第二章气体放电和低温等离子体课件.ppt

第二章 气体放电和低温等离子体,第二章 气体放电和低温等离子体,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,2.1带电粒子在电磁场中的运动,一、带电粒子在电场中的运动,电子经过电势差为U所得到的能量变成动能。,1、带电粒子在平行电场中的运动,2、带电粒子在径向电场中的运动,两个同轴圆柱电极，两极之间的电场是径向的。则其强度为,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,若电子以横向速度v1v0,则电子的运动轨迹不为圆周，如图所示。,当带电粒子沿磁场方向运动时:,当带电粒子的运动方向与磁场方向垂直时:,粒子作匀速直线运动。,二、带电粒子在磁场中的运动,1、带电粒子在均匀磁场中的运动,粒子在磁场中做匀速圆周运动。,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,（3）如果 与 斜交成角,粒子作螺旋运动，,螺距,2、带电粒子在非均匀磁场中的运动,三、带电粒子在电磁场中的运动,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。,1、在正交均匀电磁场中的运动,Y方向前进的漂移速度：,漂移速度只与E和B有关，与q、m均无关。不管是正粒子还是负粒子，漂移方向是一样的；离子和电子的漂移速度相同。但是正离子的旋轮半径比电子大得多，角速度小得多。,旋轮半径和旋转角频率,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。,2、带电粒子在径向电场和轴向磁场中的运动,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。,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。,2、带电粒子在径向电场和轴向磁场中的运动,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。,四、磁控管和电子回旋共振,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。,1、磁控管,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,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。,2、电子回旋共振（ECR）,电子回旋频率与磁场B的关系为,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。,一、碰撞- 能量传递过程,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。,1、弹性碰撞和非弹性碰撞,本节主要内容：带电质点（粒子）的产生与消失,2.2气体原子的电离和激发,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。,1、弹性碰撞和非弹性碰撞,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。,入射粒子向目标粒子的能量转移比率：,2、二体弹性碰撞的能量转移,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（=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（=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，每秒内传递给气体分子、原子的能量不可忽视。,二体弹性碰撞能量传递系数：,目标粒子内能与入射粒子动能之比的最大值：,3、非弹性碰撞的能量转移,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,二体非弹性碰撞内能传递系数：,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。,激励(激发)：当原子获得外部能量，一个或若干个外层电子跃迁到离原子核较远的轨道上去的现象。激励需要外界给原子一定的能量，称为激励能。,产生带电质点的物理过程称为电离(游离)，是气体放电的首要前提。,二、电离-正离子的形成(带电质点的产生),电离(游离)：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)。,电离的方式：,（空间电离）,为维持辉光放电，最为重要的碰撞即为电子碰撞电离。