等离子体产生技术1 ppt课件

常见的低温等离子体放电装置
– 静电耦合主要利用静电场成份来加速电子，又称电容耦合放电 – 感应耦合利用感应电场成份，无外加磁场时产生感应耦合放电， 有外加磁场时螺旋波放Leabharlann Baidu – 电磁波耦合利用电磁波成份为等离子体提供能量，无外加磁场 时耦合方式为表面波放电，有外加磁场时可以产生电子回旋共振 (ECR)放电
几个相关的概念
• 低频—— <1000Hz • 高频—— >10000Hz • 射频—— >300kHz • (30kHz<长波<300kHz) • 阻抗——在给定线路参数的无限长传输线
路上，行波的电压与电流的比值
• 阻抗匹配——
输出、输入阻抗的共轭匹 配
输出阻抗：Ro=X+jY 输入阻抗：RI=X-jY 即要求输出、输入阻抗
6. 放电气体可以是惰性气体如He、Ne、Ar，可以是分子气体如氮气、氧 气、空气，也可以是其他反应性气体如CCl2F2, CClF3 and CHClF2
丝状放电模式
空气(均匀辉光放电)
(高频)交流放电的阻抗匹配 (续)
实际上，为了不使回路中流过较大的高频电流，通常是 把高频发生器的输出阻抗设计城纯电阻的．阻值大都为 50 欧姆．但一般来说，高频放电阻抗为电容性阻抗，且 其值将随气压等放电条件而变化．这就需调节匹配网络 的阻抗和放电阻抗相加合,使加合后的模拟负载的阻抗与 高频发生器输出阻抗相一致，这样就实现匹配了．也就 是说实际上要根据放电条件来调节匹配网络。另外,高频 放电回路的连接,要尽量减少引线电感.
互为共轭复数
Ro
RI
电容耦合等离子体（Capacitively coupled plasma, CCP）
CB：直流隔离电容，M.B.(Matching Box)：匹配器典型参数：压强10～ 1000Pa，电极间距1～5cm，高频功率20～200W，高频频率13.56MHz
自给偏压(Self-bias)
• 在大气压强(105 Pa)下这种气体放电呈现微通道的放 电结构，即通过放电间隙的电流由大量快脉冲电流细 丝组成。
• 电流细丝在放电空间和时间上都是无规则分布的，这 种电流细丝就称为微放电，每个微放电的时间过程都 非常短促，寿命不到10ns，而电流密度却可高达0.1 到1kA／cm2。圆柱状细丝的半径约为0.1mm。在介 质表面上微放电扩散成表面放电，这些表面放电呈明 亮的斑点，其线径约几个毫米。
DBD的一些基本原则
1. 介质阻挡材料——玻璃、石英、陶瓷以及聚合物等，有时还采用一些具 有保护涂层或者其他功能涂层如驻极体材料等。
2. 介质阻挡放电驱动电压频率范围为50Hz～10MHz。
3. 放电电压范围为几百伏特到几千伏特。
4. 根据不同的应用背景，放电间隙为0.1mm～几cm。
5. 放电气体可以流动，也可以循环使用，也可静止。
感应耦合等离子体(Inductively couples
plasma, ICP)
– 交变磁场感应电场在等离子体 内部产生涡流
ICP原理及等效电路
– 环绕线圈通13.56MHz高频电流 – 等离子体中的电子受感应电场作
– 由于A电极接地，其有效面 积大于K电极，形成非对称放 电 – 在只有交流电压的K电极上 会自动生成负直流电压VDC （即自给偏压） – CB的存在，保证了VDC不为 零，VDC<0 – VK(t)=VDC+VRFsinωt – 实质上是鞘层起到类似二级 管的整流作用 – 离子响应慢，受平均电位分 布作用，在自给偏压作用下撞 击K电极
实现大气压下辉光放电的可能途径 1. 在大气压下放电：
a.选择低击穿场强的工作气体如氦气、氩气等 b.采用合适的交流电源，实现离子捕获(ion-trapping) 2. 利用外部电路限制电流密度的增长如介质阻挡放电
介质阻挡放电典型结构
介质阻挡放电的基本特征
• 介质阻挡放电可以用频率从50Hz到MHz级的高电压 来启动。
高频放电的功率输入机理
• 外加高频电场对电子的加速作用，电子吸收高频
功率有三种机制：
– 等离子体区域的焦耳加热（α放电，有碰撞）
– 鞘层内二鞘次层电厚子度逸由出高后频被电加压速所（决γ放定电，，若无Vr碰f 一撞定）而改变频
–
由于鞘层率振f荡，产则生鞘的层统边计界加的热移（动费速米度加跟速f成）正比。因此统计 加热的功率正比于频率的平方，所以在Vrf —定的
等离子体产生技术1
等离子体的生成方法
• 直流放电 • 交流放电
•直流辉光放电 •空心阴阴放电 •直流脉冲放电 •电弧放电 •磁控管放电
•电容耦合放电 •感应耦合放电 •介质阻挡放电 •微波放电 •表面波放电
本讲安排
• 等离子体的生成方法——交流放电
电容耦合放电 感应耦合放电
为什么选择交流放电？
• 直流放电存在的问题
– 电极材料损伤 – 存在电弧放电 – 等离子体密度不易调节
• 工业等离子体应用时等离子体的参数要求
– 温度低 – 密度高 – 覆盖面大
为什么选择交流放电？
• 高频放电或微波放电方法的优点
– 可保持较低的等离子体－电极间电位差 – 有利于提高功率，并提高电子的能量吸收效 –率 – 使低气压下产生高密度等离子体成为可能
介质阻挡放电
• 金属电极表面伴随二次电子发射同时还有 溅射与沉积等作用，使电极损伤
• 高气压放电
大气压下辉光放电的困难
• 辉光放电的实验表明：若保持电流不变，电流密度：
Jc p2
即：电流通道的横截面积将随着气压的增大而急剧减小 大气压下气体间隙击穿时通常看到的是丝状放电（也称流
注）及其进一步的发展－－电弧放电。为了在高气压下不产 生丝状放电，必须需控制电子雪崩地放大以免它增长过快。
条件下放电频率越高，等离子体密度就越高；
高频放电的优点
• –容易产生大口径等离子体； • –在加有高频(RF)电压的电极上会产生负直流电压
（自给偏压），可加速正离子轰击K电极，也可 用于加工工艺； • –可通过双高频电源方案同时控制离子轰击能量 （自给偏压）和离子通量（等离子体密度）； （一般，放电用高频电压采用较高频率13.56～ 60MHz，控制自给偏压的电极采用较低频率0.5～ 2.0MHz） • –即使绝缘膜堆积在电极上，也可以稳定地维持等 离子体状态