由气体放电产生的部分电离等离子体
等离子体刻蚀工艺的研究现状和发展趋势 (2)
等离子体刻蚀工艺的研究现状和发展趋势摘要：目前等离子体刻蚀工艺已广泛应用于国防工业和民办企业，本文归纳了在实际应用方面的内容，介绍了从湿法刻蚀到干法刻蚀的发展历程，综述了等离子体刻蚀的研究现状，总结了等离子体刻蚀的机理，并对未来发展趋势做出了分析。
关键词：等离子体刻蚀工艺，湿法刻蚀，干法刻蚀Abstract: At present,the technique of plasma etching has been widely used in national defense industry and private enterprises,this paper sums up the content in practical application,introduces the development from wet etching to the dry etching, reviews the current situation of the study of plasma etching,summarizes the mechanism of plasma etching and has made the analysis on the trend of future development.Keyword: plasma etching technology ,wet etching ,dry etching0 前言自19世纪四十年代至六十年代，人类发明了晶体管，随后出现集成电路，湿法刻蚀工艺逐渐应用于各种半导体器件的加工过程。
湿法刻蚀是将刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的技术。
简单来说，就是中学化学课中化学溶液腐蚀的概念，它是一种纯化学刻蚀，具有优良的选择性，刻蚀完当前薄膜就会停止，而不会损坏下面一层其他材料的薄膜。
由于所有的半导体湿法刻蚀都具有各向同性，所以无论是氧化层还是金属层的刻蚀，横向刻蚀的宽度都接近于垂直刻蚀的深度。
辉光放电原理
辉光放电原理
辉光放电是一种在气体中产生的放电现象，其原理是通过在两个电极之间加上
足够的电压，使得气体分子发生电离，产生等离子体，从而产生可见的光。
辉光放电在许多领域都有重要的应用，比如荧光灯、氖灯、等离子体显示器等。
在本文中，我们将深入探讨辉光放电的原理及其应用。
辉光放电的原理主要包括以下几个方面：
1. 电离和复合过程。
当两个电极之间的电压足够大时，电场会加速气体分子，使得它们发生电离。
这些电离的正负离子会在电场的作用下向两个电极移动，当它们再次相遇时，会发生复合过程，释放出光子。
这些光子就是我们所看到的辉光。
2. 离子化和激发态。
在辉光放电中，气体分子被电场离子化后，产生的离子和电子会在电场的作用
下获得能量，从基态跃迁到激发态。
当它们返回基态时，会释放出光子，形成辉光。
3. 电子碰撞激发。
在辉光放电中，电子和气体分子碰撞后会获得能量，使得气体分子跃迁到激发态。
当气体分子返回基态时，会释放出光子，形成辉光。
辉光放电在实际应用中有着广泛的用途。
比如在荧光灯中，通过辉光放电产生
的紫外线激发荧光粉发光；在氖灯中，氖气被放电后产生的红色光线被用于广告招牌和指示灯；在等离子体显示器中，通过辉光放电产生的等离子体来显示图像。
总的来说，辉光放电是一种重要的放电现象，其原理包括电离和复合过程、离
子化和激发态、电子碰撞激发等。
它在荧光灯、氖灯、等离子体显示器等领域有着
广泛的应用。
通过对辉光放电原理的深入理解，我们可以更好地应用这一现象，推动科技的发展和进步。
由气体放电产生的部分电离等离子体
I1
g1 A1v1
E1 E2
e KT
I2
g2 A2v2
用朗谬尔探针测量电子温度
随机电流 I eJ r As
Jr
1 4
nv
n 4
8Te
m
V1
Vs
V2
eV
对于双探针
I
Ii
tanh
2kTe
dI
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dV I 0,V 0
2kTe
气体放电的全伏安特性曲线
BD: 汤生放电 DE: 亚辉光放电 EF：正常辉光放电 FG：反常辉光放电 GH：弧光放电
依靠高频辉光放电形成的化学活性游离基与被腐蚀材料发生化学反 应的一种选择性腐蚀方法
（2）等离子体溅射镀膜
在低真空室中,将待溅射物制成靶置于阴极,用高压（通常在1000V以上） 使气体电离形成等离子体,等离子中的正离子以高能量轰击靶面,使待溅 射物的原子离开靶面,淀积到阳极工作台上的基片上,形成薄膜.
