電容感應(yīng)耦合放電

1、2.2 電容耦合射頻放電為了維持直流輝光放電，電極必須是可導(dǎo)電的。如果其中一端或兩端電極都不可導(dǎo)電，如當輝光放電用于絕緣材料的光譜化學(xué)分析或介質(zhì)薄膜的沉積，此時電極表面附著絕緣材料，電極因正負電荷的積累而充電，輝光放電熄滅。為了解 決這個問題，可以在電極間加交流電壓，這樣，每個電極都可以充當陽極和陰極，在電壓正半周期時積累的部分電荷將會在電壓負半周期時被抵消。通常，電壓頻率為射頻范圍（1kHz-kHz，常見頻率為13.56MHz）。嚴格的說，在其他電壓頻率時，也會產(chǎn)生電容耦合放電，所以稱其為交流放電更合適。另外，頻率應(yīng)該很高，這樣半個周期才會比絕緣體充滿電的時間短。否則，電極將會相繼呈相反極性

2、，引起短暫放電，而不是持續(xù)放電。由計算可得，當所加電壓頻率大于100kHz時，放電能持續(xù)。實際上，很多射頻輝光放電過程產(chǎn)生于13.56MHz。因為該頻率是國際通信局規(guī)定的，其在傳播一定能量的時候不會對通信產(chǎn)生干擾。此時需要強調(diào)，所謂電容耦合，指的是將輸入功率耦合為放電一種方式，也就是說，利用兩個電極及其鞘層形成一個電容。后面會講到，射頻功率也可以利用其它方法耦合放電。在典型射頻頻率下，電子和離子的行為完全不同，這可通過它們不同的質(zhì)量解釋。電子質(zhì)量小，可以跟得上射頻電壓產(chǎn)生的時變電場的變化。實際上，電子的固有頻率，或所謂的電子等離子體頻率為： （Hz） （1）用表示。當電子密度從變化到時，等離子

3、體頻率由9×變化至3×Hz，比13.56MHz大很多。如果電壓頻率小于離子等離子體頻率，離子可以跟得上鞘層內(nèi)的電場的變化。由于離子等離子體頻率與質(zhì)量呈反比，電子可以跟的上典型射頻時電場的變化，而離子只能跟得上隨時間均勻變化的電場。電容耦合射頻放電的另一個重要的方面是，自給偏壓現(xiàn)象，也是由電子和離子質(zhì)量的不同引起的。當兩電極大小不同時，或當射頻電源與電極之間形成耦合電容時，或電極是絕緣的（因為可以把它當作電容），自給偏壓也稱直流偏壓便會形成。當在由電極形成的電容上施加一方波（見圖3）時，等離子體電壓值將達到所加電壓的值。當所加電壓剛開始為正時，如圖3，電子將加速向電極運動。因

4、此，電容將通過電子電流迅速充電，等離子體電壓下降。半個周期后，所加電壓極性改變時，等離子體電壓改變相同的數(shù)值（即施加電壓幅值的2倍）。電容此時通過離子電流已充電完成，等離子體電壓將下降，但比先前下降的少，因為離子的遷移率較低，導(dǎo)致離子流通量較小。又經(jīng)過半個周期時，電壓極性改變，同樣等離子體電壓極性也改變。此時，等離子體電壓下降更快，因為電容因電子流又充滿了電。此過程周而復(fù)始，直到電容最終充滿足夠的陰極電荷，此時電子和離子在一個射頻周期內(nèi)流量相同。最終在射頻功率電極間形成一個隨時間均勻變化的負直流偏壓（圖3中的虛線表示）。需要說明的是，該現(xiàn)象也會發(fā)生在地極中，但影響很小。圖4為一典型的正弦電壓，

5、其頻率為13.56MHz，以及其所對應(yīng)的直流偏壓。圖3 在矩形脈沖下，電容耦合射頻放電時，自給偏壓的產(chǎn)生過程：（a）電極兩端施加的電壓 （b）關(guān)于時間函數(shù)的放電電壓及自 給偏壓（虛線）圖4 實線為電極兩端的正弦電壓，虛線為射頻電源電極間的直流偏壓。由于負的直流偏壓作用，離子持續(xù)加速向射頻功率電極運動，他們會引起射頻電極材料的濺射。實際上，電容耦合射頻放電類似直流輝光放電，如各個放電區(qū)的區(qū)分，產(chǎn)生條件，放電發(fā)生過程等都很類似，尤其電容耦合射頻放電模式，此時鞘層中二次電子的發(fā)射和加速電子引起的離子化對放電的維持起重要作用。在分析性電容耦合射頻放電中，常見放電模式，該情況下，氣壓很高（幾百pa），電

