等离子体物理学前沿

《等离子体物理学前沿》

大作业题

一、（1）有哪几种低气压射频放电？简述其放电产生等离子体的原理。

（2）有哪几种电子加热机制？简述其物理图象。

（1）低气压电感耦合和电容耦合射频放电。

电感耦合：感性放电中的等离子体是通过将射频功率加在一个非共振线圈上产生的"根据法拉第电磁感应定律,当平面型或者圆柱型的线圈中通入环向交变电流时,在被这些线圈缠绕的放电腔室内,该电流会激发出磁场,这个交变的磁场又会感应出环向的电场从而将腔室内的气体击穿,产生等离子体"由于环向电场对电子和离子的加速作用,在放电腔室内会诱导出环向的等离子体电流,该电流与线圈中的电流藕合起来,不断地修正所激发的电磁场的空间分布"通过强电离和输运扩散过程,最终等离子体演变到稳定状态"这种放电机制激发的等离子体与放电环路之间的祸合作用可以等效成为一个变压器,因此这种放电模式被称为感性放电模式.

电容耦合: 电容耦合方式是由接地的放电室(由复合系数很小的材料如石英做成)和引入的驱动电极作为耦合元件.驱动电极上镀有溅射产额较低的陶瓷材料以减少离子的对阴极材料的溅射。当与电源接通后,在放电室和驱动电极之间产生高频电场,自由电子在此作用下做上下往复运动,并激发放电。由于电子的自由程远大于放电室的尺寸,因此主要靠它们从管壁上打出的二次电子而获得倍增,后者成为这种放电的维持者,而由气体电离所产生的二次电子将起次要作用。

（2）电子加热方式分为欧姆加热和随机加热，欧姆加热也称碰撞加热,它是通过做振荡运动的电子与中性粒子碰撞后产生的动量转移造成的。对于随机加热,在感性祸合放电中,电子是在趋肤层中获得能量的,趋肤效应产生的条件如下:当入射电磁场的频率低于等离子体频率时,电磁场只能进入等离子体的表层,这一表层称为趋肤层,这一表层的厚度称为趋肤深度,因此,在感性祸合放电中,如果感应的电磁场在等离子体表面产生趋肤效应,那么电磁场只存在于趋肤层中,而不能深入到等离子体内部.

二、简述等离子体鞘层形成的机理和种类，并指出鞘层在等离子体处理工艺中所

起的作用。

等离子体鞘层形成的机理：在有界的等离子体的边缘存在一个电位变化区域。它的作用是滞留易动的带电粒子，并使得流向器壁的正负载流粒子的流量相等。在通常情况下，由等数量的正离子和电子组成、呈电正性的等离子体中，电子的迁移率远大于离子的迁移率。因此，相对于接地的器壁，等离子体是带正电的，这个位于等离子体和器壁间的非电中性电位变化区域称为鞘层。

离子体鞘层种类：直流鞘层，高电压鞘层。

由于鞘层的存在，当带电粒子进入鞘层后，会被鞘层电场加速获得能量。因而在利用等离子体处理材料时，鞘层的存在为粒子提供了足够的动能和材料相互作用。

三、（1）解释什么是尘埃等离子体？并进行举例说明。

（2）描述等离子体中尘埃颗粒的充电、受力和输运过程的主要物理模型。

（1）尘埃等离子体(dusty plasma)物理是最近一二十年中迅速成长起来的研究领域,也被称为复杂等离子体(complex plasma).这种等离子体的组分除了电子、离子以及中性气体以外,还包含有带电微粒(多数情况下为固体微粒,成分可以是金属或非金属),微粒的尺寸通常小的可到纳米量级、大的可到几微米或几十微米甚至到毫米量级,微粒的形状可以是规则的,也可以是不规则的.这一物质形态最重要的特点是微粒在等离子体中是带电的(通常情况下带负电),每个颗粒能带成千上万个基本电荷,但荷质比却比离子要小很多个数量级;此外所带的电荷不是常数,是随等离子体参数的变化而变化的;颗粒的运动除了受重力作用外,主要受电磁力的支配.

举例：微电子工业中经常遇到颗粒污染问题。

（2）等离子体中的尘埃颗粒表面,同任何暴露于等离子体中的表面一样,会由于收集电子、离子而携带电荷,或由于光电发射、二次发射而产生电荷改变.如果经过鞘层电场加速的电子流有足够大能量,则可引起尘埃粒子二次电子发射,而使尘埃粒子上电荷数减少,电势升高.等离子体中非均匀和随时间变化的电场也会影响尘埃颗粒的电荷情况.在没有电子发射情况下,带电过程由周围等离子体中进入的电子、离子的能量支配,由于电子的迁移率高,所以尘埃微粒带负电荷.

用Shukla 方程描述其充放电过程：

1111i e d eh d I I q t

q +=+∂∂ν q d1为尘埃粒子电量在某个值附近的起伏值，I e1,I i1是电子和离子对尘埃粒子

是尘埃粒子电荷弛豫速率，它与电子、离子的浓度和温度，尘的充电电流，

eh

埃粒子的大小以及电量有一定量的关系。

较大的尘埃粒子主要受重力作用运动，较小的尘埃粒子主要受静电力作用运动；而且在鞘层中由于离子的超声速定向运动，离子会和尘埃粒子碰撞，此作用力称为离子拖拽力；还有收到中性气体的摩擦力作用；如果有较强的温度梯度，则存在沿着热流方向的热泳力；假如空间环境存在强电磁辐射，则尘埃粒子会受到辐射压力的作用。

四、（1）简述大气压放电等离子体的基本特征；

（2）假设简单平板放电系统，放电气压分别为10 mTorr, 和760 Torr。请问哪种气压下的放电采用流体模型描述更最准确，并简述一下原因。

（1）常见的大气压气体放电形式有：电晕放电、电弧放电、截止阻挡放电以及辉光放电。不同的放电形式下，其产生的等离子体具有不同的特征，比如电弧放电产生的等离子体具有高温的特点；电晕放电通常发生在极不均匀电场中的强电场区域的小范围空间，放电比较弱，产生等立体及活性粒子效率太低；截止阻挡放电，通常由一些放电细丝组成，其电流密度很大；对于大气压辉光放电，主要有一下几点特征：

①辉光放电在电极间的光强分布是明、暗相间的有规律分布；

②管压降U明显低于着火电压Ub。正常辉光放电的管压降不随放电电流的变化而改变；

③阴极电子的发射主要是过程，即正离子、亚稳态原子、光子和高速运动的中性粒子打到阴极上产生次电子发射；

④阴极位降区是维持辉光放电必不可少的区域，具有大约70~400V的阴极位降（大小与气体种类、阴极材料有关）。在这一区域产生电子雪崩放电，满足维持自持放电条件，净余空间电荷为正电荷；这与罗果夫斯基的空间电荷分布假设很相近。⑤辉光放电的电流密度大约为uA~mA/cm2。

（2）760 Torr下采用流体模型更好。因为在10 mTorr低气压下，电子、离子等粒子的分布远离波尔兹曼分布，无法利用Boltzmann方程，得到这些宏观物理量所满足的偏微分方程组、等离子体流体力学方程组，因此在高气压下流体模型可以更好的模拟描述其放电。