整理電容感應(yīng)耦合放電

1、精品文檔 精品文檔 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(dāng)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(dāng)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-103kHz，常見頻率為 13.56MHz）。嚴(yán)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

2、充滿電的時間短。否則，電極將會相繼呈相 反極性，引起短暫放電，而不是持續(xù)放電。由計算可得，當(dāng)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

3、子體頻率為： 2- _ Wpe = . 2 ; fpe =9000ne（ Hz） （ 1） Vmo ne用cm”表示。當(dāng)電子密度從1010變化到1013cm”時，等離子體頻率由 9x 108變 化至 3X 1010Hz,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(dāng)兩電極大小不同時，或當(dāng)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

4、可以把它當(dāng)作電容） ，自給偏壓也稱直流偏壓便會形成。當(dāng)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(dāng) 所加電壓剛開始為正時，如圖 3,電子將加速向電極運動。因此，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

5、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，其頻率為 13.56MHz,以 及其所對應(yīng)的直流偏壓。精品文檔 精品文檔 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

6、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 Y放電模式，該情況下，氣壓很高（幾百 pa）,電壓很高（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

7、式通常發(fā)生在低氣壓，電 壓下。另外，當(dāng)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?；|(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 1-1

8、00Pa，電 子密度（即等離子體密度）為 109- 1011 cm 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 1012- 1013cm）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，精品文檔 精品文檔 即效率較高（對于分析光譜化學(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

9、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

10、， 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 s，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 m3。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(rèn)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。 2.42.4 大氣壓下輝光放電（APGD

11、sAPGDs） 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(dāng) 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 100-200 口 m。在 Czerfalvi 等和 Mezei等的著作中，用 電解質(zhì)做陰極實現(xiàn)了在大氣中大氣壓下小的放電。

12、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 口 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 Sturge on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 是在至少一個電

13、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。精品文檔 精品文檔 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

14、生物材料就會更容易處理。 已知的應(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。 2.52.5 介質(zhì)阻擋放電（DBDsDBDs） 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

15、。 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(rèn)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（VD）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

16、。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)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tbl dielectric roumter-frlecfrode Hi voltage power source 120 kV, 1-30 kHz) 十 nionomer? surface el&c Irod 衛(wèi) 精品文檔 精品文檔 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)

17、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(zhǔn)分子輻射、從甲烷和氧氣 中生成甲

18、醇、不同的薄膜沉積過程、尾氣處理、等離子體顯示屏。當(dāng)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，例女口 CCI 2 F2 ,CCIF 3和 CHCI F2 2.6 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

19、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

20、，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)生的飛濺污精品文檔 精品文檔 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