第4章 气体放电和低温等离子体

电子在上述电磁场作用下，会在阴极表面周围做回旋漂移运 动，称为电子的磁控管运动。发生这一运动的电子，在一定 条件下因回旋辐射，会发射频率为GHz的强电磁波 (微波)。 称这种微波发振管为磁控管。
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2、电子回旋共振（ECR）
当磁场强度一定时，带 电粒子回旋运动的频率 与速度无关，因此若施 加于此频率相同的变化 电场，则带电粒子将被 接力加速，称为电子回 旋共振。 电子回旋频率与磁场B的关系为： f 2.8 1010 B 电子在满足上述条件的区域运动，电子将会获得很大的能量， 但由于电子与其他粒子碰撞及电子回旋运动的能量辐射等， 电子获得的动能并不是无限的。利用ECR得到的高能电子， 可以获得更充分的气体放电（高密度的等离子体）。
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电子或离子在电场作用下加速所获得的动能与质点的电荷 (e)、电场强度(E)以及碰撞前的行程(x)有关，即：
1 2 mv eEx Wi 2 Ui E
条件：x
高速运动的电子与中性的原子或分子碰撞时，如原子或分子 获得的能量等于或大于其电离能，则会发生电离，这种由碰 撞而引起的电离称为碰撞电离。
电离：若原子从外界获得的能量足够大，以致使一个或几 个电子摆脱原子核的束缚形成自由电子和正离子，这一过 程称为电离。电离所需的能量称为电离能Wi，通常用电子 伏(eV)表示，有时也用电离电位Ui表示， Ui = Wi /e (e为电 子的电荷量)。
1eV 1 V 1.6 10
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C 1.6 10
五、回复—退激发光
激发过程产生的激发状 态，一般情况下是不稳 定的。受激原子在10-7 到10-8秒内放出所获得 的能量回复到正常状态， 放出的能量以光子形式 辐射出去。
R
h
螺距 h: h v //T v //
2R 2mv 0 cos v qB
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2、非均匀磁场
带电粒子在非均匀磁场中向磁感应强度增加的方向运动
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三、带电粒子在电磁场中的运动
1、正交均匀电磁场
当电子初速度v0=0时，电子 在正交均匀电磁场中的运动 是：回旋运动加上一个垂直 于电场和磁场方向的漂移运 动，运动轨迹为旋轮线。 旋轮半径和旋转角频率 mE eB R eB 2 m Y方向前进的漂移速度：
来自百度文库19
J
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电离的方式：
碰撞电离 光电离 热电离 电极空间带电质点的产生 （空间电离）
潘宁电离
亚稳原子间的电离
金属表面电离
电极表面带电质点的产生
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1、电子碰撞电离过程
为维持辉光放电， 最为重要的碰撞即 为电子碰撞电离。
e A A 2e
电离碰撞产生2个电子，在电场中加速，直 到下一次碰撞电离。依靠这种反复发生的过 程维持辉光放电。
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2、电子碰撞激发截面
由于分子可能发生振动激发及旋转激发，因此其阈值比原子小。
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3、其他激发方式 光致激发
h A A* A*为受激原子
当光子能量超过原子的激发阈值 时，会引起原子激发。

离子碰撞激发
B A A* B A*为受激原子
具有一定动能的离子与原子碰撞 时，可以引起原子激发。
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2、径向电场和轴向磁场
在真空电弧中，带电粒子的轨迹很复杂。在电场作用下做直 线漂移运动，在磁场作用下做回转运动，在不断地碰撞中做 扩散运动。
带电粒子运动轨迹的曲率取决于粒子在两次碰撞间平均完成 旋转的圈数，称为霍耳系数，是重要的等离子体参数。
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四、磁控管和电子回旋共振
1、磁控管
圆筒形阳极和中心轴阴 极构成电极结构，两电 极间加电场。在轴向有 与电场垂直的外加磁场。
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4、亚稳原子在气相沉积中的作用
亚稳原子在离子气相沉积中，既可提高沉积原子的能 量，又可产生累积电离，提高离化率。
