等離子體產(chǎn)生技術(shù)1

等離子體產(chǎn)生技術(shù)1等離子體的生成方法直流放電交流放電直流輝光放電空心陰陰放電直流脈沖放電電弧放電磁控管放電電容耦合放電感應(yīng)耦合放電介質(zhì)阻擋放電微波放電表面波放電等離子體產(chǎn)生技術(shù)1本講安排等離子體的生成方法——交流放電

電容耦合放電感應(yīng)耦合放電

等離子體產(chǎn)生技術(shù)1為什么選擇交流放電？直流放電存在的問題電極材料損傷存在電弧放電等離子體密度不易調(diào)節(jié)工業(yè)等離子體應(yīng)用時等離子體的參數(shù)要求溫度低密度高覆蓋面大等離子體產(chǎn)生技術(shù)1為什么選擇交流放電？高頻放電或微波放電方法的優(yōu)點(diǎn)可保持較低的等離子體－電極間電位差有利于提高功率，并提高電子的能量吸收效率使低氣壓下產(chǎn)生高密度等離子體成為可能等離子體產(chǎn)生技術(shù)1常見的低溫等離子體放電裝置–靜電耦合主要利用靜電場成份來加速電子，又稱電容耦合放電–感應(yīng)耦合利用感應(yīng)電場成份，無外加磁場時產(chǎn)生感應(yīng)耦合放電，有外加磁場時螺旋波放電–電磁波耦合利用電磁波成份為等離子體提供能量，無外加磁場時耦合方式為表面波放電，有外加磁場時可以產(chǎn)生電子回旋共振(ECR)放電等離子體產(chǎn)生技術(shù)1幾個相關(guān)的概念低頻——<1000Hz高頻——>10000Hz射頻——>300kHz(30kHz<長波<300kHz)阻抗——在給定線路參數(shù)的無限長傳輸線路上，行波的電壓與電流的比值等離子體產(chǎn)生技術(shù)1阻抗匹配——輸出、輸入阻抗的共軛匹配輸出阻抗：Ro=X+jY輸入阻抗：RI=X-jY即要求輸出、輸入阻抗互為共軛復(fù)數(shù)RoRI等離子體產(chǎn)生技術(shù)1電容耦合等離子體（Capacitivelycoupledplasma,CCP）CB：直流隔離電容，M.B.(MatchingBox)：匹配器典型參數(shù)：壓強(qiáng)10～1000Pa，電極間距1～5cm，高頻功率20～200W，高頻頻率13.56MHz等離子體產(chǎn)生技術(shù)1等離子體產(chǎn)生技術(shù)1自給偏壓(Self-bias)–由于A電極接地，其有效面積大于K電極，形成非對稱放電–在只有交流電壓的K電極上會自動生成負(fù)直流電壓VDC（即自給偏壓）–CB的存在，保證了VDC不為零，VDC<0–VK(t)=VDC+VRFsinωt–實(shí)質(zhì)上是鞘層起到類似二級管的整流作用–離子響應(yīng)慢，受平均電位分布作用，在自給偏壓作用下撞擊K電極等離子體產(chǎn)生技術(shù)1外加高頻電場對電子的加速作用，電子吸收高頻功率有三種機(jī)制：等離子體區(qū)域的焦耳加熱（α放電，有碰撞）鞘層內(nèi)二次電子逸出后被加速（γ放電，無碰撞）由于鞘層振蕩產(chǎn)生的統(tǒng)計加熱（費(fèi)米加速）高頻放電的功率輸入機(jī)理鞘層厚度由高頻電壓所決定，若Vrf一定而改變頻率f，則鞘層邊界的移動速度跟f成正比。因此統(tǒng)計加熱的功率正比于頻率的平方，所以在Vrf—定的條件下放電頻率越高，等離子體密度就越高；等離子體產(chǎn)生技術(shù)1高頻放電的優(yōu)點(diǎn)–容易產(chǎn)生大口徑等離子體；–在加有高頻(RF)電壓的電極上會產(chǎn)生負(fù)直流電壓（自給偏壓），可加速正離子轟擊K電極，也可用于加工工藝；–可通過雙高頻電源方案同時控制離子轟擊能量（自給偏壓）和離子通量（等離子體密度）；（一般，放電用高頻電壓采用較高頻率13.56～60MHz，控制自給偏壓的電極采用較低頻率0.5～2.0MHz）–即使絕緣膜堆積在電極上，也可以穩(wěn)定地維持等離子體狀態(tài)等離子體產(chǎn)生技術(shù)1介質(zhì)阻擋放電金屬電極表面伴隨二次電子發(fā)射同時還有濺射與沉積等作用，使電極損傷高氣壓放電等離子體產(chǎn)生技術(shù)1大氣壓下輝光放電的困難輝光放電的實(shí)驗(yàn)表明：若保持電流不變，電流密度：