,1、电子碰撞电离过程,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。,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：,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。,即使满足碰撞电离条件,也不一定每次碰撞都引起电离引入“平均自由程”概念。,平均自由程：一个质点在每两次碰撞间自由通过的平均距离。,碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点（离子）的最重要的方式，由电子引起的电离占主要地位。,电子：平均自由程大，获取的动能大；质量小，弹性碰撞时几乎不损失动能。离子：平均自由程短，碰撞间获得的动能少；碰撞时要损失动能。,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。,2、碰撞电离有效截面,电子在气压为1Torr，0气体中每经过1cm路程所产生的离子数称为微分电离系数,曲线上升部分近似为直线，直线斜率为常数，称为电离系数。表示能量为的电子在气压为1Torr，0气体中每经过1cm路程所产生的离子数,2、碰撞电离有效截面,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，当电子获得几十到一百电子伏能量时，电离几率最大。,影响碰撞电离系数的因素,由光辐射引起的气体分子的电离过程，称为光电离。,即当气体分子受到光辐射时，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。,频率为v的光子能量：,因为大气层的阻挡，阳光到达地面的波长 290nm（可见光波长为380780nm），因此，普通阳光照射不足以引起气体分子的光电离。,例如波长为300nm的紫外线，其光波能量为：,3、其他电离方式,光电离,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：,热电离实质上是热状态产生的碰撞电离和光电离的综合。,3、其他电离方式,3、其他电离方式,热电离,室温气体分子的动能只有0.1eV左右，远不能引起激发和电离，只有当气体的温度达到3000K以上时，才可以观察到高速原子碰撞而引起的热激发和热电离。通常，在一个大气压以上的弧光放电的温度可达5000-6000k，可能导致热电离。而在一般低气压气体放电中，中性气体分子很难达到如此的高温，很难发生热电离。,原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨道，称之为激励（激发），所需的能量称为激励能We 。,激励能比电离能小，原子或分子有可能在外界给予的能量小于电离能Wi但大于激励能We时发生激励。,原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电离，此时所需要能量为Wi-We。,激发态不稳定，经过约10-8s就会回复到基态。分级电离概率小。,某些原子具有亚稳激发态，其平均寿命较长，可达10-410-5s 。只有亚稳激发态才会引起分级电离。,3、其他电离方式,分级电离,分级电离,若混合气体中甲气体的亚稳激励态能高于乙气体的电离能，则会出现潘宁效应（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。,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。,3、其他电离方式,在离子气相沉积中，潘宁电离起着非常重要的作用。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11.55eV，多数沉积元素是金属或其化合物，金属的电离电位是7-10eV。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。,中性亚稳原子之间的碰撞电离,3、其他电离方式,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，则可引起电解。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。,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。,3、其他电离方式,电极表面的电子逸出（电极表面电离或金属表面电离）。,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。仅对电弧放电有意义。,三、激发亚稳原子的形成,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。