等离子体产生技术1

等离子体产生技术1等离子体的生成方法•直流放电•交流放电•直流辉光放电•空心阴阴放电•直流脉冲放电•电弧放电•磁控管放电•电容耦合放电•感应耦合放电•介质阻挡放电•微波放电•表面波放电本讲安排•等离子体的生成方法——交流放电电容耦合放电感应耦合放电为什么选择交流放电？•直流放电存在的问题–电极材料损伤–存在电弧放电–等离子体密度不易调节•工业等离子体应用时等离子体的参数要求–温度低–密度高–覆盖面大为什么选择交流放电？•高频放电或微波放电方法的优点–可保持较低的等离子体－电极间电位差–有利于提高功率，并提高电子的能量吸收效–率–使低气压下产生高密度等离子体成为可能常见的低温等离子体放电装置–静电耦合主要利用静电场成份来加速电子，又称电容耦合放电–感应耦合利用感应电场成份，无外加磁场时产生感应耦合放电，有外加磁场时螺旋波放电–电磁波耦合利用电磁波成份为等离子体提供能量，无外加磁场时耦合方式为表面波放电，有外加磁场时可以产生电子回旋共振(ECR)放电几个相关的概念•低频——1000Hz•高频——10000Hz•射频——300kHz•(30kHz长波300kHz)•阻抗——在给定线路参数的无限长传输线路上，行波的电压与电流的比值•阻抗匹配——输出、输入阻抗的共轭匹配输出阻抗：Ro=X+jY输入阻抗：RI=X-jY即要求输出、输入阻抗互为共轭复数RoRI电容耦合等离子体（Capacitivelycoupledplasma,CCP）CB：直流隔离电容，M.B.(MatchingBox)：匹配器典型参数：压强10～1000Pa，电极间距1～5cm，高频功率20～200W，高频频率13.56MHz自给偏压(Self-bias)–由于A电极接地，其有效面积大于K电极，形成非对称放电–在只有交流电压的K电极上会自动生成负直流电压VDC（即自给偏压）–CB的存在，保证了VDC不为零，VDC0–VK(t)=VDC+VRFsinωt–实质上是鞘层起到类似二级管的整流作用–离子响应慢，受平均电位分布作用，在自给偏压作用下撞击K电极•外加高频电场对电子的加速作用，电子吸收高频功率有三种机制：–等离子体区域的焦耳加热（α放电，有碰撞）–鞘层内二次电子逸出后被加速（γ放电，无碰撞）–由于鞘层振荡产生的统计加热（费米加速）高频放电的功率输入机理鞘层厚度由高频电压所决定，若Vrf一定而改变频率f，则鞘层边界的移动速度跟f成正比。因此统计加热的功率正比于频率的平方，所以在Vrf—定的条件下放电频率越高，等离子体密度就越高；高频放电的优点•–容易产生大口径等离子体；•–在加有高频(RF)电压的电极上会产生负直流电压（自给偏压），可加速正离子轰击K电极，也可用于加工工艺；•–可通过双高频电源方案同时控制离子轰击能量（自给偏压）和离子通量（等离子体密度）；（一般，放电用高频电压采用较高频率13.56～60MHz，控制自给偏压的电极采用较低频率0.5～2.0MHz）•–即使绝缘膜堆积在电极上，也可以稳定地维持等离子体状态介质阻挡放电•金属电极表面伴随二次电子发射同时还有溅射与沉积等作用，使电极损伤•高气压放电大气压下辉光放电的困难•辉光放电的实验表明：若保持电流不变，电流密度：即：电流通道的横截面积将随着气压的增大而急剧减小2cJp大气压下气体间隙击穿时通常看到的是丝状放电（也称流注）及其进一步的发展－－电弧放电。为了在高气压下不产生丝状放电，必须需控制电子雪崩地放大以免它增长过快。实现大气压下辉光放电的可能途径1.在大气压下放电：a.选择低击穿场强的工作气体如氦气、氩气等b.采用合适的交流电源，实现离子捕获(ion-trapping)2.利用外部电路限制电流密度的增长如介质阻挡放电介质阻挡放电典型结构介质阻挡放电的基本特征•介质阻挡放电可以用频率从50Hz到MHz级的高电压来启动。•在大气压强(105Pa)下这种气体放电呈现微通道的放电结构，即通过放电间隙的电流由大量快脉冲电流细丝组成。•电流细丝在放电空间和时间上都是无规则分布的，这种电流细丝就称为微放电，每个微放电的时间过程都非常短促，寿命不到10ns，而电流密度却可高达0.1到1kA／cm2。圆柱状细丝的半径约为0.1mm。在介质表面上微放电扩散成表面放电，这些表面放电呈明亮的斑点，其线径约几个毫米。1.介质阻挡材料——玻璃、石英、陶瓷以及聚合物等，有时还采用一些具有保护涂层或者其他功能涂层如驻极体材料等。2.介质阻挡放电驱动电压频率范围为50Hz～10MHz。3.放电电压范围为几百伏特到几千伏特。4.根据不同的应用背景，放电间隙为0.1mm～几cm。5.放电气体可以流动，也可以循环使用，也可静止。6.放电气体可以是惰性气体如He、Ne、Ar，可以是分子气体如氮气、氧气、空气，也可以是其他反应性气体如CCl2F2,CClF3andCHClF2DBD的一些基本原则丝状放电模式空气(均匀辉光放电)(高频)交流放电的阻抗匹配(续)实际上，为了不使回路中流过较大的高频电流，通常是把高频发生器的输出阻抗设计城纯电阻的．阻值大都为50欧姆．但一般来说，高频放电阻抗为电容性阻抗，且其值将随气压等放电条件而变化．这就需调节匹配网络的阻抗和放电阻抗相加合,使加合后的模拟负载的阻抗与高频发生器输出阻抗相一致，这样就实现匹配了．也就是说实际上要根据放电条件来调节匹配网络。另外,高频放电回路的连接,要尽量减少引线电感.感应耦合等离子体(Inductivelycouplesplasma,ICP)–交变磁场感应电场在等离子体内部产生涡流–环绕线圈通13.56MHz高频电流–等离子体中的电子受感应电场作用被加速–由于碰撞的存在，电子将吸收的电磁能转移，产生焦耳加热。–ICP可在1～40Pa范围内产生密度达1018m-3，直径达30cm的等离子体–等效电路以天线为变压器的初级绕组，等离子体圆环（具有一定趋肤深度δ,截面积为S，圆周长为l）作为次级绕组ICP原理及等效电路感性放电与容性放电的转换•互相耦合•滞回现象