e kT
3粒子组分满足化学平衡和质量守衡
4带电粒子浓度满足沙哈方程
neni
2gi
(2 mekT )3/2
Ei
e kT
n0 g0
h3
等离子体光谱 1原子的线光谱：电子与原子碰撞，使其激发，激发态原子退 激发，以辐射的形式放出能量 E hv hc特/ 别的把第 激发态向基态跃迁产生的辐射称为共振辐射
等离子体的一般描述
通俗地说，等离子体就是电离气体，又被称为物质的第四态。按照严格定义， 等离子体指包含自由带电粒子的体系，其中库仑力起主要作用。一般情况下， 等离子体是电子、离子和中性原子组成的混合物。
电中性：宏观尺度上，等离子体空间任意一点呈电中性
德拜屏蔽：
等离子清洗原理
等离子清洗原理等离子清洗是一种物理性清洗方法，利用等离子体产生的高温、高能量等特性，在表面清洗过程中去除尘埃、油污、氧化物等杂质。
它具有高效、环保、非腐蚀性等优点，被广泛应用于各个领域的表面处理和清洗工艺中。
等离子清洗的原理可以简单概括为两个关键过程：等离子体产生和表面反应。
等离子体产生是通过气体放电形成的，即在负极板和正极板之间产生高电压，使得气体电离而形成等离子体。
这种放电可以是直流放电、交流放电或射频放电等。
当放电电压超过气体击穿电压时，气体电离产生电子、阳离子、自由基等等离子体成分。
等离子体产生后，会在表面触碰到的地方引发化学反应。
等离子体表面反应主要包括两种：化学反应和物理反应。
化学反应是指气体等离子体与物体表面的物质发生化学反应，例如：氧离子和水蒸气的化学反应生成氧化还原物质；高能氮氧化物等离子体与表面金属氧化物的反应生成金属氧化物；氮氧化物等离子体对表面氧化物的还原。
物理反应主要是指等离子体的能量和速度对清洗表面物质的冲击和溶解，例如：高温等离子体可以使沉积在表面的污染物迅速挥发；离子束对杂质表面作用力大于粘连力使其脱落。
等离子清洗具有许多优点。
首先，清洗效果好。
等离子体产生的高能粒子可以对表面物质产生强烈的碰撞，去除杂质和污染物。
其次，清洗过程无需液体介质，减少了化学废液的产生，既节约了水资源，又减少了环境污染。
此外，清洗过程中无需机械接触，避免了机械清洗可能带来的划伤和破损，同时也避免了对表面涂层、印刷、电子元件等的损害。
最后，等离子清洗装置体积小巧，操作相对简便，适用于各种复杂形状和大小不一的物体表面清洗。
然而，等离子清洗也存在一些问题。
首先，等离子体的生成需要较高的能量，所以清洗过程需要较高的电压和电流，消耗大量的电能。
其次，清洗过程中产生的臭氧等有害气体可能对环境和健康产生危害。
此外，如果清洗不当，过高的电压和能量可能对物体表面产生氧化和损坏。
总结来说，等离子清洗是一种高效、环保、非腐蚀性的表面清洗方法。
气体放电等离子体实验报告
气体放电等离子体实验报告气体放电等离子体实验报告引言：气体放电等离子体实验是一项重要的实验，通过在气体中施加电场，使气体分子电离并形成等离子体。
这一实验具有广泛的应用领域，如等离子体物理、光谱学、材料科学等。
本报告将详细介绍气体放电等离子体实验的过程、实验装置和实验结果。
实验过程：1. 实验准备首先，我们准备了实验所需的材料和设备，包括气体放电管、电源、电压表、电流表等。
然后，我们对实验装置进行了检查和调试，确保其正常工作。
2. 实验操作将气体放电管连接到电源上，并设置合适的电压和电流。
然后，通过调节电压和电流的大小，控制气体放电管中的等离子体形成和维持。
3. 数据记录在实验过程中，我们记录了气体放电管中的电压和电流变化情况，并观察了等离子体的形态和颜色变化。
同时，我们还测量了等离子体的温度、密度等参数。
实验装置：实验装置主要包括气体放电管、电源、电压表、电流表和数据记录设备。
1. 气体放电管气体放电管是实验中最关键的部分，它由玻璃管和两个电极组成。
玻璃管内充满了待研究的气体，如氢气、氮气等。
电极通过电源提供电场，使气体分子电离并形成等离子体。
2. 电源电源是为气体放电管提供电场的设备，它可以提供不同电压和电流的输出。
通过调节电源的输出参数，可以控制等离子体的形成和维持。
3. 电压表和电流表电压表和电流表用于测量气体放电管中的电压和电流。
通过监测电压和电流的变化，可以了解等离子体的形成和消失过程。
4. 数据记录设备数据记录设备用于记录实验过程中的各种参数，如电压、电流、等离子体的形态和颜色等。
通过对这些数据的分析，可以得出实验结果并进行进一步的研究。
实验结果：在实验过程中，我们观察到了气体放电管中的等离子体形态和颜色的变化。
随着电压和电流的增加，等离子体的亮度和密度逐渐增加。
同时，等离子体的颜色也发生了变化，从无色逐渐变为蓝色、紫色等。
我们还测量了等离子体的温度和密度，发现随着电压和电流的增加，等离子体的温度和密度也随之增加。
等离子切割机工作原理
等离子切割机工作原理等离子切割机是一种常用的金属切割设备，广泛应用于金属加工行业。
它利用等离子体的高温和高能量特性，将金属材料切割成所需形状和尺寸。
工作原理：等离子切割机的工作原理主要包括等离子体产生、等离子体切割温和体保护三个步骤。