,1、电子碰撞激发,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。,2、电子碰撞激发截面,3、其他激发方式,光致激发,离子碰撞激发,当光子能量超过原子的激发阈值时，会引起原子激发。,具有一定动能的离子与原子碰撞时，可以引起原子激发。,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。,四、附着负离子的产生（气体中负离子的形成）,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,电子与中性气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲合能。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易形成负离子。为了说明原子在分子（化合物）中吸引电子的能力，引入电负性概念，是一个无量纲的数，其值越大，表明原子在分子中吸引电子的能力越大。电负性综合考虑了电离能和电子亲合能。用来表示两个不同原子间形成化学键时吸引电子能力的相对强弱，是元素的原子在分子中吸引共用电子的能力。,负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。SF6气体含F，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。,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。,五、带电质点的消失,与两电极的电量中和带电质点受电场力的作用定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流。 带电质点的扩散 带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域移动，从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散。电子的热运动速度高、平均自由程大，其扩散比离子扩散快得多。,复合中性原子或原子团的形成（带电质点的复合）,带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程，称为复合。复合是电离的逆过程。,复合中性原子或原子团的形成（带电质点的复合）,带电质点复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。,带电粒子除了进行上述的空间复合之外，还可能在器壁上复合或者进入电极消失。,电子进入阳极：电子在电场作用下进入阳极，电子的动能转变为热能，使阳极升温或者激发出二次电子。,正离子进入阴极：正离子从阴极拉出电子与其复合成中性原子。正离子轰击阴极，其能量转变为热能，使阴极升温或者激发出二次电子。这是维持气体放电的关键。,负离子到达阳极放出一个电子变为中性粒子。,带电粒子在器壁上复合：带电粒子在器壁上碰到一起很容易复合，多余的能量使器壁升温。,六、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秒到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。,该过程又称退激发光。平常见到的等离子体发光，几乎都是这种回复过程产生的。,回复是激发的逆过程,回复过程放出光的波长与核外电子从较高能级返回较低能级的能量差有关。这对原子、分子来说是固有的。因此，对等离子体的发光光谱进行分析，可以确定等离子体中激发原子的种类。,七、解离分解为单个原子或者离子,解离是由几个原子组成的分子分解为单个原子的过程。通过非弹性碰撞，分子若能获得大于其结合能的能量，可以实现解离。,一般工程用等离子体中，这种解离过程以及前面的激发过程和复合过程，都可以形成激发态的亚稳原子。利用这些亚稳原子可以进行等离子体刻蚀和等离子体化学气相沉积等。,实现解离的方法主要有：,八、离子化学活性离子间的化学反应,在离子气相沉积中，等离子体化学的作用越来越重要，它促进化合物涂层的形成。可以将化学气相沉积中在高温下进行的反应，降低到低温下进行。,2.3气体放电发展过程,输电线路遭受雷击,美国俄克拉荷马州塔尔萨市上空出现的闪电奇观,电介质：不导电或导电率极小的物质。 例如：空气、橡胶、纯净水。击穿：电介质变为导电通道的现象。放电：气体电介质的击穿现象。,2.3气体放电发展过程,将真空容器抽真空至10-1Pa的某一压强时，接通相距d的两个电极间的电源，使其电压逐渐上升。当电压低时，基于宇宙线及存在于自然界的极微量放射性物质射线引起的电离，电路中仅流过与初始电子数相当的暗电流。