亚稳原子是长寿命的受激原子，它的作用首先是使逐 次跃迁和累积电离的可能性增加；另一个重要作用是 进行第二类非弹性碰撞，如前面提到的潘宁电离、中 性亚稳原子之间的碰撞电离等。
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四、附着—负离子的产生（气体中负离子的形成）
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3、其他电离方式
中性亚稳原子之间的碰撞电离
受某一激发能激发的中性亚稳原子之间发生碰撞，若二者 能量之和大于其中某一中性粒子的电离能，则可引起电离。
中性亚稳原子激发能量之和同B的电离能之差变为电子的动 能。
A B A B e
* *

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3、其他电离方式
电极表面电离或金属表面电离
5.3
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电极表面的电子逸出
正离子撞击阴极：正离子能量传递给阴极，不小于2倍金 属表面逸出功时发生电离。
光电子发射：金属表面受到短波长光照时，光子能量>金 属表面逸出功时，可造成电离。
强场发射：在阴极附近施加强电场可使阴极释放电子。在 真空的击穿过程中，具有决定性的作用。 热电子发射：加热阴极，使电子获取足够动能，克服金属 表面逸出功。
在离子气相沉积中，为了提高沉积层原子的离化率，不一定追 求高的加速电压，按上两图中曲线最大值出现的位置可知，当 电子获得几十到两百左右的eV能量时，电离几率最大。 23
3、其他电离方式
h A A 光电离：

由光辐射引起的气体分子的电离过程，称为光电离。 若光子能量大于气体分子电离能，则可能引起气体分子的 光电离。
非弹性碰撞对于气体放电和等离子体状态的维持至关 重要。
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2、二体弹性碰撞的能量转移
入射粒子向目标粒子的能量 转移比率： 1 2
mu Et 2 t t 4mi mt 2 cos 2 1 Ei mi vi2 mi mt 2
4mi mt 二体弹性碰撞 2 m m 能量传递系数： i t
( Er )r r0
2 mv0 er0
4
若电子以横向速度v1<v0或者v1>v0,则电子的运动轨迹不为圆周。
二、带电粒子在磁场中的运动 1、均匀磁场
当带电粒子沿磁场方向运动时: 粒子作匀速直线运动。
v0
当带电粒子的运动方向与磁场方向 垂直时: 粒子在磁场中做匀速圆周运动。
mv R 0 qB
3、非弹性碰撞的能量转移
目标粒子内能与入射粒子 动能之比的最大值：
U 1 mi vi2 2 mt cos 2 mi mt
二体非弹性碰撞内能 传递系数：
mt mi mt
当离子与气体原子发生第一类非弹性碰撞时，由于其质量大小 差不多，因此内能传递系数为0.5。即离子最多也是将其能量的 一半传递给中性原子，转换为内能。 当电子与气体原子发生第一类非弹性碰撞时，由于质量相差 悬殊，内能传递系数为1。即电子几乎是将其所有的动能传递 给中性原子，转换为内能 16
2R m T 2 v0 qB
2 qB T m
v0
F
周期和角频率只与B有关。 正离子回转方向与电子方向相反， 且回转半径大、角速度小、周期长
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3）如果 v0 与 B 斜交成角： 粒子作螺旋运动，
2m T qB
mv0 sin R qB
v
v0
B
v //
电子从金属电极(阴极)表面逸出来的过程称为电极表面电离。
使阴极释放电子需要的能量: 逸出功。
逸出功与金属的微观结构和表面状态有关, 与金属温度无关。
金属表面逸出功比气体电离能小很多，因此电极表面电离在气 体放电过程中有相当重要的作用。
一些金属的逸出功 金属 铝 银 逸出功 1.8 3.1
铜
氧化铜
3.9
阈 值 能 量
极 限 波 长
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3、其他电离方式 热电离
气体在热状态下引起的电离过程称为热电离。 热电离本质：高速运动的气体分子的碰撞电离和光电离，只 不过能量不是来自电场而是气体分子本身的热能。
气体分子平均动能与分子温度的关系：
波尔茨曼常数 1.38×10-23J/K 热力学温度
3 W kT 2
在利用气体放电的气相沉积和干法刻蚀中，离子每发生一 次弹性碰撞，最多可以损失其全部能量。而发生一次非弹性碰 撞，最多可以损失其全部能量的一半；电子在弹性碰撞中几乎 不损失能量，而在非弹性碰撞时几乎把所有能量全部传递给中 性粒子。
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二、电离-正离子的形成 (带电质点的产生)
产生带电质点的物理过程称为电离，是气体放电的首要前提。
第四章
气体放电和低温等离子体
