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等离子体科学与技术

2021.4.18

等离子体是物质存在的第四种形态，处于比气态更高的能量状态。等离子体科学是二十世纪形成和发展的新兴学科：等离子体物理（1927年）；等离子体化学（1967年）；等离子体材料科学（1988年）。科学技术是*生产力，等离子体科学的迅速发展促进了等离子体应用技术在各个工业领域的日益广泛应用，并正在深刻地改变当代的生产工艺方式。一种低能耗无污染的干式生产工艺将会逐步取代造成环境恶化的传统加热和湿式化学工艺。例如等离子体镀膜技术能取代传统的电镀和化学镀技术而无须消耗大量化学药品和水资源，不会形成三废而污染环境。等离子体镀膜技术还能形成传统电镀或化学镀技术所不能形成的多种薄膜，极大地开拓了镀膜技术。作为一种绿色（无环境污染）加工技术，对全世界的高技术工业发展和许多传统工业的改造都有直接影响。zui有代表性的例子是微电子工业中等离子体加工技术的应用。1995年微电子工业的销售额已达1400多亿美元，当时统计微电子器件的制造工艺中有40%使用了等离子体加工技术。1998年IBM公司已推出0.25微米线宽的芯片，2007年In公司芯片线宽减少到45纳米。当前IBM和日立公司正在合作研发32纳米线宽新工艺。在超大规模集成电路的生产中，光刻（X光刻或电子束光刻）和等离子体刻蚀是两个zui关键的工艺流程。科学家预测：二十一世纪等离子体加工技术会有新的巨大突破，在半导体工业，聚合物薄膜，材料防腐蚀，等离子体电子学，等离子体材料合成，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市场每年达数千亿美元。
等离子体可由多种方法产生。由电能激励气体形成等离子体zui为简单和经济。按提供电能频率的不同而分为直流（DC）等离子体，交流（工频）等离子体，高频（HF）等离子体，射频（RF）等离子体和微波（MW）等离子体。微波等离子体技术是近三十年来才发明和发展起来的等离子体zui前沿的科学技术。随着民用微波炉工业的迅速发展和大规模生产，作为微波功率源（微波发生器）的自激励振荡源的磁控管性能好、价格低、效率高（70%以上），微波功率源不用功率放大器、电路简单可靠、成本低、能耗少，使微波等离子体装置的制造成本和运行费用显著下降,有很好的工程经济性。
科学研究表明微波等离子体具有无电极、大面（体）积、低能耗、率和低成本等多种优点，比之其它电激励类型的等离子体有更高的活性。微波等离子体的运行气压很宽，从10-3Pa（微波ECR等离子体）到超过大气压（微波等离子体炬）。并且装置的等离子体发生室和处理室可分可合，工艺的灵活性大。无电极放电避免了等离子体对处理物的损伤。所以微波等离子体有着广泛的应用，特别适用于新材料（包括薄膜，纤维，粉末以及高性能复合材料等）的制备，金属制品的表面强化和防腐蚀，纺织品的后整理，高聚物聚合及其表面改性，微电子器件及高功率电子器件和光电子器件的制造，纳米材料的制备和器件的开发，照明光源和紫外光源的开发，有毒有害气体的分解净化及其它三废处理等多个工业技术领域。例如微电子器件的等离子体加工工艺绝大部分都是用微波等离子体设备来实现的。光学级和微电子级的金刚石薄膜通常也是用微波等离子体化学气相沉积工艺来制备的。光纤的制造和平面光波导器件加工也是用微波等离子体技术来实现的。等等。微波等离子体在高技术产品的等离子体加工技术中将越来越起到主导作用。

等离子体

丁香通

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周锦帆