6、壓很高（幅值大約為1kV），射頻功率電極比接地極小很多，進而導(dǎo)致自給偏壓很大(通常大約只比射頻電壓幅值低80kV)。電容耦合射頻放電中產(chǎn)生的另一種模式為放電模式。該模式下，主要機理為，整體等離子體中電子引起的離子化過程。電子可以從振蕩的射頻電場（即鞘層的擴大和縮?。?，即歐姆加熱過程，中獲得能量。該放電模式通常發(fā)生在低氣壓，電壓下。另外，當電場很大時，電子可以在等離子體中加熱（即整體歐姆加熱）。這種情況發(fā)生在負電性氣體中，或者放電管很長很窄，其中由于雙極性擴散造成的輻射損失很重要。該機理與有正柱區(qū)的直流輝光放電很類似。模式與模式之間的轉(zhuǎn)換，是很多理論，建模，試驗研究的主題。模式引用于描述電子崩過

7、程的湯森第一電離系數(shù)，模式引用于離子作用二次電子發(fā)射系數(shù)。等離子體應(yīng)用中，電容耦合射頻放電，也稱“射頻二極管”，其中最簡單的一種情況是，由真空室組成，室內(nèi)有兩個相隔幾cm的平面電極。基質(zhì)通常置于其中一個電極上。常用的驅(qū)動電壓為100-1000V。氣壓范圍為1-100Pa，電子密度（即等離子體密度）為-。因此，其氣壓和等離子體密度比大部分分析性射頻放電（氣壓為幾百Pa，等離子體密度為-）要低。2.3 脈沖輝光放電除了將射頻電壓用于輝光放電，同樣也可施加離散脈沖電壓，通常脈沖寬度為毫秒或微秒級。在平均功率相同時，同直流輝光放電相比，脈沖放電會有較強的瞬間濺射，電離過程和激發(fā)過程，即效率較高（對于分

8、析光譜化學(xué)家來說，可以得到更高的敏感度），因為該過程發(fā)生在較高的峰值電壓和電流下，而激發(fā)和離子化這些基本的等離子體現(xiàn)象與電場強度成非線性關(guān)系。鑒于早期的分析調(diào)查主要是毫秒脈沖放電，最近的研究主要集中于微秒脈沖放電，結(jié)果，峰值電壓、電流更大，敏感度更高。典型的分析性微秒脈沖為：幅值為2kV，脈沖寬度為10，脈沖重復(fù)頻率為200Hz，其產(chǎn)生的峰值電流大約為1A，功率大約為2kW。因此，典型的工作周期很短，即脈沖啟動時間與脈沖關(guān)斷時間的比值很低。這意味著平均電功率很低，試品不會被充分加熱。而且，濺射的整體速率很低，可以分析薄膜。同樣，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，脈沖功率操作是一種很有發(fā)展前景的方法，其可以用于減

9、少電荷感應(yīng)損耗和持續(xù)放電造成的腐蝕變形。和射頻技術(shù)相比，脈沖直流技術(shù)的另一個優(yōu)點的粗化方法的簡單性，這是由于，其阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)問題和電磁干擾問題減弱，而且對于更大的反應(yīng)器來說，其電壓價格較低。對于脈沖技術(shù)等離子體，其典型的操作條件為：放電脈沖持續(xù)時間大約為100，電壓峰值大約為500V,氣壓大約100Pa，而且反應(yīng)器通常較大，為幾。常見的應(yīng)用有鋼材的等離子體氮化處理和硬涂層的沉積。就基本的等離子體過程而言，脈沖輝光放電和直流輝光放電很相似，即它可認為是短暫的直流輝光放電，但伴隨很長的余輝，因為在下一個脈沖到來前放電就已熄滅。應(yīng)該指出的是，脈沖放電時，非熱平衡現(xiàn)象加劇，因為沒有過度的加熱，氣體溫度

10、比電子溫度低。另外，也存在非化學(xué)平衡，因為電離與復(fù)合發(fā)生在不同的時間段。2.4大氣壓下輝光放電（APGDs）上文提到，輝光放電可以放生在很長的氣壓范圍內(nèi)。典型的氣壓范圍約為100Pa，在更高的氣壓（甚至大氣壓）下，輝光放電也會發(fā)生，但是比較容易導(dǎo)致氣體或者電極過熱或產(chǎn)生電弧。根據(jù)經(jīng)典論的相似性，如果保持乘積pd為常數(shù)，當d減小時就可以增大氣壓p。因此，小型化的放電設(shè)備就能在大氣壓下（甚至更高氣壓）產(chǎn)生輝光放電。在Schoenbach 等、Stark以及Schoenbach的著作中，提出了大氣壓下空心陰極微小放電現(xiàn)象?？招年帢O大的直徑大約100-200m。在Czerfalvi等和Mezei等的著