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带电粒子在电磁场中的运动 气体原子的电离和激发 气体放电发展过程 低温等离子体概述 低温等离子体的产生辉光放电 弧光放电 高频放电 低压力高密度等离子体放电
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4.1带电粒子在电磁场中的运动
一、带电粒子在电场中的运动
1、平行电场
F qE ma
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4.2 气体原子的电离和激发
一、碰撞- 能量传递过程 1、弹性碰撞和非弹性碰撞
弹性碰撞：若电子或离 子的动能较小，当其与 他原子或分子碰撞时， 达不到使后者激发或电 离的程度，碰撞双方仅 发生动能交换。
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1、弹性碰撞和非弹性碰撞
非弹性碰撞：若电子或离子的动能达到数电子伏以上， 碰撞造成原子或分子的内部状态发生变化，例如造成 原子激发、电离、分子解离、原子复合及电子附着等。 这样的碰撞称为非弹性碰撞。
电子被原子、分子等捕获形成负离子的过程叫做附着，反 之，电子被负离子放出的过程叫离脱。
附着过程发生的几率，与中性粒子（原子、分子）对电子的亲 和力（电负性）有关。电负性气体分子捕获电子的能力除与气 体性质有关外，还与电子的动能有关，电子速度高时不容易被 捕获，因此电场强度很高时电子附着率很低。 34
热电离实质上是热状态产生的碰撞电离和光电离的综合。
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3、其他电离方式 潘宁电离
若混合气体中甲气体的亚稳激发态能高于乙气体的电离能， 则会出现潘宁电离，可使混合气体的击穿强度低于这两种气 体各自的击穿强度。
A* B A B e
从绝缘的观点看，潘宁效应是很不利的；但在气体放电应用 中，如在电光源和激光技术中，则常常利用潘宁效应。 在离子气相沉积中，潘宁电离非常重要。离子沉积中通常通 入保护气体或反应气体，如氩气、氮气等。氩气的亚稳激发 电位是11.55 eV，多数沉积元素是金属或其化合物，金属的 电离电位是7~10 eV。当氩的亚稳原子与金属原子相互作用 时，产生潘宁电离，提高金属的离化率。
电子经过电势差为U所得到的能量变成动能。
1 2 mv eU 2 故电子与电势差的关系 2eU v m
3
2、径向电场
两个同轴圆柱电极，两极之间的 电场是径向的。则其强度为： U1 U 2 1 Er r ln 2 r r1
设电子以横向速度v0在r=r0处进入此电场，若电子在r=r0处受到 的径向电场力与惯性离心力大小相等，方向相反，则径向加速 度为零，于是电子沿圆周运动，这时电场强度为：
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三、激发—亚稳原子的形成
1、电子碰撞激发
电子与常态原子A发生非弹 性碰撞，A中的电子吸收了 入射电子的能量后，从低能 级跃迁到高能级，破坏了原 子的稳定状态称为激发态， 该原子称为受激原子。
A e A* e
亚稳原子：受激原子如果不能以辐射光量子的形式自 发的回到正常的稳态，而是停留时间较长，达到10-4 秒到数秒，这种激发态称为亚稳态，其激发原子称为 亚稳原子。
E u B
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2、径向电场和轴向磁场
带电粒子在径向电场中运动， 还要受到轴向磁场的影响。 径向力包括径向电场产生的 电场力，轴向磁场产生的洛 伦兹力，还有离心力。 横向力只有轴向磁场产生的 洛伦兹力。电子和粒子的运 动轨迹如图所示。
电子的回转半径小，回转频率大，最后漂移到阳极上去。离子 的的回转半径大，回转频率小，最后漂移到阴极上去，实现等 离子体分离。
当入射粒子与目标粒子质量相同时，能量转移比率最大，说明 同种气体原子间碰撞的能量转移十分有效。 非常重的粒子碰撞非常轻的粒子（θ=0时），轻粒子被碰撞后的 速度为入射重粒子速度的两倍。 非常轻的粒子碰撞非常重的粒子（θ=0时），能量转移比率非常 低。但是电子在由阴极向阳极运动的过程中，由于碰撞频繁，每 15 秒内传递给气体分子、原子的能量不可忽视。
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2、碰撞电离有效截面
电子与原子碰撞的截面与 原子的几何截面有关，而 碰撞电离的有效截面还与 电子的能量有关。
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2、碰撞电离有效截面
S ei Z e f i f i 为产生电离的碰撞占总碰撞次数的比例，称为碰撞电离几率。
Z e 为单位路程电子与气体分子碰撞的平均次数，即平均自由程的倒数。