随着电压增加，当加速电子能量大到一定值之后，与中性气体分子或者原子碰撞使之电离，于是电子数按等比级数迅速增加，形成电子繁衍过程，称为雪崩式放电过程。但此时的放电属于非自持式放电过程，其特点是，若将原始电离源出去，放电立刻停止。若将原始电离源去掉放电仍能维持，称为自持式放电过程。,气体放电的现象与发展规律与气体种类、气压大小、气隙中的电场形式、电源容量等一系列因素有关。但无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段，它在所加电压达到一定数值时出现。,一、 放电的电子崩阶段,1、非自持放电和自持放电的不同特点,各种高能辐射射线（外界电离因素）引起：阴极表面光电离气体中的空间光电离因此：气体空间中存在一定浓度的带电质点。 在气隙的电极间施加电压时，可检测到很微小的电流。,1、非自持放电和自持放电的不同特点,电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小,电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态）,电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的,电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿）,外施电压小于U0时的放电是非自持放电。电压到达U0后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素，此时的放电为自持放电。,2、电子崩的形成（BC段电流剧增原因）,放电由非自持向自持转化的机制与气体的压强和气隙长度的乘积(pd)有关：汤逊理论(pd值较小)流注理论(pd值较大)共同理论基础：电子碰撞电离形成电子崩。,2、电子崩的形成,外界电离因素在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。,依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流称为电子崩。,2、电子崩的形成,均匀电场 不随x变化,新增电子数,回路电流,I0：外电离因素引起的初始光电流,过程：电子在电场作用下，向阳极加速运动，超过一定能量值后，与气体分子发生碰撞电离。一个电子产生了两个电子，重复这一过程，实现了电子的繁衍，即电子崩形成。,过程：离子在阴极位降的作用下，轰击阴极，产生电子，即二次电子。以电子为火种，引起后续的过程，继而继续产生电子。达到一定条件，即使没有外界因素产生的电子，也能维持放电进行，即放电进入自持状态。,二、 自持放电条件,二、 自持放电条件,汤逊理论 (pd值较小)流注理论 (pd值较大),要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。实验现象表明，二次电子产生的机制与气压和气隙长度的乘积（pd）有关：,1、pd 值较小的情况（汤逊理论）,1903年，由英国人汤逊(J.S.Townsend)根据试验事实，提出了比较系统的气体放电理论，阐述了气体放电过程，并确定出放电电流和击穿电压之间的函数关系。汤逊气体放电理论最早定量地解释了气体放电理论。,适用条件：均匀电场，低气压，短间隙。,1、pd 值较小的情况（汤逊理论）,（1）汤逊自持放电判据,在电场作用下，正离子向阴极运动，由于它的平均自由行程长度较短，不易积累动能，所以很难使气体分子发生碰撞电离。但当正离子撞击阴极表面时却有可能引起表面电离而拉出电子，部分电子和正离子复合，其余部分则向着阳极运动形成新的电子崩。,电子碰撞电离系数 ：一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。 阴极表面电离系数 ：一个正离子撞击阴极表面时从阴极表面平均逸出的自由电子数。,如果电压足够大，初始电子崩中的正离子在阴极上产生出来的新电子等于或大于n0，即使除去外界电离因子的作用，放电也不会停止，这就变成了自持放电。到达阳极的电子数目：,1、pd 值较小的情况（汤逊理论）,（1）汤逊自持放电判据,新增电子数,个正离子轰击阴极时，过程将使阴极逸出 个新电子，因此，从阴极逸出的电子数将不止是由外界因素所产生的电子数,（1）汤逊自持放电判据,上式写作：,到达阳极的电子数：,则有：,阳极电流密度：,从阴极逸出的电子数是加上由过程产生的二次电子数，即为：,如果放电达到稳定状态，则从阴极逸出的电子数不会再增加，仍为 ，即有,将电子崩和阴极上的过程作为气体自持放电的决定因素是汤逊理论的基础。,（1）汤逊自持放电判据,均匀电场中自持放电的条件：,上式中如果,其物理意义为：在放电满足自持条件时，尽管除去了原始电离源，电极间仍然有电流通过。即上式中分母为零。