第三章_等离子体技术基础

等离子体的密度
等离子体由电子、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。
等离子体技术基础
3.1 等离子体的基本概念 3.2 等离子体的分类 3.3 低温等离子体的产生
3.1 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。

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。
微波放电 产生方法： 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电子，使其获得能 量，而电离中性气体。从而获得高密度等离 子体。 目前，微波电子回旋共振等离子体源已 经广泛应用于薄膜沉积、刻蚀和表面改性中。

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。 1
角频率： 频率：
4 ne2 2 p m
2
p ne fp 2 m
1 2
2 电子振荡角频率： 4 nee pe
D kTe / nee
1 2 2

德拜长度随电子密度的增加而减少。当系统的 几何线度即 L D 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
核聚变
108 107 106
日冕 行星际
温度/K
105 10
4
辉光放电 恒星际 电离层 火焰
1 2

me

1 2
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。
离子振荡角频率： 4 ni e pi
2

mi


德拜长度
等离子体是导体，在一定的空间范围内可 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：
等离子体的概念：ห้องสมุดไป่ตู้
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。
1 3 2 E mv kT 2 2
电子温度Te、离子温度Ti、中性粒子温度Tn
电弧放电
103 102 101 1 106
1010
1014
1018
1022
1026
等离子体密度/(1/cm3)
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：10-1~102Pa 等离子体密度：1010~1012/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， 为非平衡态等离子体。低温等离 子体中的各种温度关系为 Te>Ti=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Te≈Ti≈Tg。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
VB
BPd ln( Pd ) ln A 1 ln(1 )

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。