11、作中，用電解質(zhì)做陰極實現(xiàn)了在大氣中大氣壓下小的放電。在Eijkel等的著作中，提出了大氣壓下在一個微芯片中氦的直流輝光放電從而實現(xiàn)了具有分子發(fā)射探測器的氣相色譜法（例如對甲烷、氦氣等）。典型的維度是長度是1-2mm，寬度和高度為幾百m，使得這成為典型的等離子體存在的體積50-180nl。另外，Blades等以及Sturgeon和其同事的分析應(yīng)用著作中，大氣壓下電容耦合射頻放電已經(jīng)有了很多的應(yīng)用，近期羅馬尼亞的一個科研小組也對此發(fā)表了文章。 除了能減小放電的空間尺度外，在技術(shù)應(yīng)用中的大氣壓下穩(wěn)定放電（APGDs）在其他能滿足的條件下也可以進行，比如電極、介質(zhì)氣體和所加電壓的頻率。典型的APGDs

12、是在至少一個電極上加上介質(zhì)，然后在交流電壓下進行。例如，氦能夠引起穩(wěn)定的均勻輝光放電，而氧和氬氣容易引起到從輝光放電到絲狀放電的過渡。然而，通過改變電極的結(jié)構(gòu)也能使它們完成均勻輝光放電。 圖5 圖5所示為典型的應(yīng)用到等離子體聚合的APGD的示意圖。輝光放電產(chǎn)生于兩平行板電極間，極板表面覆蓋了電介質(zhì)（例如氧化鋁）。放電中包含等離子體中特殊單體聚合體和作為介質(zhì)氣體的氦氣的氣體流。所加電壓是20kV，頻率是1-30kHz。極板間距典型值是幾個毫米。 APGDs的最大優(yōu)點是非真空，這就大大降低了成本和輝光放電的操作復(fù)雜程度。另外，在大的蒸汽壓力下的材料，例如橡膠、紡織品和生物材料就會更容易處理。 已知

13、的應(yīng)用包括材料的表面修飾（例如提高用于油漆和膠水的聚合物的潤濕性）、表面消毒（例如醫(yī)療行業(yè)器械表面的微生物消毒）、等離子體聚合、生產(chǎn)臭氧等等。 2.5 介質(zhì)阻擋放電(DBDs) 與APGDs密切相關(guān)的是介質(zhì)阻擋放電(DBDs)，以前也稱之為“靜放電”。它們也是大約在大氣壓下操作的（典型值為0.1-1atm）。放電所加電壓的幅值為1-100kV，電壓頻率為幾赫茲到幾兆赫茲，同時電極間加了介質(zhì)（例如玻璃、石英，陶瓷材料或聚合物）電極內(nèi)間距從0.1mm（等離子體顯示）到大約1mm（臭氧產(chǎn)生器）再到幾厘米（二氧化碳激光器）不等。與APGDs的主要不同在于，APGDs在電極間是均勻的，半個周期僅僅產(chǎn)生一

14、次電流脈沖而DBDs在納秒時間內(nèi)產(chǎn)生微絲放電（這樣會在一個周期內(nèi)產(chǎn)生很多電流脈沖）。事實上，這個區(qū)分只是人為的，因為在相同的電極結(jié)構(gòu)下依據(jù)不同的放電條件和放電氣體會產(chǎn)生APGDs或者DBDs。也有跡象顯示，均勻的APGDs不是真的均勻，也有漫射發(fā)光現(xiàn)象。因此APGDs也可以被認為是一種漫射的DBDs。圖6兩種基本的DBDs配置需要加以區(qū)分。體積放電（）包括兩個平行板（見圖6a）。放電發(fā)生在極板間窄道中，并隨機的分布于電極表面。一個周期內(nèi)的微放電數(shù)目正比于所加電壓的幅值。表面放電（SD）包括一些介質(zhì)層上的表面電極和其反面的電極（見圖6b）。沒有一個明確定義的放電間隙。這種情況下，所謂的微放電是發(fā)

15、生在介質(zhì)表面的一層薄薄薄的單獨放電現(xiàn)象，可以稱之為特定距離上的均勻放電。電壓的增加使得介質(zhì)表面的放電擴大了。也存在著兩種結(jié)構(gòu)的結(jié)合體，例如共面安排，應(yīng)用在等離子體顯示屏或者是固定床反應(yīng)器，應(yīng)用在一些等離子體化學(xué)反應(yīng)器中。 DBDs的納秒間隔是由于聚集在介質(zhì)表面的電荷在放電之后的級納秒引起的。事實上，這降低了微放電的電場強度，使之達到電荷電流間斷的成度。由于這么小的時間間隔和能量耗散，這會導(dǎo)致很少的氣體加熱。因此，在微放電中，很大比例的電子能量被用來激發(fā)介質(zhì)氣體中的原子和分子，從而引起化學(xué)反應(yīng)或者輻射發(fā)射。這解釋了DBDs在應(yīng)用中引起的的巨大興趣。1857年Siemens在從氧氣或空氣中生產(chǎn)臭氧