,汤逊理论的实质：,气体间隙中发生的电子碰撞电离是气体放电的主要原因(电子崩)。二次电子来源于正离子撞击阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。,（2）气体击穿的帕邢定律,1889年，帕邢（Paschen）从大量实验中总结了击穿电压Ub与pd的关系，称为帕邢定律。,当气体和电极材料一定时，气隙的击穿电压是气体压力p和气隙距离d乘积的函数，即：,（2）气体击穿的帕邢定律,对应于某一pd值，空气间隙的击穿电压最低。即Ub有极小值。,帕邢定律：直流辉光放电的击穿电压、压强与电极间距乘积Pd之间存在的函数关系。,只有在适当的Pd乘积下，气体放电的击穿电压才最低。,（2）气体击穿的帕邢定律,由帕邢定律可知，当极间距离d不变时，提高气压或降低气压到真空，都可以提高气隙的击穿电压，这一概念具有十分重要的实用意义。,帕邢定律与汤逊理论的关系前者为后者提供实验结果支持；后者为前者提供理论依据。,（3）汤逊理论的不足,汤逊理论是在pd较小时在实验的基础上建立的，当pd较大时，此理论就不再适用，一些实验现象无法解释。,放电外形：按汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展，但在大气压下击穿会出现有分支的明亮细通道。,放电时间：高气压下击穿过程所需时间，实测值比理论值小10100倍。,阴极材料：按汤逊理论，击穿过程与阴极材料有关，然而在大气压力下的空气隙中击穿电压与阴极材料无关。,主要原因：,汤逊理论没有考虑电离出来的空间电荷对电场的畸变作用。,汤逊理论没有考虑光子在放电过程中的作用（空间光电离和阴极表面光电离）。,在pd较小时这两个因素影响不显著的原因：,空间电荷是电子崩过程中气体分子电离的产物。pd越大，电离总数越多，空间电荷数越多，电荷数按指数规律增加。,d大时，因电离总数剧增，电子及正离子的浓度很大，所以必然伴随着强烈的复合和激励过程，放出的光子数量急剧的增加。,大量空间电荷造成局部强场区，而碰撞电离系数 对电场很敏感。在强场区，由光子电离出来的电子容易形成二次电子崩。,2、pd 值较大的情况（流注理论）1937年,（1）电子崩中空间电荷对电场的畸变作用,a图：电子崩发展过程中，电子移动速度快，正离子相对于电子可看成静止的，崩头集中电子，后部为正离子；由于电子的扩散作用，电子崩横向半径逐渐扩大形成半球头的锥体。b图：电子崩过程中，电子数 N 呈指数增加。电子崩的电离过程集中在头部，空间电荷分布极不均匀。c图：当电子崩发展到一定程度，其形成的空间电荷的电场大大增强。d图：崩头和崩尾的电场增强，电子崩内正负电荷区域间电场削弱，合成电场发生明显的畸变。,电子崩头部电荷密度大，电离过程强烈，且电场分布畸变，导致崩头放射大量光子；崩头前后电场增强，有利于分子离子发生激发现象，其从激发状态恢复正常状态时，放射出光子；电子崩内部正负电荷区域间电场削弱，有利于发生复合过程，同样发射出光子。光子的数量和能量取决于电场畸变的程度。当外电场较弱时，上述过程并不强烈，没有发生新的现象；当外电场达到击穿场强时，上述过程十分强烈，空间电荷数量达到一定数值时，放射出的光子数量和能量足以引起空间光电离，电子崩头部形成流注。,（1）电子崩中空间电荷对电场的畸变作用,（2）流注的形成,正流注的形成,正流注的形成,在电子崩附近由光电子引起新的子电子崩，电子崩接近阳极时，电离最强,光辐射也强。光电子产生的子电子崩汇集到由阳极生长的放电通道，并帮助它的发展，形成由阳极向阴极前进的流注（正流注），流注的速度比碰撞电离快。同时，光辐射是指向各个方向的，光电子产生的地点也是随机的，这说明放电通道可能是曲折进行的。正流注达到阴极时，正负电极之间形成一导电的通道，可以通过大的电流，使间隙击穿。,负流注的形成,如果所加电压超过临界击穿电压（过电压），电子崩电离加强，虽然电子崩还没有发展到阳极附近，但在间隙中部就可能产生许多光电子及子电子崩,它们汇集到主电子崩,加速放电的发展，增加放电通道的电导率，形成由阴极发展的流注（负流注）。,（3）流注自持放电条件,流注的特点是电离强度很大和传播速度很快。流注一旦形成，放电可由自身产生的空间光电离自行维持，进入自持放电阶段，即均匀电场间隙被击穿。因此，均匀电场间隙击穿条件，即自持放电条件，即流注形成条件。流注形成的主要因素是电子碰撞电离及空间光电离。只有电子崩头部电荷达到一定数量，空间电荷畸变电场达到一定程度，造成足够的空间光电离，才能转入流注。,（4）流注理论对放电现象的解释,放电外形pd很大时，适用流注理论。流注中电荷密度大，电导很大，其中的电场强度小。随着流注的发展，周围空间电场被减弱，抑制其他流注形成发展。流注放电具有细通道。pd较小时，适用汤逊理论。电子崩电荷密度小，电场强度大，不影响周围空间电场，不影响其他电子崩的产生。汤逊放电呈连续一片。 