1. 等离子体产生：等离子体是由气体电离产生的高能量离子和电子的混合物。
在等离子切割机中，常用的气体有氮气、氧气和氩气。
气体通过电弧放电或者高频电场作用下，产生高温和高能量的等离子体。
2. 等离子体切割：等离子体切割是等离子切割机的核心工作过程。
当高能量的等离子体与金属材料接触时，会发生瞬间的熔化温和化过程。
等离子体的高温和高能量使金属材料迅速熔化，并通过气体流将熔化的金属吹散，实现切割效果。
3. 气体保护：在等离子体切割过程中，气体保护起着非常重要的作用。
气体保护可以防止切割区域的金属材料与空气中的氧气发生反应，产生氧化物。
常用的气体保护有氮气和氧气，它们可以在切割区域形成一个保护层，防止氧气进入，从而保持切割过程的稳定性和质量。
等离子切割机的优势：1. 高效快速：等离子切割机具有高能量和高速度的特点，可以快速完成金属材料的切割任务，提高生产效率。
2. 切割质量好：等离子切割机切割出的边缘光滑，切割面平整，几乎没有毛刺和变形现象，保证了切割质量的稳定性和一致性。
3. 适应性广：等离子切割机可以切割各种金属材料，包括钢铁、铝、铜等，适合于不同的行业和领域。
4. 操作简单：等离子切割机采用数字控制系统，操作简单方便，可以实现自动化切割，减少人工操作的繁琐性。
总结：等离子切割机是一种利用等离子体的高温和高能量特性进行金属切割的设备。
它通过产生等离子体、等离子体切割温和体保护三个步骤，实现对金属材料的快速、高质量切割。
等离子切割机具有高效快速、切割质量好、适应性广和操作简单等优势，被广泛应用于金属加工行业。
等离子体产生原理
等离子体产生原理
等离子体产生原理是指将气体或液体中的一部分或整个电离后的带电物质，这些电离后的带电粒子通常包括正离子、负离子和电子等，形成一个带正负离子和电子的高度活跃的带电状态。
等离子体的产生主要有以下几种方法：
1. 火花放电：利用高电压的电击或电弧将气体电离，产生等离子体。
火花放电主要应用于气体放电源和电火花设备。
2. 辐射电离：利用光、热、射线等辐射能量将气体或液体电离。
例如，X射线或高能粒子的束流通过气体或液体介质时，会产生辐射电离，从而形成等离子体。
3. 电子冲击：利用高速电子束流冲击气体或液体，将其电离。
电子冲击是一种常见的等离子体产生方法，常用于离子源等设备中。
4. 激光照射：利用激光的高强度照射气体或液体，产生电离现象，从而形成等离子体。
激光照射是一种精密控制等离子体产生的方法，广泛应用于科研与工业领域。
5. 等离子体炉：通过加热气体或液体以及添加适当的气体或液体原料，在高温高压下，形成等离子体。
等离子体炉主要用于材料的熔化、气体分解、化学反应等工艺过程。
以上是等离子体产生的主要原理，不同的方法适用于不同的应用领域，如能量供给、材料处理、医学疗法等。
等离子电弧
等离子电弧简介等离子电弧（Plasma Arc）是一种高温、离子化的气体电弧，常用于加热、切割、焊接和材料表面改性等工业和科研领域。
等离子电弧的产生需要高温和高电压，通过电弧放电，气体被电离形成等离子体。
等离子体是一种高度激活的气体，其中的原子和分子失去了一部分或全部的电子，形成离子和自由电子。
等离子体的特性使其有许多独特的性质，可以应用于许多行业。
等离子电弧的产生等离子电弧的产生可以通过两种常见的方法实现：直流电弧和交流电弧。
直流电弧直流电弧是使用直流电源产生的电弧。
直流电源将正极连接到工件上，负极连接到电极上。
工件和电极之间的间隙充满了气体，当两极之间施加足够的电压时，气体被电离并形成等离子体。
直流电弧常用于焊接和切割金属材料。
由于直流电弧的热量集中在电极上，电极往往会耗损较快，需要定期更换。
交流电弧交流电弧是使用交流电源产生的电弧。
交流电源提供的电压周期性变化，可以使电弧自行维持。
交流电弧使用两种电极：工作电极和反工作电极。
两种电极的位置定期地交换，以保持电弧的稳定。
交流电弧常用于高压的切割和焊接应用。
交流电弧的优点是可以在不同的材料上工作，并且电极的耗损较低。
等离子电弧的应用等离子电弧有广泛的应用领域，以下是其中的几个主要应用：焊接等离子电弧可以用于金属焊接。
电弧产生的高温可以使金属材料熔化，并在冷却后形成强固的焊缝。
等离子焊接常用于高要求的焊接任务，如航空航天和汽车工业。
切割等离子电弧可用于金属的切割。
电弧产生的高温可以将金属材料加热到熔点，然后使用气体流将熔化的金属吹散。
等离子切割可用于切割各种厚度和类型的金属。
表面改性等离子电弧可用于改良材料的表面性质。
通过在材料表面产生等离子体，可以使表面发生化学和物理变化，如增强附着力、改善耐蚀性和提高涂层性能等。
污染净化等离子电弧可以用于处理废气和废水中的污染物。
等离子体的高能量可以将污染物分解为无害的物质，并排出系统。
这种方法被广泛应用于环境保护领域。
等离子发生器原理
等离子发生器原理
等离子发生器是利用等离子体产生高温、高压、高能量密度的设备，其原理涉及到物理学、电学、化学等多个学科领域。
等离子体是一种由自由电子、离子和中性粒子组成的高度电离气体，其中的粒子具有很高的能量和活性。
