2.2和2.3气体放电等离子体及其应用

电容耦合射频放电

为了维持直流辉光放电，电极必须是可导电的。如果其中一端或两端电极都不可导电，如当辉光放电用于绝缘材料的光谱化学分析或介质薄膜的沉积，此时电极表面附着绝缘材料，电极因正负电荷的积累而充电，辉光放电熄灭。为了解 决这个问题，可以在电极间加交流电压，这样，每个电极都可以充当阳极和阴极，在电压正半周期时积累的部分电荷将会在电压负半周期时被抵消。

通常，电压频率为射频范围（1kHz-310kHz ，常见频率为13.56MHz ）。严格的说，在其他电压频率时，也会产生电容耦合放电，所以称其为交流放电更合适。另外，频率应该很高，这样半个周期才会比绝缘体充满电的时间短。否则，电极将会相继呈相反极性，引起短暂放电，而不是持续放电。由计算可得，当所加电压频率大于100kHz 时，放电能持续。实际上，很多射频辉光放电过程产生于13.56MHz 。因为该频率是国际通信局规定的，其在传播一定能量的时候不会对通信产生干扰。

此时需要强调，所谓电容耦合，指的是将输入功率耦合为放电一种方式，也就是说，利用两个电极及其鞘层形成一个电容。后面会讲到，射频功率也可以利用其它方法耦合放电。

在典型射频频率下，电子和离子的行为完全不同，这可通过它们不同的质量解释。电子质量小，可以跟得上射频电压产生的时变电场的变化。实际上，电子的固有频率，或所谓的电子等离子体频率为：;02εe e pe m e n w = e pe n f 9000=（Hz ） （1）

e n 用3-cm 表示。当电子密度从1010变化到

31310-cm 时，等离子体频率由9×810变化至3×

1010Hz ，比13.56MHz 大很多。如果电压频率小于

离子等离子体频率，离子可以跟得上鞘层内的电

场的变化。由于离子等离子体频率与质量呈反

比，电子可以跟的上典型射频时电场的变化，而

离子只能跟得上随时间均匀变化的电场。

电容耦合射频放电的另一个重要的方面是，

自给偏压现象，也是由电子和离子质量的不同引

起的。当两电极大小不同时，或当射频电源与电

极之间形成耦合电容时，或电极是绝缘的（因为可以把它当作电容），自给偏压也称直流偏压便会形成。当在由电极形成的电容上施加一方波（见图3）时，等离子体电压值将达到所加电压的值。当所加电压刚开始为正时，如图3，电子将加速向电极运动。因此，电容将通过电子电流迅速充电，等离子体电压下降。半个周期后，所加电压极性改变时，等离子体电压改变相同的数值（即施加电压幅值的2倍）。电容此时通过离子电流已充电完成，等离子体电压将下降，但比先前下降的少，因为离子的迁移率较低，导致离子流通量较小。又经过半个周期时，电压极性改变，同样等离子体电压极性也改变。此时，等离子体电压下降更快，因为电容因电子流又充满了电。此过程周而复始，直到电容最终充满足够的阴极电荷，此时电子和离子在一个射频周期内流量相同。最终在射频功率电极间形成一个随时间均匀变化的负直流偏压（图3中的虚线表示）。需要说明的是，该现象也会发生在地极中，但影响很小。图4为一典型的正弦电压，其频率为13.56MHz

，以及其所对应的直流偏压。

图3 在矩形脉冲下，电容耦合射频放电时，自给偏压的产生过程：

（a ）电极两端施加的电压

（b ）关于时间函数的放电电压及自 给偏压（虚线）

图4 实线为电极两端的正弦电压，虚线为射频电源电极间的直流偏压。

由于负的直流偏压作用，离子持续加速向射频功率电极运动，他们会引起射频电极材料的溅射。实际上，电容耦合射频放电类似直流辉光放电，如各个放电区的区分，产生条件，放电发生过程等都很类似，尤其γ电容耦合射频放电模式，此时鞘层中二次电子的发射和加速电子引起的离子化对放电的维持起重要作用。在分析性电容耦合射频放电中，常见γ放电模式，该情况下，气压很高（几百pa ），电压很高（幅值大约为1kV ），射频功率电极比接地极小很多，进而导致自给偏压很大(通常大约只比射频电压幅值低80kV)。电容耦合射频放电中产生的另一种模式为α放电模式。该模式下，主要机理为，整体等离子体中电子引起的离子化过程。电子可以从振荡的射频电场（即鞘层的扩大和缩小），即欧姆加热过程，中获得能量。该放电模式通常发生在低气压，电压下。另外，当电场很大时，电子可以在等离子体中加热（即整体欧姆加热）。这种情况发生在负电性气体中，或者放电管很长很窄，其中由于双极性扩散造成的辐射损失很重要。该机理与有正柱区的直流辉光放电很类似。

α模式与γ模式之间的转换，是很多理论，建模，试验研究的主题。α模式引用于描述电子崩过程的汤森第一电离系数，γ模式引用于离子作用二次电子发射系数。

等离子体应用中，电容耦合射频放电，也称“射频二极管”，其中最简单的一种情况是，由真空室组成，室内有两个相隔几cm 的平面电极。基质通常置于其中一个电极上。常用的驱动电压为100-1000V 。气压范围为1-100Pa ，电子密度（即等离子体密度）为910-11103-cm 。因此，其气压和等离子体密度比大部分分析性射频放电（气压为几百Pa ，等离子体密度为1210-31310-cm ）要低。

2.3 脉冲辉光放电

除了将射频电压用于辉光放电，同样也可施加离散脉冲电压，通常脉冲宽度为毫秒或微秒级。在平均功率相同时，同直流辉光放电相比，脉冲放电会有较强的瞬间溅射，电离过程和激发过程，即效率较高（对于分析光谱化学家来说，可以得到更高的敏感度），因为该过程发生在较高的峰值电压和电流下，而激发和离子化这些基本的等离子体现象与电场强度成非线性关系。鉴于早期的分析调查主要是毫秒脉冲放电，最近的研究主要集中于微秒脉冲放电，结果，峰值电压、电流更大，敏感度更高。

典型的分析性微秒脉冲为：幅值为2kV ，脉冲宽度为10s μ，脉冲重复频率为200Hz ，其产生的峰值电流大约为1A ，功率大约为2kW 。因此，典型的工作周期很短，即脉冲启动时间

与脉冲关断时间的比值很低。这意味着平均电功

率很低，试品不会被充分加热。而且，溅射的整

体速率很低，可以分析薄膜。

同样，在半导体产业中，脉冲功率操作是一

种很有发展前景的方法，其可以用于减少电荷感

应损耗和持续放电造成的腐蚀变形。和射频技术

相比，脉冲直流技术的另一个优点的粗化方法的简单性，这是由于，其阻抗匹配网络问题和电磁干扰问题减弱，而且对于更大的反应器来说，其电压价格较低。对于脉冲技术等离子体，其典型的操作条件为：放电脉冲持续时间大约为100s μ，电压峰值大约为500V,气压大约100Pa ，而且反应器通常较大，为几3

m 。常见的应用有钢材的等离子体氮化处理和硬涂层的