即：電流通道的橫截面積將隨著氣壓的增大而急劇減小大氣壓下氣體間隙擊穿時通?？吹降氖墙z狀放電（也稱流注）及其進(jìn)一步的發(fā)展－－電弧放電。為了在高氣壓下不產(chǎn)生絲狀放電，必須需控制電子雪崩地放大以免它增長過快。實(shí)現(xiàn)大氣壓下輝光放電的可能途徑在大氣壓下放電：

a.選擇低擊穿場強(qiáng)的工作氣體如氦氣、氬氣等

b.采用合適的交流電源，實(shí)現(xiàn)離子捕獲(ion-trapping)利用外部電路限制電流密度的增長如介質(zhì)阻擋放電 等離子體產(chǎn)生技術(shù)1介質(zhì)阻擋放電典型結(jié)構(gòu)等離子體產(chǎn)生技術(shù)1介質(zhì)阻擋放電的基本特征介質(zhì)阻擋放電可以用頻率從50Hz到MHz級的高電壓來啟動。在大氣壓強(qiáng)(105Pa)下這種氣體放電呈現(xiàn)微通道的放電結(jié)構(gòu)，即通過放電間隙的電流由大量快脈沖電流細(xì)絲組成。電流細(xì)絲在放電空間和時間上都是無規(guī)則分布的，這種電流細(xì)絲就稱為微放電，每個微放電的時間過程都非常短促，壽命不到10ns，而電流密度卻可高達(dá)0.1到1kA／cm2。圓柱狀細(xì)絲的半徑約為0.1mm。在介質(zhì)表面上微放電擴(kuò)散成表面放電，這些表面放電呈明亮的斑點(diǎn)，其線徑約幾個毫米。等離子體產(chǎn)生技術(shù)1介質(zhì)阻擋材料——玻璃、石英、陶瓷以及聚合物等，有時還采用一些具有保護(hù)涂層或者其他功能涂層如駐極體材料等。介質(zhì)阻擋放電驅(qū)動電壓頻率范圍為50Hz～10MHz。放電電壓范圍為幾百伏特到幾千伏特。根據(jù)不同的應(yīng)用背景，放電間隙為0.1mm～幾cm。放電氣體可以流動，也可以循環(huán)使用，也可靜止。放電氣體可以是惰性氣體如He、Ne、Ar，可以是分子氣體如氮?dú)?、氧氣、空氣，也可以是其他反?yīng)性氣體如CCl2F2,CClF3andCHClF2DBD的一些基本原則等離子體產(chǎn)生技術(shù)1絲狀放電模式等離子體產(chǎn)生技術(shù)1

空氣(均勻輝光放電)等離子體產(chǎn)生技術(shù)1等離子體產(chǎn)生技術(shù)1(高頻)交流放電的阻抗匹配(續(xù))

實(shí)際上，為了不使回路中流過較大的高頻電流，通常是把高頻發(fā)生器的輸出阻抗設(shè)計城純電阻的．阻值大都為50歐姆．但一般來說，高頻放電阻抗為電容性阻抗，且其值將隨氣壓等放電條件而變化．這就需調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗和放電阻抗相加合,使加合后的模擬負(fù)載的阻抗與高頻發(fā)生器輸出阻抗相一致，這樣就實(shí)現(xiàn)匹配了．也就是說實(shí)際上要根據(jù)放電條件來調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)。另外,高頻放電回路的連接,要盡量減少引線電感.等離子體產(chǎn)生技術(shù)1感應(yīng)耦合等離子體(Inductivelycouples

plasma,ICP)–交變磁場感應(yīng)電場在等離子體內(nèi)部產(chǎn)生渦流等離子體產(chǎn)生技術(shù)1–環(huán)繞線圈通13.56MHz高頻電流–等離子體中的電子受感應(yīng)電場作用被加速–由于碰撞的存在，電子將吸收的電磁能轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生焦耳加熱。–ICP可在1～40Pa范