等离子发生器通过在气体中施加电场或磁场，使气体分子发生电离和解离，形成等离子体。
在等离子发生器中，通常使用气体放电来产生等离子体。
气体放电是指在气体中通过外加电场或磁场，使气体分子发生电离和解离，形成等离子体的过程。
气体放电可以通过多种方式实现，如直流放电、交流放电、微波放电等。
当气体放电发生时，气体分子被电离和解离，形成自由电子和离子。
这些自由电子和离子在电场或磁场的作用下，会发生加速和碰撞，产生更多的自由电子和离子，从而形成等离子体。
等离子体中的自由电子和离子具有很高的能量和活性，可以与其他气体分子发生化学反应，产生高温、高压、高能量密度的等离子体。
等离子发生器的应用非常广泛，如材料处理、表面改性、半导体加工、环境保护等领域。
在不同的应用领域中，等离子发生器的原理和结构可能会有所不同，但其基本原理都是通过气体放电产生等离子体。
低温等离子工作原理
低温等离子工作原理一、概述低温等离子是一种利用电离气体产生等离子体的技术，其工作原理基于气体份子在电场作用下发生电离和激发，形成带电离子和自由电子。
低温等离子广泛应用于材料表面处理、光源制备、化学反应、等离子体显示等领域。
二、工作原理1. 气体电离低温等离子的工作原理首先涉及气体电离。
当气体置于电场中时，电场会加速气体份子的运动，使其具有足够的能量与其他份子碰撞。
当份子碰撞能量超过电离能时，份子会失去电子，形成正离子和自由电子。
2. 粒子输运电离后的正离子和自由电子在电场的作用下会受到力的驱动，沿着电场方向运动。
正离子和自由电子的运动速度取决于它们的电荷和质量，通常正离子的质量较大，速度较慢，而自由电子的质量较小，速度较快。
3. 碰撞与复合在低温等离子体中，正离子和自由电子会与其他份子发生碰撞。
这些碰撞可以使正离子和自由电子再次复合成为中性份子，释放能量。
复合过程中释放的能量可以用于激发其他份子或者产生光辐射。
4. 等离子体参数控制低温等离子的工作原理还涉及对等离子体参数的控制。
等离子体的参数包括电子温度、离子密度、电子密度等。
这些参数的控制可以通过调整电场强度、气体种类温和体压力等来实现。
三、应用领域1. 表面处理低温等离子在材料表面处理中具有广泛应用。
通过调整等离子体参数，可以实现对材料表面的清洁、改性、涂层等处理。
例如，等离子体刻蚀可以用于制备微细结构，等离子体沉积可以用于制备薄膜。
2. 光源制备低温等离子可以用于制备各种光源。
通过激发气体份子，可以产生特定波长的光辐射。
这种光源在光谱分析、荧光显示、激光器等领域有重要应用。
3. 化学反应低温等离子可以用于促进化学反应的进行。
等离子体中的高能电子可以激发份子，使其发生化学反应。
此外，等离子体中的活性物种还可以直接参预化学反应，加速反应速率。
4. 等离子体显示低温等离子在等离子体显示器中起到关键作用。
等离子体显示器利用气体放电产生的等离子体来激发荧光材料，产生可见光。
几种常见的等离子体
几种常见的等离子体等离子体（Plasma）是指与固、液、气三态并列的称为物质存在第四态的电离气体，这是由汤克斯（L. •Tonks）和朗格缪尔（I •Langmuir）首次提出的。
等离子体由全部或部分电离的导电气体组成，其中包含电子、原子或原子团形成的正、负带电粒子，激发态原子或分子，基态原子或分子及自由基等六大类粒子。
这些粒子的正、负电荷的数量及密度分布大致平衡，整体对外保持宏观电中性，故称等离子体。
在加热或放电等受激条件下，气体分子可部分解离为正、负离子以及电子等带电粒子。
此时，热运动或其它扰动可导致电离气体中电荷局部分离。
当电离气体宏观体系在其存在空间尺度上远远大于德拜长（电荷分离的最大允许尺度），同时在其存在时间尺度上远远大于由于电荷分离产生的朗格谬尔振荡（空间电荷振荡）周期时，这种导电而又同时在宏观尺度上维持电中性的物质体系即为等离子体。
普遍存在于恒星、星际天体、地球电离层等宇宙空间的自然界中的等离子体，称为天然等离子体。
目前观测到的宇宙物质体系中，99% 都是天然等离子体。
相对于天然等离子体而言，由人工放电、激光、激波等方法产生的电离气体等离子体，称为人工等离子体。
为便于读者初步快速了解相关基础知识，编辑简介等离子体基本概念及各种分类方法。
以下是根据等离子体的热平衡状态、等离子体的激发方式、气体放电形式进行分类。
一、等离子体热平衡状态类型按自身的热平衡状态，等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体两大类。
1、高温等离子体高温等离子体为热平衡态等离子体，如太阳及其他恒星、核聚变等离子体。
高温等离子体的特点是其所含电子温度等于粒子温度，均极高：Te = Ti = 106 ～108 K，等离子体密度也非常大，例如在地球电离层中，电子数密度ne = 105 cm-3，气体数密度ng = 1014 cm-3。
一般实验室难以产生高温等离子体，因为必须具备大型装置如，托卡马克。
2、低温等离子体低温等离子体为非热平衡态等离子体。
放电等离子体
eVi
e kT
p0 ga
电离度x：
等容变化
A A A / 22 A