16、時已經(jīng)應(yīng)用了這種放電?，F(xiàn)在，這種靜放電臭氧發(fā)生器是一種有效的工具，在世界范圍內(nèi)很多的臭氧設(shè)備被用作水處理。另外一些應(yīng)用是，二氧化碳生成器、在紫外和真空紫外的準分子輻射、從甲烷和氧氣中生成甲醇、不同的薄膜沉積過程、尾氣處理、等離子體顯示屏。當前，DBDs在分析光譜學(xué)中的應(yīng)用已出現(xiàn)，即作為惰性氣體或空氣/惰性氣體混合物中激發(fā)的氯原子和氟原子吸收光譜法的半導(dǎo)體激光微等離子體。已經(jīng)證明，DBD對多種分子有很強的離解能力，例如CClF,CClF和CHCl2.6 電暈放電除了輝光放電之外，還存在另外一種脈沖直流放電，它的陰極時金屬絲。在大氣壓下，陰極表面施加高負電壓時，就會產(chǎn)生放電。電暈放電產(chǎn)生是因為在陰

17、極周圍產(chǎn)生暗輝光。負極性電暈放電的機理與直流輝光放電類似 ，正離子被加速向陰極運動，到達陰極后轟擊陰極產(chǎn)生二次電子發(fā)射。這些電子被加速進入到等離子體中。這叫做流光。也就是前面是高能電子后面跟著低能電子。高能電子與重粒子發(fā)生非彈性碰撞，例如，造成離子化，激發(fā)，解列。因此，等離子體的根部形成，這會造成在碰撞中產(chǎn)生更大的分子。因此在應(yīng)用中，點電子動力學(xué)和重粒子動力學(xué)有很明顯的區(qū)別。這兩者之間的區(qū)別表現(xiàn)在時間上而不是空間上。在溫度和化學(xué)性質(zhì)方面，電暈放電也處于極不平衡的狀態(tài)。主要原因是脈沖的作用時間短，如果施加的電壓源不是脈沖形式的，那么就會產(chǎn)生高溫，引起熱電子發(fā)射，并向接近平衡狀態(tài)的弧光放電過渡。事

18、實上，除了負極性電暈放電外，也存在正極性電暈放電，其中，金屬絲上存在正電壓，因此它為陽極。電暈放電的應(yīng)用包括廢氣清潔，油漆中揮發(fā)性化合物的處理，水的凈化等等。氣體或液體中的塵埃能夠通過電子的吸附清除掉，電子吸附后，塵埃帶負電，這樣就能夠從氣體或液體中隔離了。2.8 低壓、高密度等離子體技術(shù)近些年來，很多低壓、高密度等離子體放電技術(shù)得到應(yīng)用。它主要是替代容性射頻放電（射頻二極管）的蝕刻和皮膜處理應(yīng)用。確實，射頻二極管的電壓和電流不能獨立控制，因此，除非施加不同的頻率，否則離子沖擊通量和沖擊能不能單獨改變。而且并不是每次都能施加不同的頻率。因此，要產(chǎn)生適度的離子通量，鞘層電壓必須具備很高的數(shù)值。由

19、于高沖擊能會對施加在電極上的薄片造成不應(yīng)有的破壞。而且，低離子通量和高離子能的結(jié)合在應(yīng)用中會導(dǎo)致較窄的加工面積。在射頻二極管中有限的離子通量導(dǎo)致較低的處理比率 ，較低的處理比率 經(jīng)常會造成多薄片或成批處理，這會產(chǎn)生薄片間再現(xiàn)能力的損失。為了克服這些問題，平均離子沖擊能應(yīng)該獨立控制離子和中性助溶劑。通過在未受驅(qū)策的電極上放置薄片并且獨立的在具有二次射頻源的電極上施加偏壓，可以控制離子沖擊能。盡管這些所謂的射頻三極管已經(jīng)應(yīng)用，但是在低壓下處理比率很低而且產(chǎn)生的飛濺污染物也是個問題。各種磁場增強射頻二極管三極管已經(jīng)發(fā)展來增加等離子體密度和離子通量。然而，如上所述，離子通量不具有良好的均勻性，這限制了它在等離子體處理應(yīng)用中的適用性。新一代的低壓高溫等離子體的特征正