放电时间流注理论：光子以光速传播，流注发展速度快，放电时间特别短。,（4）流注理论对放电现象的解释,阴极材料的影响流注理论：维持自持放电是空间光电离，不是阴极表面的电离，所以击穿电压与阴极材料基本无关。汤逊理论：自持放电与阴极表面电离有关，击穿电压与阴极材料有关。结论：汤逊理论与流注理论相互补充，说明不同的放电现象。两个理论都还很粗糙，无法精确计算具体绝缘材料的击穿电压，要通过实验方法获取。,1、稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点,稍不均匀电场中放电的特点与均匀电场中相似，在间隙击穿前看不到放电的迹象。,三、 不均匀电场中气体放电的特点,半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系,放电具有稍不均匀场间隙的特点击穿电压与电晕起始电压相同,放电具有极不均匀场间隙的特点电晕起始电压明显低于击穿电压,放电过程不稳定，分散属于过渡区,1 击穿电压2 电晕起始电压3 放电不稳定区,为了描述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数 f，表示为：,f4属极不均匀电场。,Emax ：最大电场强度,Ea ：平均电场强度,1、稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点,2、极不均匀电场中的电晕放电,电晕放电是极不均匀电场特有的一种自持放电形式。,极不均匀电场中，间隙中的最大场强比平均场强大的多。外加电压较低时，曲率大的电极附近电场强度已足够大，可引起强烈的电离，在这局部的强场区形成放电。这种仅仅发生在强场区的局部放电称为电晕放电。大曲率电极附近很小的区域内场强足够高，会发生电离。电离区中的复合过程和从激励恢复正常态等过程，会产生大量光辐射，形成电晕。而其他电极空间场强太小，电离无法发生。,电晕放电,日常生活中的等离子现象,2.4低温等离子体概述,北 极 光,等 离 子 电 视,2.4低温等离子体概述,一、什么是等离子体,常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。它广泛存在于宇宙中。,严格的讲，等离子体是由大量带电粒子和中性粒子组成的准电中性宏观体系。,等离子体的性质是这些粒子集体行为的表现。,固体：较低温度下，分子无规则热运动较弱，分子在分子间作用力的作用下被束缚在各自的平衡位置附近做微小的振动，分子排列有序，表现为固态。,液体：温度升高时，分子无规则热运动加剧，分子间作用力已经不足以将分子束缚在各自的平衡位置附近做微小的振动，但还不至于使分子分散远离，表现为具有一定体积而无固定形态的液态。,气体：温度进一步升高时，分子无规则热运动进一步加剧，分子间作用力已经无法使分子间保持一定的距离，分子互相分散远离，表现为气态。,等离子体：温度升高到足够高时，分子中的原子获得足够大的动能，彼此分离，即解离。在此基础上进一步提高温度，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚成为自由电子，即电离。成为等离子体。等离子体通常由光子、电子、基态原子或分子，激发态原子或分子、正离子、负离子等基本粒子构成。,一、什么是等离子体,等离子体：带正电的粒子与带负电的粒子几乎具有相同的密度，整体呈电中性的粒子集合体。,非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电粒子(电子、粒子)，而不是其结合体。,粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割,二、 等离子体的基本概念,等离子体温度：等离子体中含有电子、离子和大量的中性粒子或基团。当等离子体系统处于热平衡状态时遵从麦克斯韦分布，其平均运动能量和方均根速度之间的关系如下：,然而，低气压放电等离子体经常处于非平衡态，组成等离子体的电子、离子和中性粒子等各自具有的温度不同，因此等离子体的温度应区分为电子温度Te、离子温度Ti和中性粒子温度Tn 。,等离子体的温度：,等离子体中，电子和离子的温度多数情况下都以平均动能 表示，并以eV为单位，它与温度对应的关系按习惯可以表示为：,在薄膜技术中，所用等离子体的电子温度一般为数十电子伏。,二、 等离子体的基本概念,等离子体密度：等离子体中含有电子、离子和大量的中性粒子。其中带电粒子是电子和离子。除了氧气及卤族元素气体等电子亲和力大的气体等离子体外，离子通常带正电，如果离子密度用 ni表示，电子密度用ne 表示，那么等离子体中有如下关系：,n称为等离子体密度。因此等离子体虽然由带电粒子构成，但带正电的粒子与带负电的粒子几乎具有相同的密度，整体呈电中性。,准中性关系,二、 等离子体的基本概念,等离子体振荡：等离子体中粒子的密度分布会产生起伏。