2
等压变化
x
A
1 A
2.5.3非平衡等离子体
在气体放电过程中，电子很容易从外电场获得能量，因而温度
较高。离子主要通过与电最擅获得能量。在电子与离子的磁撞过程 中，由于电子与离子的质量相差很大，电子只能根少一部分能骨传 递给离子。
最普遍产生方法：
放电是气体加热的最方便手段，当外电压达到气体的着火 电压时，气体分子被电离而产生所谓的放电，形成包括电子、 各种离子、原子和自由基在内的集合体，称为放电等离子体。
2.5.1等离子体的分类与术语
1、等温等离子体
电子温度与离子温度、气体温度相等时的等离子体称为等温等离子体。
这种等离子体处于热力学的平衡状态，各成分的平均热运动动能相等， 称为能量等分原则（式中，C为各成分的热运动速度）
2.5放电等离子体
概念：
等离子体是指正电荷粒子与带负电荷粒子几乎等量混合， 整体呈电中性的一种集合体（媒体）。
不带电的中性粒子也同时存在，集合体由三种成分的例子 构成时，这种集合体也称为等离子体。当普通的中性气体被加 热到温度为数万开（K）以上时，气体分子发生热解离，形成 原子，进而发生热电离，形成带正电的离子和带负电的电子。 在此情况下，发生电离的气体整体呈中性，也属于等离子体的 一种。
这一现象称为缓和现象。
3、缓和时间 粒子间相互碰撞会导致以下现象：
1）不均匀的能量分布趋于均匀分布， 2）多成分系统中各成分的能量不等分状态会逐渐变为等分状态。 3）由非麦克斯韦分布变为麦克斯韦分布。
以上现象称为缓和现象，缓和快慢可用缓和时间表示。
等离子灭菌原理
等离子灭菌原理等离子灭菌是一种高效的杀菌方法，它可以在不使用化学物质的情况下，迅速而彻底地消灭细菌、病毒和真菌等微生物。
等离子灭菌的原理是利用等离子体产生的强烈氧化性物质，破坏微生物的细胞膜和核酸，从而达到杀菌的目的。
等离子体是指气体在高电压下形成的电离态，它由正离子、电子、自由基和激发态分子等组成。
等离子体的强烈氧化性来自于其中的自由基和激发态分子，它们能够与微生物的细胞膜和核酸等生物分子发生反应，破坏细胞结构，导致微生物死亡。
等离子灭菌技术主要分为两种，一种是低温等离子灭菌，另一种是高温等离子灭菌。
低温等离子灭菌是指在常温下，利用等离子体产生的强氧化剂杀灭微生物。
在这种技术中，等离子体是通过气体放电形成的，气体放电的能量激发气体分子，使其电离，从而形成等离子体。
等离子体所产生的强氧化剂可以直接与微生物反应，破坏微生物的细胞膜和核酸等生物分子，从而达到杀菌的目的。
低温等离子灭菌可以广泛应用于医疗、食品、制药、化妆品和半导体等领域，它具有杀菌效果好、速度快、无化学残留、无辐射危害等优点。
高温等离子灭菌是指在高温条件下，利用等离子体产生的强氧化剂杀灭微生物。
在这种技术中，等离子体是通过高温气体放电形成的，高温气体放电的能量激发气体分子，使其电离，从而形成等离子体。
高温等离子灭菌可以杀灭大多数微生物，包括芽孢、病毒和真菌等，具有杀菌效果好、速度快、对微生物的抵抗性低等优点。
高温等离子灭菌主要应用于医疗、实验室、制药和食品加工等领域，是一种重要的杀菌技术。
等离子灭菌是一种高效、无污染、无化学残留的杀菌方法，它通过利用等离子体产生的强氧化剂杀灭微生物，具有杀菌效果好、速度快、对微生物的抵抗性低等优点，是一种重要的杀菌技术。
气体放电中等离子体的研究
（3）抗干扰能力强。探针必须是电的良导体，在高温的等离子气体中任然要保持电的良导体的特性。
仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。
For personal use only in study and research; not for commercial use.
（2）带电粒子密度。电子密度为ｎe，正离子密度为ｎi，在等离子体中ｎe≈ｎi。
（3）轴向电场强度ＥL。表征为维持等离子体的存在所需的能量。
（4）电子平均动能Ｅe。
（5）空间电位分布。
此外，由于等离子体中带电粒子间的相互作用是长程的库仑力，使它们在无规则的热运动之外，能产生某些类型的集体运动，如等离子振荡，其振荡频率Fp称为朗缪尔频率或等离子体频率。电子振荡时辐射的电磁波称为等离子体电磁辐射。
Nur für den persönlichen für Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.
（4）电子平均动能Ｅe。
（5）空间电位分布。
此外，由于等离子体中带电粒子间的相互作用是长程的库仑力，使它们在无规则的热运动之外，能产生某些类型的集体运动，如等离子振荡，其振荡频率Fp称为朗缪尔频率或等离子体频率。电子振荡时辐射的电磁波称为等离子体电磁辐射。
3、探针法对探针有什么要求？
（1）探针必须要有较高的熔点，由于在电子温度比较高，玻璃管里的温度比较高，所以探针必须要要较高的熔点，防止探针在高温下融化。；
随着外加电压逐步增加，电流趋于饱和。最大电流是饱和离子电流Is1、Is2。
图5Байду номын сангаас
实验十气体放电中等离子体的研究.
