等离子体化学与工艺

1、第三章等离子体的发生获取plasma的方法和途径很多。涉及经典的微观过程，物理效应和实验方法。3.1 等离子体的主要发生方法P107图3.13.1.1气体放电法（1） 常用的电场类型：（按电场的频率不同：直流放电，低频，高频，微观放电等）a：直流：简单易行b：低频：c：高频：，属于无线电波频谱范围，故称射频放电RF放电，常电为d：微波：超过 (放电)，它能导致电子回旋共振，增加放电频率，有利于提高工艺质量。（2） 主要放电形式P109图3.2， P111表3-1（3） 电场和气压对等离子体的性质的影响P111图3.3a：注意:在低压，强电场条件下，电流密度小时容易产生辉光放电，电流密度增大到一

2、定值后过度到弧光放电。b：若一个大气压或更高的气压下，可不经过辉光放电直接从电晕放电过度到弧光放电。（4） 等离子体温度与气压的关系：P112图3.4 3.1.2射线辐照法P1123.1.3光电离法当入射光子的能量大于某种原子或分子的电离能时，即，便能发生光电离： 很多元素第一电离势约为610ev,即需用远紫色到软X射线范围。采用真空紫外光。3.1.4激光等离子体（激光诱导）只要光子的能量之和大于或等于电离能，电离过程便能发生。注意：由于单光子能量小于原子，分子的电离能，如红宝石激光器的波长是，单光子能量只，因此单光子电离是不可能的。P114 表3-2给出光子数s值。3.1.5热电离法：主要由

3、相互碰撞引起电离3.2汤生放电理论3.2.1汤生第一电离系数：1：汤生第一电离系数：在放电过程中，设每个电子沿电场方向移动距离时与气体分子或原子碰撞所产生的平均电离次数为,则叫汤生第一电离系数.2:影响的因素:(1):电子从电场中获取的能量在每次碰撞中损失怠尽(2):若电离的几率只取决于电子能量时:a:E电子能量<E电离能,电离几率为0b: E电子能量> E电离能,电离几率为1这时引入自由程,即电子行进距离时与气体分子的碰撞次数为(3):在上述N次碰撞中,只有电子能量大于或等于分子电离能的碰撞才能引起电离。设自由程为i时电子从电场获取的能量恰好等于电离能，即i满足eEi=evi，i

4、 = ,vi为气体分子的电离电位。(4)这时自由程大于或等于i时电子获取电离所需的能量。由分子运动论，在N次碰撞中，自由程大于或等于碰撞次数应该为(5)这时按照汤生系数的定义知: 或者 (6)进一步分析：引入A为气压为1.33时电子在每厘米过程中与分子的碰撞次数，这时在压力为P 时的碰撞次数为即 得到与放电条件P ,E的关系。其中和与气体种类有关。（7）进一步引入常数，上式可写为或记为,即是的函数（8）电离效率：单位电位降上的电力次数为:或者记为对上式求微商对得到取极大值条件为或者这个为电子碰撞电离效率最大时的压力最佳值。这时的极大电离效率为：3.2.2电子数目增长函数（1）设为第一电离系数：

5、表示每个电子在沿电场方向的行程中产生的平均碰撞电离次数。则在行程中碰撞电离的次数为：（2）这样可得n个电子在行程中所能产生的电子数为:时积分: 当E恒定，P和T不变时，即为定值所以，匀强电场中的电场数目增长函数表明了电子数目随通过的距离按指数关系增长。同理可得，这为电流密度的增长规律。（3）到达阳极的电子数目和电流密度： 若改变阳极距离和，则可测得和，即可求得其中为初始电子流密度的值。（5） 自持放电和非自持放电：P124从上分析可知，不论取何值，若不存在时即（外界电离剂停止作用）有，即放电停止。这为非自持放电。要进行自持放电，必需要有除电子碰撞电离机制外的其他因素。3.2.3自持放电条件和自

