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等离子体的工业化应用

等离子体的工业化应用

1.LSI制造工艺中的等离子体刻蚀法

LSI制造中的基本工序:首先,准备好单晶硅棒的切片作为基板(直径20-30cm),然后在基板上根据用途形成金属(用于布线的Al等)或电介质(用于层间绝缘或形成栅极的SiO2等)等材料的薄膜。下一步,从在旋转器上回旋的基板上方滴下光刻胶(也称为光致抗蚀剂),形成感光膜,其成分是碳水化合物的聚合膜(CnHm)。接下来,把预先用计算机制作好的巨大的图纸(电路)缩小,制成掩膜版(负片)。然后让紫外线照射掩膜版进行曝光,再把感光部分用专用的显影液冲洗,这样就完成了电路的转印。这几个步骤合起来叫做光刻工艺。剩下来的这种图案,是通过感光形成的而且在下一步的工序中起遮挡作用,所以被称为光致抗蚀剂。下一步,在高活性的等离子体氛围中,对没有覆盖光刻胶的薄膜进行刻蚀,然后用氧等离子体除掉抗蚀剂,这样我们就得到了作为最终电路模式之一的薄膜形式。

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2.非晶硅薄膜的等离子体CVD制备法

化学气相沉积(CVD)是在基板上提供工作气体,通过气相中或基板表面所发生的化学反应而沉积成膜的方法。等离子体CVD是在常温容器中产生放电、通过电子碰撞使气体分解来生成活性种,所以基本上是低温工艺。其节能、低成本的优点被最大限度地应用于采用大面积(可达1m2)薄膜的巨型电子设备,如太阳能电池、液晶显示的薄膜晶体管的制作工艺中。液晶显示板的工作原理是使用等离子体CVD和刻蚀工艺制作的TFT(薄膜晶体管),控制加在每个象素点所在的液晶层上的电压,使背光源的白色光通过偏光板、滤色片而分解成红绿蓝3原色光。面积为730×920mm的显示板的批量生产从2000年开始,一张板上TFT的总数可达到300万个。另一方面,太阳能电池以其环保优势而有望成为一种绿色能源,目前人们正在继续致力于采用等离子体CVD的大面积硅薄膜制备的高速化、高品质化以及低成本化。太阳能电池和用于液晶的TFT所必须的大面积硅薄膜可以通过等离子体CVD在玻璃基板上直接制成。

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3.等离子体显示器

PDP与传统的显像管电视相比,容易实现大画面以及薄形化;与液晶电视相比,由于PDP 是主动发光而不需要背光源,所以具有宽视角等优点。PDP的原理是用氙气放电发出的紫外线照射荧光体,转变成红绿蓝的可见光。放电单元的尺寸很小,约为1-100um,其间密封有将Xe(或者He)稀释为5%左右的混合气体,压强接近大气压(P=70KPa)。

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4.静电除尘装置与空气清洁器

煤炭火力发电站、炼铁厂、废弃物燃烧炉等锅炉排放出的燃烧气体中含有大量的微粒(灰尘、烟雾)。人们很早就开始使用静电除尘装置收集、消除这些微粒。基本原理是利用大气压下电晕放电生成的非平衡等离子体。设置两块相距为30cm的接地平板(除尘板),在平板之间的放电棒下挂有树根细放电线(直径=2mm),当含有微粒的燃烧排放气体从两块除尘板之间流过时,电子会附着在这些微粒表面使之带上负电。带电微粒在强电场的作用下被除尘板所吸引,最后被收集在平板上。

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5.臭氧发生器

当大气中出现电火花时,有时会散发出一种独特的带有刺激性的味道。这种有味道的气体就是由3个氧原子所构成的臭氧(O3)。由于臭氧具有强氧化性,所以人们很早就开始研究了用放电的方法生成臭氧和对恶臭源进行氧化分解的除臭技术。近年来开发的工业用的大型臭氧发生器被广泛地应用在杀菌、氧化、脱色、除臭等。产生臭氧的方法是介质阻挡放电。将玻璃等介质覆盖在两块平行板电极上,从左向右通入接近大气压强的干燥空气或者氧气。在两电极之间加上10KV左右的交流电压(频率为50Hz到10KHz),便会在很短的时间内出现时有时无的微小放电柱。介质阻挡等离子体中的电子与氧气分子发生碰撞,发生离解反应生成氧原子。这些氧原子又通过三体碰撞反应生产臭氧。

柴油汽车的尾气处理经常采用的方法是,通过介质阻挡放电使NO变成NO2,然后用金属氧化物催化剂除掉NO2。

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6.城市垃圾的热等离子体处理技术

普通城市垃圾在800-900度的燃烧炉中燃烧后残余的灰烬,或者静电除层装置收集的灰尘中,均含有重金属类物质或二恶英类有害物质。人们正在寻求这些有害物质的分解、无害化以及控制排放的有效方法,另外,目前人们正试图把燃烧灰烬在高温中熔化,然后使之固化,用于填海或作为土木材料而实现再生利用。燃烧灰烬的主要成分是二氧化硅、二氧化铝、氧化钙等,它们的熔点均高达1100度以上。用大气压下的直流电弧等离子体作为熔化它们的热源。

利用压缩空气作为放电气体、石墨作为阴极,当给金属圆筒加上正电压后,就有象喷焰一样的电弧等离子体从圆筒吹出到达阴极容器。投放到这个容器中的燃烧灰烬被高温高密度的等离子体熔化,低沸点的物质成为气体被排出,99。9%的二恶英类物质能被分解。高熔点的金属氧化物经还原反应被分解为原子,作为金属而被熔化。

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