云南大学物理实验教学中心实验报告课程名称：普通物理实验实验项目：实验十气体放电中等离子体的研究学生姓名：马晓娇学号：20131050137 物理科学技术学院物理系 2013 级天文菁英班专业指导老师：何俊试验时间：2015 年 10 月 16 日 12 时 00 分至 2 时 00 分实验地点：物理科学技术学院实验类型：教学 (演示□验证□综合□设计□) 学生科研□课外开放□测试□其它□一、引言随着温度的不断升高,构成气体分子的原子将发生分裂,形成为独立的原子,如氮分子(2N )会分裂成两个氮原子(N),这种过程被称为气体分子的离解.如果再就能一步升高温度,原子中的电子就会从原子中剥离出来,成为带正电荷的原子核和带负电荷的电子,这个过程称为原子的电离.当这种电离过程频繁发生,使电子和离子的浓度达到一定的数值时,物质的状态也就起了根本变化,它的性质也就变得与气体完全不同.为区别于固体/液体和气体这三种状态,我们称物质的这种状态为物质的第四态,又起名等离子体.电离出的自由电子总的负电离与正离子总的正电量相等.等离子体宏观上称电中性.等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质,它呈现出高度激发的不稳定态,其中包括离子/原子/电子和分子.等离子体是宇宙中常见的物质,在太阳/恒星/闪电中都存在等离子体,它占整个宇宙的99%.实验中对等离子体的研究是从放电开始的.朗缪尔和汤克斯首先引入”等离子体”这个名称.近年来等离子体物理的发展为材料/能源/信息/环境空间,物理空间/地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺.二、实验目的1. 了解气体放电中等离子体的特性;2.用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量三、实验原理（一）等离子体及物理特性等离子体定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体；在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果，等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场。
物理实验技术中的气体放电与等离子体技术
物理实验技术中的气体放电与等离子体技术近年来，气体放电与等离子体技术在物理实验中得到了广泛的应用。
在科学研究领域中，等离子体被用于研究物质的性质，开展气体放电实验，以及开发新型的电子设备。
本文将探讨气体放电与等离子体技术在物理实验中的应用以及其相关特点和意义。
一、气体放电实验气体放电是指在适当的条件下，气体中存在的电子被加速并与气体中其他原子或分子发生碰撞，从而产生高能态的电离现象。
气体放电实验可通过引入外部电场、施加粒子束等方式来激发气体分子和原子，产生电离，从而形成等离子体。
气体放电实验的一个重要应用是光谱分析。
通过对气体放电后发射的光谱进行分析，可以了解气体元素的谱线特征，从而确定物质的成分和性质。
这在天文学研究中尤为重要，例如利用太阳光的特征谱线来了解太阳的组成和动力学过程。
二、等离子体技术等离子体是一种高度电离的气体，由电子、离子和中性分子共同组成。
等离子体的电离度高，具有很好的导电性和热释放能力，因此被广泛应用于物理实验中。
等离子体技术的一个重要应用是等离子体刻蚀。
利用等离子体的离子和电子能量较高的特点，可以将这些能量转化为物质表面的化学反应能量，从而实现对物质的刻蚀。
这一技术被广泛应用于半导体制造和纳米加工领域。
除了刻蚀，等离子体还可以用于材料表面的改性。
等离子体束可以利用其高能离子的加速能力，将离子束引入到材料的表面，从而改变材料的性质。
例如，通过氮离子束轰击材料表面，可以增强材料的硬度和抗腐蚀性，提高材料的耐磨性。
三、气体放电与等离子体技术的意义气体放电与等离子体技术在物理实验中具有重要的意义。
首先，气体放电实验可以提供关于物质性质的重要信息。
通过观察气体放电时物质的电离行为和发射光谱，可以推断物质的成分、能级结构以及反应机制等。
其次，等离子体技术可以用于制造高性能的电子设备。
利用等离子体刻蚀和表面改性技术，可以在纳米尺度上制造出微电子器件。
这些器件具有更高的性能和更小的尺寸，对信息存储、通信和传感器技术等领域有着广泛的应用。
等离子体
等离子体(plasma)1.定义等离子体(plasma)又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。
它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。
等离子体——物质的第四态等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首次将“等离子体”（plasma）一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态。
等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。
等离子体温度分别用电子温度和离子温度表示，两者相等称为高温等离子体；不相等则称低温等离子体。
低温等离子体广泛运用于多种生产领域。
例如：等离子电视，婴儿尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性。
更重要的是在电脑芯片中的时刻运用，让网络时代成为现实。
等离子体发生器高温等离子体只有在温度足够高时发生的。
恒星不断地发出这种等离子体，组成了宇宙的99%。
低温等离等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。
等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。
等离子体造就的宇宙和自然奇观:星云太阳表面极光闪电利用等离子体的化学活性：等离子体化学活性很高，能够在温和的条件下使很多活化能较高的反应顺利进行。
最重要的反应是含卤素的等离子体对于硅的刻蚀，这是制备各种微电子器件的关键步骤。
等离子体还广泛应用于各种薄膜的沉积，包括硅、金刚石、各种氮化物、碳化物以及金属。
在污染物降解、杀菌、合成气重整、聚合反应等领域等离子体化学都有独特的优势。
