低温氢气（H2）等离子体及其应用

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-04-06

等离子体技术作为一种新兴的技术,在世界各国引起了广泛的重视,并已被应用于各个行业。在一定条件下,几乎所有的气体都可以成为等离子体状态。根据工作气体性质的不同,可以将等离子体分为活性气体等离子体和惰性气体等离子体。惰性气体等离子体以氩气等离子体为代表,这种等离子体对基材主要起到刻蚀作用,是一种物理作用。而活性气体等离子体每种之间有着较大的区别。氢气由于自身特殊的还原性能,其等离子体也具有一定的特殊性。本文对低温氢气等离子体的用途作一概述。

近年来,纯氢及含氢等离子体被广泛用于金刚石膜化学气相沉积、材料表面刻蚀与加工、分子反应动力学及等离子体化工研究等领域。氢等离子体通常用直流辉光放电、微波放电或弧光放电产生。用这些方法产生的氢等离子体中除包含高温电子外,还包含有各种氢离子(H⁺,H₂⁺,H₃⁺,H^-)、基态和电子激发态的氢原子及氢分子。

氢气等离子体的还原作用

氢气具有很强的还原能力,在一定温度下,可以把金属氧化物和金属盐类还原成金属单质。在等离子体条件下,这些在高温下才能发生的反应,在常温也可以实现。

等离子体清洗铜引线框架
引线框架封装仍是目前封装的主流,铜合金由于具有良好的导热性能、电性能、加工性能以及较低的价格被用作主要的引线框架材料。但是铜的氧化物和其它一些污染物会造成模塑料与铜引线分层,降低器件的可靠性,进而影响到芯片粘接和引线键合的质量。研究表明,采用氢氩混合气体,能够有效地去除引线框架金属层上的污染物。在清洗过程中氢等离子体能够去除氧化物,而氩通过离子化能够促进氢等离子体数量的增加。

氢气等离子体对多晶硅薄膜的后氢化处理
多晶硅薄膜在大面积微电子学及液晶显示等领域有着广阔的应用,但多晶硅薄膜中含有大量的晶界,晶界缺陷态将产生一定的晶界势垒,严重影响其电学性能。氢会饱和半导体材料硅的悬挂键,应用氢气等离子体能有效钝化这些缺陷态。此外,它能中和电学上激活的浅杂质或深杂质,如空位杂质络合物,或替位式的贵金属、过渡杂质等。氢的引入对发光器件、功率器件等是十分有利的。

在氢气等离子体状态下,氢向样品内部扩散并与其中的缺陷态结合形成饱和键,从而达到钝化材料内部缺陷态的目的。

在有带电离子存在的条件下,适当的高频电磁场能使低压氢气电离,产生氢离子、活化的氢原子、氢分子和电子等混合的等离子体。在辉光放电过程中,电子温度高达10⁴～10⁵K,能量约16×10^-19J。这些电子通过非弹性碰撞几乎把全部能量耦合给氢气。因此,H和H⁺具有远远高于氢分子热运动平均动能(～0.064×10^-19J)的能量。另一方面,H是体积最小、重量最轻的原子,所以室温下就能挤进硅表面而与缺陷作用。硅中H是间隙式杂质,也是扩散最快的杂质,进入样品的H或H⁺能迅速扩散,填补各类型的空位缺陷。

此外在硅的低温生长中,有许多报道肯定了在用氢稀释硅烷生长技术中氢的剪裁作用。氢的剪裁作用不是均匀不变的。当氢气刚通入时,由于沉积的硅膜表面存在大量的能量不稳定结构,这时氢的活性就能迅速地对这些结构进行剪裁,留下能量稳定的结构,所以剪裁速率比较大。随着时间的增大,不稳定结构不断减少,从而剪裁速率迅速减小,直到趋于平稳值。氢的另一重要作用是,经过氢剪裁后,硅膜表面被氢所完全覆盖,这使得硅原子基团在膜表面上的迁移率增大,从而使得沉积到膜表面的硅原子更容易成核结晶。

氢气由于自身性质的特殊性,其等离子体具有其他气体等离子体所没有的特性,氢气等离子体除了具有一般气体的刻蚀作用外,更具有独特的还原特性。随着科学研究的不断深入,氢气等离子体必然会得到更加广泛的应用。