等離子體產(chǎn)生技術(shù)課件

等離子體產(chǎn)生技術(shù)12023/9/251等離子體的生成方法2023/9/252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本講安排2023/9/253等離子體的生成方法——交流放電電容耦合放電感應(yīng)耦合放電為什么選擇交流放電？2023/9/304直流放電存在的問(wèn)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(shí)等離子體的參數(shù)要求溫度低密度高覆蓋面大為什么選擇交流放電？2023/9/305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常見(jiàn)的低溫等離子體放電裝置2023/9/306靜電耦合主要利用靜電場(chǎng)成份來(lái)加速電子，又稱電容耦合放電感應(yīng)耦合利用感應(yīng)電場(chǎng)成份，無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)耦合放電，有外加磁場(chǎng)時(shí)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(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)耦合方式為表面波放電，有外加磁場(chǎng)時(shí)可以產(chǎn)生電子回旋共振

(ECR)放電幾個(gè)相關(guān)的概念2023/9/307低頻——

<1000Hz高頻——

>10000Hz射頻——

>300kHz(30kHz<長(zhǎng)波<300kHz)阻抗——在給定線路參數(shù)的無(wú)限長(zhǎng)傳輸線路上，行波的電壓與電流的比值阻抗匹配——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)Ro2023/9/308RI電容耦合等離子體（Capacitively

coupledplasma,

CCP）2023/9/309CB：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13.56MHz2023/9/3010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(duì)稱放電在只有交流電壓的K電極上會(huì)自動(dòng)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<0VK(t)=VDC+VRFsinωt實(shí)質(zhì)上是鞘層起到類似二級(jí)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2023/9/3011外加高頻電場(chǎng)對(duì)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)由于鞘二次電子逸出后被加速（γ放電，無(wú)碰撞）層振蕩產(chǎn)生的統(tǒng)計(jì)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(dòng)速度跟f成正比。因此統(tǒng)計(jì)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；2023/9/3012高頻放電的優(yōu)點(diǎn)2023/9/3013–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(huì)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(guò)雙高頻電源方案同時(shí)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)介質(zhì)阻擋放電2023/9/3014金屬電極表面伴隨二次電子發(fā)射同時(shí)還有濺射與沉積等作用，使電極損傷高氣壓放電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(shí)通常看到的是絲狀放電（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(zhǎng)過(guò)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：選擇低擊穿場(chǎng)強(qiáng)的工作氣體如氦氣、氬氣等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(zhǎng)如介質(zhì)阻擋放電2023/9/3015介質(zhì)阻擋放電典型結(jié)構(gòu)2023/9/3016介質(zhì)阻擋放電的基本特征2023/9/3017介質(zhì)阻擋放電可以用頻率從50Hz到MHz級(jí)的高電壓來(lái)啟動(dòng)。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(guò)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(shí)間上都是無(wú)規(guī)則分布的，這種電流細(xì)絲就稱為微放電，每個(gè)微放電的時(shí)間過(guò)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(gè)毫米。介質(zhì)阻擋材料——玻璃、石英、陶瓷以及聚合物等，有時(shí)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(dòng)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(dòng)，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,CClF3

and

CHClF22023/9/3018DBD的一些基本原則絲狀放電模式2023/9/3019空氣(均勻輝光放電)2023/9/30202023/9/3021(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(guò)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(jì)城純電阻的．阻值大都為

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歐姆．但一般來(lái)說(shuō)，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(shuō)實(shí)際上要根據(jù)放電條件來(lái)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.2023/9/3022感應(yīng)耦合等離子體(Inductively

couplesplasma,

ICP)–交變磁場(chǎng)感應(yīng)電場(chǎng)在等離子體內(nèi)部產(chǎn)生渦流2023/9/3023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(chǎng)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范圍內(nèi)產(chǎn)生密 度達(dá)10