由等离子体增强化学气相沉积制备的用于太阳能电池的非晶硅薄膜由于等离子体在低温下具有高活性的特点,等离子体增强化学气相沉积( PECV D)技术可显著降低薄膜沉积的温度范围。
等离子天线的基本概念及目前研究进展
等离子什天线
由放电管中低压惰性气体放电得到的等离子体代替了传统射频天线 中的金属导体。
基本原理：对于被放电管密封的等离子体而言，频率低于等离子体频 率的电磁波可以以表面波的模式进行传播，表面波被紧紧束缚在管壁表面， 沿半径方向的波会很快衰减，但表面波会沿放电管的轴向进行传播。等离 子体表面波的传播类似于波在金属天线振子上的传播，因此等离子体柱可 像金属柱一样可以用来作为天线振子
等离子体什天线
等离子体天线的优点
一，天线单元长度可控性
h BP P0
二，天线单元电导率等电特性可控
0 AP P0
三，反射性质——高通特性
四，消除互耦
当等离子体天线激励关闭时，天线构成中几乎没有金属， 对周围的其他电磁设备的干扰也将很小，所以改用等离子体天 线能够降低天线之间的互耦
电控等离子八木天线
电控等离子八木天线
轴向模等离子体螺旋天线
等离子火花塔原理
等离子火花塔原理等离子火花塔是一种利用等离子体产生强电场来去除空气中有害气体和颗粒物的设备。
它的原理是通过电离气体产生的等离子体来引发火花放电，从而产生强电场，进而吸附和去除空气中的有害物质。
等离子火花塔的工作原理可以分为三个主要步骤：电离、产生强电场和吸附去除。
首先是电离过程。
等离子火花塔内部包含一个电极系统，通常是由一个细长的金属导体和一个铜管组成。
当加在电极上的高电压达到一定程度时，空气中的分子会被电离成离子和自由电子，形成等离子体。
这个过程就好像是在空气中产生了一个微小的闪电。
接下来是产生强电场。
等离子体的存在使得电场非常强大，可以达到数千伏以上。
这个强电场会使得空气中的颗粒物和有害气体带电，并形成一个电云。
这个电云会在等离子火花塔内部形成一个较强的电场区域，从而增强了空气中有害物质的吸附能力。
最后是吸附去除。
在电场的作用下，带电的颗粒物和有害气体会被等离子火花塔的电极吸附。
吸附的过程是通过电极表面的静电力和化学吸附力来实现的。
这样，空气中的有害物质就被有效地去除了。
等离子火花塔的应用非常广泛。
例如，在工业生产中，等离子火花塔可以用于去除废气中的污染物，净化空气环境；在医疗领域，它可以用于净化手术室和病房的空气，预防病菌传播；在家庭中，可以用于净化室内空气，提高生活质量。
然而，等离子火花塔也存在一些问题。
首先，它需要较高的电压来产生等离子体，因此会消耗较多的能量。
其次，等离子火花塔对空气中的湿度和温度有一定的要求，湿度过低或过高都会影响其工作效果。
此外，等离子火花塔在吸附和去除有害物质的过程中，也会产生一些副产物，需要进行处理。
等离子火花塔是一种利用等离子体产生强电场来去除空气中有害气体和颗粒物的设备。
它的原理是通过电离气体产生的等离子体来引发火花放电，从而产生强电场，进而吸附和去除空气中的有害物质。
虽然存在一些问题，但其应用前景广阔，为改善空气质量提供了一种有效的手段。
冷等离子体和热等离子体
冷等离子体和热等离子体
等离子体是一种物质状态，它是由高温或高能量的电子、离子和中性粒子组成的。
等离子体可以分为冷等离子体和热等离子体两种类型。
冷等离子体是指温度低于室温的等离子体。
它通常是通过电离气体或者放电等方式产生的。
冷等离子体的温度通常在几千度以下，但是它的电子温度却很高，可以达到几万度。
冷等离子体的电子密度较低，通常在10^9/cm^3以下。
冷等离子体的应用非常广泛，例如在医学上可以用于治疗癌症、消毒和杀菌等；在工业上可以用于表面处理、材料改性等。
热等离子体是指温度高于室温的等离子体。
它通常是通过高温等方式产生的。
热等离子体的温度通常在几千度以上，但是它的电子温度和离子温度都很高，可以达到几百万度。
热等离子体的电子密度较高，通常在10^12/cm^3以上。
热等离子体的应用也非常广泛，例如在核聚变反应中可以用于产生高温等离子体，从而实现能源的可持续发展；在半导体工业中可以用于制造芯片等。
冷等离子体和热等离子体在物理性质上有很大的不同。
冷等离子体的电子温度很高，但是离子温度很低，因此它的离子和电子之间的碰撞频率很低，导致它的电导率很低。
而热等离子体的电子和离子温度都很高，因此它的电导率很高。
此外，冷等离子体的电子密度
很低，因此它的等离子体反应速率很慢；而热等离子体的电子密度很高，因此它的等离子体反应速率很快。
冷等离子体和热等离子体都有着广泛的应用前景。
它们在医学、工业、能源等领域都有着重要的作用。
随着科技的不断发展，我们相信等离子体技术将会得到更加广泛的应用和发展。
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电磁感应耦合等离子体
（二）金属卤化物放电灯(热等离子体)
典型的金卤灯结构及工作原理
Outer bulb
400 500 600 700 nm
Hg = Mercury Me = Metals Hal = Halids
Hg* Electrodes
Me1Me2Hal
Quartzburner
Hal* Hal
ignitor
Me* Me
Me+ MeHal
Mo-Foils
ballast
supply voltage
几种金卤灯的发射光谱
高压汞灯
Na- Tl –In 灯
稀土元素（Dy+Tm+Ho）
等离子体表面处理
（1）等离子体刻蚀
刻蚀是微电子电路加工的关键 工艺，过去的化学法（湿法） 刻蚀方向性差，无法满足亚微 米线宽的工艺要求。而等离子 刻蚀则利用气体放电引起相应 的化学反应，形成刻蚀所需要 的自由基，它们与基地反应生 成易挥发的反应物被流动的气 体带走，而对带保护膜的部分 没有影响，从而达到刻蚀的目 的。
e kT
3粒子组分满足化学平衡和质量守衡Βιβλιοθήκη 4带电粒子浓度满足沙哈方程
neni
2gi
(2 mekT )3/2
Ei
e kT
n0 g0
h3
等离子体光谱 1原子的线光谱：电子与原子碰撞，使其激发，激发态原子退 激发，以辐射的形式放出能量 E hv hc特/ 别的把第 激发态向基态跃迁产生的辐射称为共振辐射
依靠高频辉光放电形成的化学活性游离基与被腐蚀材料发生化学反 应的一种选择性腐蚀方法
（2）等离子体溅射镀膜
在低真空室中,将待溅射物制成靶置于阴极,用高压（通常在1000V以上） 使气体电离形成等离子体,等离子中的正离子以高能量轰击靶面,使待溅 射物的原子离开靶面,淀积到阳极工作台上的基片上,形成薄膜.
