谓的辉光区，此时等离子体几乎占据整个放电室，这与大气压丝状放电模式下观察的现象形成鲜明的对照。低气压辉光放电中，放电室中大部分区域充满准中性等离子体，在等离子体和放电室器壁之间有一层很薄的空间正电荷层。这些位于器壁表面的空间正电荷层，或者称为“鞘层”，其空间尺度一般小于1 cm。鞘层源于电子和离子迁移率的差别。等离子体中的电势分布倾向于约束电子，而把正离子推入鞘层。
由于电子首先吸收电源的馈入能量，然后被加热至数万摄氏度，而重粒子几乎处于室温。正是由于低气压等离子体具有这种非热力学平衡的特性，其在工业中有着重要的应用。在温度高达10 000 K的电子能量分布中，有相当一部分能量用于解离工作气体分子，使之成为活性物种（原子、基团和离子）。因此，非平衡等离子体实际上是将电能转变为工作气体的化学能和内能，并且可以将这种化学能和内能用于材料表面改性。等离子体鞘层在材料表面改性中起着重要的作用，这是因为，鞘层区中的电场可以将电源的电场能转变为轰击到材料表面的离子的动能。轰击到材料表面的离子能量是材料表面改性的一个主要工艺参数，这个能量可以轻易地增加到小分子及固体原子结合能的数千倍。正是低温等离子体的这种非热力学平衡现象，带来了等离子体处理技术的多样性，这种多样性可以从高分子材料的表面活化一直到半导体离子注入等一系列应用中看出。
等离子体处理技术在很多制造业中得到应用，特别是在汽车、航空及生物医用部件的表面处理方面，因为减少了有毒液体的使用，等离子体技术在环保上显示出优越性。同时，由于兼容纳米制造，等离子体技术在大规模工业制造中也具有优势。等离子体技术对制造业的**冲击体现在微电子工业上。如果没有等离子体的相关技术，大规模集成电路的制备就不能实现。在接下来的几节中，我们将介绍低气压射频等离子体的一些工业应用的实例，以便为后续各章的详细分析打下基础。
1.2微电子学中的等离子体
工艺集成电路中包含精心设计的多层半导体、电介质、导体薄膜，并由具有复杂架构的金属布线相互连通（图1.1）。首先是借助于等离子体工艺来沉积这些薄膜，并进一步使用反应性等离子体对其进行刻蚀，*终形成尺度为数十纳米的图形。集成电路中各种薄膜刻蚀的特征尺度小于人体头发直径的百分之一。
图1.1超大规模集成电路中多层金属介质互连
大规模集成电路的基本器件是金属-氧化物-半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET），如图1.2所示。通常，在单晶硅半导体衬底上，利用硅的外延生长技术，生长出高质量的外延硅层，来制备这种场效应晶体管。通过门电极，控制从“源区”到“漏区”的电流通道，以达到调节电流的目的。门电极通过一层几纳米厚的介电层和电流通道隔离（绝缘），一般使用二氧化硅作为门介电层。MOSFET是非常有效的流经“源”和“漏”之间的电流开关。门电极的偏压可以触发这个开关。门电极的几何尺度是决定器件速度及集成度的特征尺寸。在所谓的互补型金属-氧化物-半导体（complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS）技术中，存储和逻辑电流单元正是基于这种CMOS器件，该器件包括一个n沟道（电子沟道）和一个p沟道（空穴沟道）的MOSFET。CMOS技术是包括微处理器、存储器以及专用集成电路制备的主要半导体技术。CMOS的主要优点是较低的能耗。图1.2硅集成电路中的MOSFET结构示意图。其中门电极控制由n型硅构成的源和漏之间的沟道电流
摩尔定律通常被用来描述微电子技术的进化史。戈登？摩尔于1965年曾作出预测：*复杂的集成电路芯片中，所集成的晶体管的数量大约每两年翻一番。这个预测成了集成电路市场发展的一个非常好的指针。需要说明的是，集成电路市场的快速发展得益于等离子体相关工艺技术。
1.2.1等离子体刻蚀
等离子体刻蚀的原理如下：**步，衬底上需要刻蚀的材料涂上一层厚度小于1 μm的光刻胶涂层。第二步，通过曝光、显影工艺将光刻胶涂层图形化，其中利用紫外线（UV）对附有掩膜的光刻胶涂层曝光。被曝光的光刻胶在UV的作用下分解，而被掩膜覆盖的光刻胶则被保留下来，这样光刻胶涂层就被图形化，从而形成材料刻蚀的窗口。第三步，经过涂胶-曝光-显影一系列图形化工艺后，将晶圆放入等离子体反应室。如果需要刻蚀的是硅基材料，则刻蚀气体通常是一种或几种卤族化合物分子（如CF4、SF6、Cl2或HBr）。刻蚀气体在放电腔室中形成等离子体，气体分子在电子碰撞下被解离，从而产生活性物种。以SF6气体为例，它与电子碰撞后，可以产生如下解离过程：e.+SF6SF5+F+e.e.+SF6SF4+2F+e.e.+SF6SF2+F2+2F+e.
