低溫氫氣（H2）等離子體及其應用

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2023-04-06

等離子體技術(shù)作為一種新興的技術(shù),在世界各國引起了廣泛的重視,并已被應用于各個行業(yè)。在一定條件下,幾乎所有的氣體都可以成為等離子體狀態(tài)。根據(jù)工作氣體性質(zhì)的不同,可以將等離子體分為活性氣體等離子體和惰性氣體等離子體。惰性氣體等離子體以氬氣等離子體為代表,這種等離子體對基材主要起到刻蝕作用,是一種物理作用。而活性氣體等離子體每種之間有著較大的區(qū)別。氫氣由于自身特殊的還原性能,其等離子體也具有一定的特殊性。本文對低溫氫氣等離子體的用途作一概述。

近年來,純氫及含氫等離子體被廣泛用于金剛石膜化學氣相沉積、材料表面刻蝕與加工、分子反應動力學及等離子體化工研究等領(lǐng)域。氫等離子體通常用直流輝光放電、微波放電或弧光放電產(chǎn)生。用這些方法產(chǎn)生的氫等離子體中除包含高溫電子外,還包含有各種氫離子(H⁺,H₂⁺,H₃⁺,H^-)、基態(tài)和電子激發(fā)態(tài)的氫原子及氫分子。

氫氣等離子體的還原作用

氫氣具有很強的還原能力,在一定溫度下,可以把金屬氧化物和金屬鹽類還原成金屬單質(zhì)。在等離子體條件下,這些在高溫下才能發(fā)生的反應,在常溫也可以實現(xiàn)。

等離子體清洗銅引線框架
引線框架封裝仍是目前封裝的主流,銅合金由于具有良好的導熱性能、電性能、加工性能以及較低的價格被用作主要的引線框架材料。但是銅的氧化物和其它一些污染物會造成模塑料與銅引線分層,降低器件的可靠性,進而影響到芯片粘接和引線鍵合的質(zhì)量。研究表明,采用氫氬混合氣體,能夠有效地去除引線框架金屬層上的污染物。在清洗過程中氫等離子體能夠去除氧化物,而氬通過離子化能夠促進氫等離子體數(shù)量的增加。

氫氣等離子體對多晶硅薄膜的后氫化處理
多晶硅薄膜在大面積微電子學及液晶顯示等領(lǐng)域有著廣闊的應用,但多晶硅薄膜中含有大量的晶界,晶界缺陷態(tài)將產(chǎn)生一定的晶界勢壘,嚴重影響其電學性能。氫會飽和半導體材料硅的懸掛鍵,應用氫氣等離子體能有效鈍化這些缺陷態(tài)。此外,它能中和電學上激活的淺雜質(zhì)或深雜質(zhì),如空位雜質(zhì)絡合物,或替位式的貴金屬、過渡雜質(zhì)等。氫的引入對發(fā)光器件、功率器件等是十分有利的。

在氫氣等離子體狀態(tài)下,氫向樣品內(nèi)部擴散并與其中的缺陷態(tài)結(jié)合形成飽和鍵,從而達到鈍化材料內(nèi)部缺陷態(tài)的目的。

在有帶電離子存在的條件下,適當?shù)母哳l電磁場能使低壓氫氣電離,產(chǎn)生氫離子、活化的氫原子、氫分子和電子等混合的等離子體。在輝光放電過程中,電子溫度高達10⁴～10⁵K,能量約16×10^-19J。這些電子通過非彈性碰撞幾乎把全部能量耦合給氫氣。因此,H和H⁺具有遠遠高于氫分子熱運動平均動能(～0.064×10^-19J)的能量。另一方面,H是體積最小、重量最輕的原子,所以室溫下就能擠進硅表面而與缺陷作用。硅中H是間隙式雜質(zhì),也是擴散最快的雜質(zhì),進入樣品的H或H⁺能迅速擴散,填補各類型的空位缺陷。

此外在硅的低溫生長中,有許多報道肯定了在用氫稀釋硅烷生長技術(shù)中氫的剪裁作用。氫的剪裁作用不是均勻不變的。當氫氣剛通入時,由于沉積的硅膜表面存在大量的能量不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),這時氫的活性就能迅速地對這些結(jié)構(gòu)進行剪裁,留下能量穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),所以剪裁速率比較大。隨著時間的增大,不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)不斷減少,從而剪裁速率迅速減小,直到趨于平穩(wěn)值。氫的另一重要作用是,經(jīng)過氫剪裁后,硅膜表面被氫所完全覆蓋,這使得硅原子基團在膜表面上的遷移率增大,從而使得沉積到膜表面的硅原子更容易成核結(jié)晶。

氫氣由于自身性質(zhì)的特殊性,其等離子體具有其他氣體等離子體所沒有的特性,氫氣等離子體除了具有一般氣體的刻蝕作用外,更具有獨特的還原特性。隨著科學研究的不斷深入,氫氣等離子體必然會得到更加廣泛的應用。