6、持电流在图3.2中（P109）当伏安曲线越过击穿点B时，外界电离剂停止后，也可放电，这为自持放电P124的解释一:子碰撞引起的电离，即过程a：是正离子碰撞电离系数，指一个离子在电场方向1cm行程中与气体分子碰撞所产生的平均电离次数，按图3.8描述P122b：当面所在位置为处时，圆筒中单位时间内流向阳极的电子数为：n=n0+np+nq,其中n0为外界电离剂单位时间,单位面积发射的电子数, np是在0x区间内的圆筒部分中产生的电子数, nq是在xdx区间内产生正离子数,同时产生nq个电子。c:下面分析电子和离子对电离的贡献:1:电子对间:将有n0+np个电子从左向右进入中,这时碰撞电离为2: 离子

7、对间:另外有nq个正离子从右向左进入内,由这些离子产生的电离为3:单位时间在区间内产生的总电子数为(np的增量)又消去上式中的可得: (3.23)P1254:考虑到初始和边界:,积分上式整理得 (3.25)即为单位时间到达单位阳极面积上的电子数。讨论:当令,得到与前面仅考虑到电子碰撞时结果一致。5:自持放电的判断根据:若所有粒子是一级电离且漂移速度相同,那么电流密度为:由 （3.26）（*）式中为电流密度倍增率.当分母为0时,i为无限大,这就是自持放电的判据;即 （3.27）或者记为 （3.28）(*) 实验知:在同一电场同一长度上电子碰撞电离要比分子碰撞电离步骤繁得多.即,这时(3.25)(

8、3.26)可变为: （3.29）要达到击穿,即为自持放电时:，由于离子引起的效应较小，仅靠过程远不能满足自持放电要求。二:阴极发射二次电子的作用:1: :正离子轰击阴极时,阴极发射二次电子的几率为设为电离剂的初始电子,为 效应后阴极发射的总电子,为到达阳极的电子数。整理得: （3.30）2:因为 将正离子碰撞电离略去不计,利用(3.17)式,有 （3.31）将(3.30)代入(3.31)整理得到为: （3.32）同理可得: （3.33）与前面讨论过程中的电流时条件相似,即上式分母为0时,i将无限大,即这样得到自持放电条件为: （3.34）P127物理意义3.3帕邢定律 气体击穿电压与放电条件的

9、关系3.3.1气体击穿电压:1:气体击穿电压是放电开始所必需的最低电压. 在一定的放电气压范围内, 是气压和极间距离乘积的函数,即: = - 帕邢定律P128图3.9 -几种气体放电的帕邢曲线.2:从中可见, 存在一极小值.从中还可见:p， d ,反应p ，d 3.3.2帕邢定律表达式由P128(3.37)式的击穿判据整理得: （3.38）又由(3.6)式：,在击穿时,是击穿电压,且这样可得(3.38)式变为: （3.39）设为常数, （3.40）这就是帕邢定律的表达式，其中为汤生第二电离系数。讨论1:在低气压下气体分子数少,则电子平均自由程大,即大部分电子并未跟气体分子发生碰撞便非抵阳极了,

10、这时只有增大电压,产生足够多的电离以使气体击穿。且2:在高压下,分子数多, 小,电子与气体分子碰撞频繁,即电子难以获得足够能量引起电离.这时也需要提高电压,即3:气体击穿电压极小值:对(3.40)的求微商令为,得到取极值的条件,整理得到第四章 辉光放电过程的应用与解析4.1直流辉光放电概述（主要讨论P109图3.2中的G区放电）4.1.1放电区结构和总体特征:P133图4.1(a):简示图(b)发光强度：负辉区最亮,阴极暗区最弱(c)电位(d)电场(e)电间电荷密度：（正离子和电子）(f)电流密度4.1.2略4.2应用型短间隙异常辉光放电过程解析P133图4.1是电极间距远大于电极尺寸的结果,

11、在等离子体化学的应用中,采用极间距离小得多。P136图4.24.3高频辉光放电应用解析高频放电一般是指放电电源频率在兆赫兹,应用极广。4.3.1高频等离子体的发生方法:1.类别:外电极和内电极。有电容耦合和感应偶合之别。2.放电管是反应器3.外电极式:电容耦合式:P155图4.9 电感感应耦合式优点无溅射污染易于移动线圈和电极位置等离子密度较高(1091010cm-3),要更高即用微波放电(10121014cm-3)4内电极式:主要是采用平行板模型P156图4.104.3.2高频等离子体反应装置的等效电路:P157图4.11(a)4.3.3电场频率对气体放电机制的影响：频率对放电影响主要是击穿