气相中的F原子是一种有效的硅刻蚀剂，气相（g）F原子与固相（s）表面的Si原子发生如下反应，生成挥发性的刻蚀反应产物，这些反应产物会被真空系统抽走：4F(g)+Si(s)SiF4(g)在没有离子轰击且无晶体各向异性效应时，刻蚀速率在各个方向是相等的，也就是说，这时刻蚀是各向同性的，这是因为刻蚀剂原子到达刻蚀材料的方向是随机的，如图1.3（a）所示。湿法刻蚀同样会得到各向同性的刻蚀形貌，这种各向同性的刻蚀不适用于高集成度芯片中的高深宽比图形的刻蚀（深宽比是指被刻蚀沟槽的深度与宽度之比）。图1.3（a）各向同性化学刻蚀；（b）各向异性反应离子刻蚀
1979年，Coburn和Winters［1］使用原子束与离子束相结合的方法，证明荷能离子对材料表面的轰击作用，可以将中性刻蚀剂原子的刻蚀速率提高一个数量级。荷能离子和刻蚀剂原子的这种协同作用很容易在等离子体刻蚀中实现，因为等离子体既有激活的中性基团，又有荷能离子，其中荷能离子在等离子体鞘层中被加速。此外，由于鞘层的存在，离子在鞘层中是在垂直于刻蚀材料的表面方向被加速的。人们发现，这些垂直加速的离子可以大大增加垂直刻蚀的速率，而对侧向刻蚀影响很小。因此，具有离子轰击协同作用的刻蚀倾向于各向异性。有效地利用荷能离子来增强刻蚀反应速率，这种工艺被称为反应离子刻蚀。问题：列举两种高密度等离子体和高（各向异性）刻蚀速率之间的关联因素。答案：高的电子密度，一般会增加活性基团数量，导致高刻蚀速率；轰击表面的离子流量密度的增加，也会增强各向异性刻蚀。
尽管离子轰击有助于各向异性刻蚀，但在CMOS技术中，由于对刻蚀图形形貌的控制要求很高，单纯的离子轰击协同作用难以达到这一要求。因此，聚合化学反应被引入刻蚀工艺中，用来在刻蚀图形的某个表面形成聚合物刻蚀阻挡层。当使用CF4作为等离子体刻蚀气体时，等离子体中会生成自由基团，如CF和CF2，这些自由基团会倾向于在刻蚀图形的侧壁发生聚合反应，形成所谓的刻蚀钝化层。面向等离子体的刻蚀区域，由于不断地受到垂直方向荷能离子的轰击，不能形成这种刻蚀钝化层。例如，CHF3、CF4、C2F6、C4F8等碳氟气体，在等离子体状态下均具有这种发生聚合反应的倾向，因此它们通常被用于微电子中电介质材料的刻蚀。为了控制聚合反应程度，经常在刻蚀工作气体中增加氧气，促进聚合层表面氧化生成CO2，这样，氧化反应可以和聚合成膜反应形成竞争。聚合反应也是控制刻蚀选择性的一个有效途径，所谓选择性是指只对一种特定的材料具有刻蚀能力，对底层的另一种材料没有刻蚀效果。一个典型的例子就是CF4/O2等离子体可以改变对于Si和SiO2的相对刻蚀率，也就是说可以改变对这两种材料的刻蚀选择性：富氧的CF4/O2混合气体等离子体对纯Si的刻蚀率要高于SiO2，贫氧CF4/O2混合气体等离子体则相反，对SiO2的刻蚀率高于纯Si。由于硅集成电路制作过程中很多工艺涉及硅和二氧化硅的刻蚀，碳氟等离子体得到极大的关注［2-4］。
其他基于卤族元素的刻蚀也很重要：CMOS制作过程中的一个关键步骤是门叠层的刻蚀，这种刻蚀工艺是用Cl2/HBr/O2混合气体等离子体实现的。这时刻蚀钝化层涉及硅基聚合物SiOxCly的形成［5］。刻蚀工艺的不稳定性被归因于这种聚合物在反应室器壁上的沉积［6］。 在光电子学及光子学中，等离子体刻蚀也是一个关键的技术。例如，利用等离子体工艺很容易制备具有高深宽比、陡峭脊梁的InP基异质结构，它是制造光子学器件的重要模块。这种模块制备过程中，需要用到等离子体刻蚀工艺，刻蚀出狭窄的脊背形单模波导管；为了使光学散射*小化［7］，要求这种波导管的刻蚀具有光滑的侧壁，并且没有过刻或旁刻现象发生。在所谓的“深刻”（深度到达数十微米）技术中，等离子
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