粒子平衡
•
ND
j
(
nj N
)
Sj
0
r
平衡 方程
热平衡 • kgTg SH Cp v • Tg 0
辐射平衡
dL ds
L
能量平衡：输入电能=辐射能+热损失
局部热力学平衡（LTE） :热等离子体
诊断模型
日冕模型(Corona model)
碰撞辐射模型（Collision-Radiation）：非平衡等离子体
等离子体的一般描述
通俗地说，等离子体就是电离气体，又被称为物质的第四态。按照严格定义， 等离子体指包含自由带电粒子的体系，其中库仑力起主要作用。一般情况下， 等离子体是电子、离子和中性原子组成的混合物。
电中性：宏观尺度上，等离子体空间任意一点呈电中性
德拜屏蔽：
低温等离子体的性质
由气体放电产生的部分电离等离子体，温度低于10ev（10万k）
I1
g1 A1v1
E1 E2
e KT
I2
g2 A2v2
用朗谬尔探针测量电子温度
随机电流 I eJ r As
Jr
1 4
nv
n 4
8Te
m
V1
Vs
V2
eV
对于双探针
I
Ii
tanh
2kTe
dI
eIi
dV I 0,V 0
2kTe
气体放电的全伏安特性曲线
BD: 汤生放电 DE: 亚辉光放电 EF：正常辉光放电 FG：反常辉光放电 GH：弧光放电
谢谢！
主要参考资料： 《光源原理与设计》 周泰明 复旦大学出版社 《气体放电物理》 徐学基 诸定昌 复旦大学出版社 《等离子体物理学》国家自然科学基金委员会 《等离子物理学专题报告》 王龙 《light and light sources》 Peter Flesch 《Plasma diagnostic techniques》 H.S.W Massey University college London
范氏放宽（同种粒子碰撞影响）
例：不同气压下 的汞放电的光谱
用发射光谱测量电子温度
对于原子的线光谱，辐射功率密度为：
()= 1 4
hc
nm
Anm n*
根据波尔兹曼分布，激发态浓度为
n*
n0
gn Z
e En / KT
考虑空间立体角，有
()= 1 4
hc
nm
Anm n0
gn Z
e En / kT
通常选取两条自吸 收率低的谱线：
热等离子体：Te=Ti 低温等离 子体
非平衡等离子体：Te>Ti>Tg
主要微 观过程
电子与原子的弹性碰撞：只交换动量，不
改变位能和电荷
r e A A* e E
r e A A 2e E
非弹性碰撞与其他作用
A* B A B e E A* hv A
A e A hv
低温等离子的平衡方程及主要模型
低温等离子体在光源中的应用
（一）荧光灯 （非平衡等离 子体） 发光原理：电极发射电子，电子在电场作用下与汞原子碰撞发生雪崩电离。同时
电紫子外激辐发射汞，原经子荧，光主粉要转是化为63可P1见共光振激发态，当其向基态跃迁时，产生253.7nm的
由于存在辐射吸收（禁锢效应），所以汞的蒸气压要控制在合理的范围，一般 在0.8Pa左右。但在这么低的气压下，电子的平均自由程过长，通过双极性扩 散带电粒子损失太大，因此要充200～400pa的氩气或氪气等惰性气体作为缓冲 气体，以减少带电粒子的损失
2分子的带状光谱：受激发的分子跃迁产生的辐射。不但分子 内电子能量发生变化，而且分子的转动能量和振动能量也发 生变化，这些谱线的集合就是分子带状光谱。
3连续光谱：a电荷符号相反的粒子相遇时发生复合，多余能
量以光子释放
E
Ei
En
1 2
me v 2b韧致辐射
谱线的自然宽度：不确定关系
4谱线的放宽：
多普勒放宽：辐射原子的热运动 谱线的压力放宽：斯塔克放宽（带电粒子的影响）
局部热力学平衡 成立条件：在一个平均自由程尺度的范围内粒子从电场中获得的能量远小于 热运动的能量，且温度的梯度可以忽略
则在该微元内，满足以下假设：
1电子速率服从麦克斯韦分布
f (v) 4 n(
m
) e v 3/ 2
m v2 2 kT
2
2 kT
2激发态粒子服从波尔兹曼分布
nk
n0
gk Z
Ek