12、机制发生了变化一：放电不受频率的影响：条件：电极间的带电粒子必须在周期内完全进入电极。这就是在极间不形成空间电荷（若存在空间电荷，击穿机制发生变化）讨论：（1）设电场，极间距离，为正粒子迁移率则电压峰值之后，正粒子移动的距离为（2）在周期正粒子从极间消失的最高频率：由，代入得：电子换向之前的最长时间即：代入得到即电场频率时，正离子便会有足够的时间从电极间隙中移去。（3）极间距的最大允许值： 如，电场换向之前正离子也不能完全到达阴极而消失。二：放电受频率影响：（1）当在给定d值条件下：时，电极间会存在部分空间电荷。频率增加，使得在T/2时间内，即时，正离子刚好来回通过间隙一次又不及到电极，这为临

13、界频率，记为，且* 当电场时正离子将在电极间来回振荡。产生电荷积累，从而形成新的击穿机制。（注意电极上的过程正离电离率大大减小）（2）当增大时，电子也会出现类似于正离子的情况，达到电子的临界状态和临界频率：，这样会产生越来越多的电离气体击穿放电。P160（1）迁移过程控制（2）扩散过程控制P161给出四类放电形式（引入电离频率）1） （电离频率）：击穿机制与静态相似2） ：正离子不能达到电极3） ：电子也不能达到电极，击穿受扩散过程控制。4） 微波段：时，电子处在电磁场振荡的驻波影响下，便属于微波放电了。（3）放电与气压P有关：即的函数关系*注意P162图4.124.3.4高频放电的效率高频比

14、直流辉光放电有效得多（1）频率下降，维持自持放电的气压明显下降：f=13.56MHz时，P可低于（2）P相同时，高频放电的放电阻抗比直流放电减小。（3）计算频率对电子运动的影响：P163设高频场：可以得到：*电子速度比电场滞后位相*在无碰撞时：电子振幅为，动能为*当时，P163表4-4为电子振荡的振幅和最大动能注：Ar电离时，电子至少获得P49，表2-1*增强电离机制：电子发生弹性碰撞时间电场位相理想时：电子与原子弹性碰撞后改变运动方向的时间，恰好电场反向。注：微波放电产生大量的电离主要是此缘由。一般频率在数千兆Hz最有利*“冲浪”效应：P1644.3.5为何采用高频放电P165高频放电的优点

15、：（1）无电极放电获得纯净等离子体 （2）增强电离提高放电效率，等等 （3）当电极上覆盖绝缘性物质时，就非采用高频放电不可。原因见P166，（1），（2），（3）图4.14*：P167最后一段4.4微波放电等离子体简介P168它是将微波能量转换为气体分子的能量，使之激发，电离以产生等离子体。通常采用的频率是2450MHz，属分米波段（2.45GHz）4.4.1微波等离子体的发生方法：P181图4.27微波放电装置特点：无电极，功率纯局部集中，能获得高密度等离子体。 增加：“等离子体加工技术”书P41：一：微波系统中传输的模式：郭硕鸿电动力学P150152关于TE10波的讨论：系统中能传输的微波

16、模式与波导的形状及尺寸有关：1：矩形波导内传输的微波模式设矩形波导的长为a，宽为b，据波导管表面的切向电场分量和垂直磁场分量必须是零的边界条件：求出横电波，横磁波模式的截止波长：其中m，n是模式指数。截止波长是波导内传播的最大波长，不同组合的模式指数（m,n）对应于一系列截止波长。若矩形波导a，b确定，即输入的波长也就确定。 这时输入的波长应该是：即输入波长应该小于截止波长，即只有小于和模式才能通过。 若要使矩形波导内传输最低阶模式则：，(使得不能传播) (使得最低模式都不能传播),若,对应波长要保证传输,要求: 。这时用的BJ22型波导就能满足要求。2:在气体放电中，希望系统内模越单越好,又因输入微波能量集中在最低场模,可以建立最强的电场,一般采用能通过的最低模式的波作为微波放电的模式。3:图形波导内的传输模式理论较为复杂,用到数理方法等知识,仅作定性讨论。在