《功能薄膜技术》课件07 等离子体技术基础

1、等离子体技术基础7.1 等离子体的基本概念7.2 等离子体的分类7.3 低温等离子体的产生7.1 等离子体的基本概念物质四态： 固体、液体、气体和等离子体 多种薄膜制备方法中涉及等离子体，如溅射、等离子体化学气相沉积（PECVD）、脉冲激光沉积（PLD）等都是在等离子体中实现薄膜沉积的。等离子体的概念： 等离子体可以利用气体放电来形成。 等离子体是由大量带电粒子和中性粒子所组成的准电中性的宏观体系。 等离子体的温度： 等离子体中包含有电子、离子和大量的多种中性粒子或基团。体系常处于非平衡态，因此电子、离子和粒子的温度各不相同。 电子温度Te、离子温度Ti、中性粒子温度Tn等离子体的密度 等离子

2、体由电子、离子和中性粒子组成，其中带电粒子是电子和离子。除了氧气和氯气等电子亲和力大的气体等离子体外，离子通常带正电荷。准中性条件： ne=ni=n 其中ni为离子密度， ne为电子密度，n为等离子体密度。 因而，虽然等离子体由带电的电子和离子组成，但是其整体呈电中性，所以叫等离子体。等离子体振荡 由于粒子密度的起伏，在等离子体空间形成电场，导致电子以某个特定的频率围绕着平衡位置振荡，这就是等离子体振荡。角频率：频率：电子振荡角频率：离子振荡角频率：电子质量me很小，所以频率很高。例如在ne=1010/cm3的等离子体中fpe=898MHz，在微波频段。德拜长度 等离子体是导体，在一定的空间范

3、围内可以屏蔽电场，等离子体中带电粒子的库仑力的作用范围是有限的，可用德拜长度表示：德拜长度随电子密度的增加而减少。当系统的几何线度即 时，系统内包含的电离气体才能被看成等离子体。德拜长度表示了维持等离子体宏观电中性的空间特征尺度。等离子体的分类 在薄膜材料制备中所采用的主要是通过低气压辉光放电产生的低温等离子体低温等离子体 在化学气相沉积、溅射镀膜等薄膜制备技术中，主要使用的是低气压辉光放电等离子体。放电特征为高电压（几百伏）、小电流（几十毫安）。放电气压：10-1102Pa等离子体密度：10101012/cm3电子温度几个eV低温等离子体中的电子温度与离子和气体之间没有达到热平衡，为非平衡态

4、等离子体。低温等离子体中的各种温度关系为 TeTi=Tg热等离子体 在高气压中形成弧光放电，这种放电的特征是低电压（几伏几十伏）、大电流（几安培几百安培）。在弧光放电等离子体中，电子与离子和气体离子的碰撞频率高，各种粒子的温度趋于平衡，即TeTiTg。中性粒子被加热。低温等离子体的产生 低温等离子体可以在低气压下，使用直流、交流、射频、微波以及光波电场激励气体放电产生。1. 直流放电击穿2. 高频放电击穿 高频放电是通过高频电场来产生的。如果用石英玻璃作为放电管，则高频放电等离子体产生装置如下图所示。高频等离子体装置通常有两种功率耦合方式：1）电感耦合2）电容耦合常用的放电电源频率为13.56MHz，所以称为射频放电。3. 微波放电电路如下图所示。微波的发生源常采用磁控管，使用频率一般为2450MHz。 当电子的回旋频率与输入的微波频率相同时，电子的回旋加速运动与微波发生共振。微波能量高效率地耦合给