假定等离子体中电子相对于离子发生位移，则某处的电子密度变大，而另一处的离子密度变大，在等离子体空间会形成电场。电子会在该电场的库仑力的作用下向回运动。但是由于惯性，电子会越过平衡位置，又会再次受到反方向的库仑力作用，因此电子将以某个特征频率围绕着平衡位置振荡，叫做等离子体振荡。等离子体振荡分为等离子体电子振荡和等离子体离子振荡。,等离子体振荡：是指等离子体内部对发生电场产生屏蔽作用的时间响应尺度。,等离子体离子振荡频率一般远小于等离子体电子振荡频率。,等离子体电子振荡频率,等离子体离子振荡频率,例如：若电磁波入射电离层等离子体中，如果电磁波的频率比等离子体的频率高得多，电子来不及响应，则电波能穿过电离层而传输。使用这种频率的电磁波，可以进行地球与人造卫星之间的通信。,如果电磁波的频率低于等离子体的频率，地球上发出的电磁波被电离层发射，可以进行全地球表面的远距离通信。,二、 等离子体的基本概念,德拜长度：是指等离子体内部对电场产生的空间屏蔽效应。或者说等离子体中带电粒子的库仑力作用范围是有限的,当系统的几何限度远大于德拜长度时，系统内包含的电离气体才能被看成等离子体。这时净电荷仅在小于德拜长度内存在，而在其外的等离子体是宏观电中性的。所以德拜长度表示了维持等离子体宏观电中性的空间特征尺度。,德拜长度,德拜屏蔽：如果在等离子体中施加电场，带电粒子将起到降低电场影响的作用。这种降低局域电场影响的响应，即等离子体对内部电场产生的空间屏蔽效应。德拜屏蔽使等离子体保持准电中性的特性。假设在浸入等离子体的两个表面上施加电压，表面将吸引等量的异性带电粒子。两个表面附近积累的带电粒子将屏蔽带电表面，使等离子体保持电中性。这时外加电压将集中在电极表面附近的德拜长度的距离中。,二、 等离子体的基本概念,等离子体鞘层：等离子体虽然是电中性的，但是当它们与器壁接触时，它们与器壁之间会形成一个薄的正电荷区域，不满足电中性条件，该区域称为等离子鞘层。,鞘层的形成过程：等离子体被两个接地的极板包围，这两个极板具有吸收带电粒子的功能，由于静电荷密度为零，在各处的电场强度和电势都为零。,在电子上的作用力指向等离子体内部，阻止了等离子体中的电子向器壁的运动，使电子回到等离子体中。而对离子的作用是使进入鞘层的离子加速向器壁运动。,由于电子的热运动速度是离子热运动速度的100倍以上，等离子体中的电子可以迅速到达极板而消失。经过很短的时间后，器壁附近的电子损失掉，形成一个很薄的正离子鞘层。这鞘层中ni远大于ne ，因此有净电荷存在、该电荷密度产生了一个在等离子内部为正，在鞘层两侧迅速下降为零的电势分布。因为鞘层内的电场方向指向器壁，这个电势分布是一个约束电子的势阱，对离子而言则是一个势垒。,三、 等离子体的分类,按照热力学平衡状态分： 完全热力学平衡等离子体，也称高温等离子体。此类等离子体中，电子温度、离子温度、中性粒子温度完全一致，如太阳内部、磁约束核聚变和激光聚变等离子体。局部热力学平衡等离子体。此类等离子体中各类粒子没有达到严格的全面热力学平衡，仅在局部电子温度、离子温度、中性粒子温度一致，温度约3000-30000K，如空气中的电弧放电等离子体。非热力学平衡等离子体，也称低温等离子体。此类等离子体中，电子温度很高，可达几千开尔文，而离子温度、中性粒子温度接近室温，如低气压下的电晕放电、辉光放电、火花放电、介质阻挡放电、弧光放电、微波放电及射频放电等离子体。低温等离子体十分有利于化学反应的进行，因此，低温等离子体在化学合成、刻蚀和材料表面改性中有广泛用途。在等离子体化学气相沉积、溅射镀膜中，主要应用的是低气压辉光放电等离子体，放电气压约为几百帕到0.1帕。,三、 等离子体的分类,按照存在方式分：天然等离子体。地球大气电离层、太阳、日冕、星际空间等人工等离子体。日光灯、霓虹灯等。由人工通过外加能量如电场、磁场、辐射、光和热能激发电离物质形成的等离子体。,按照电离度分：完全电离等离子体。=1部分电离等离子体。 0.011。弱电离等离子体。 10-60.01。,按照粒子密度分：稠密等离子体或高气压等离子体。n(1015-1018cm-3) 这时粒子间碰撞起主要作用稀薄等离子体。n(1012-1014) cm-3 这时粒子间碰撞基本不起作用。,2.5低温等离子体的产生,一、辉光放电,直流辉光放电：在低气压气体中插入两个金属电极并施加直流电压，使其电压逐渐上升到某个值时就会发现气体导电并发光了，这就形成了直流辉光放电等离子体。基本过程：当电压低时，基于宇宙线及存在于自然界的极微量放射性物质射线引起的电离，气体中存在少量自由电子，电路中仅流过与初始电子数相当的暗电流。随着电压增加，当加速电子能量大到一定值之后，与中性气体分子或者原子碰撞使之电离，于是电子数按等比级数迅速增加，形成电子繁衍过程，称为雪崩式放电过程。当电子与离子的增加数与等离子体中消失的电子和离子数相等时，放电实现了自持。气体被击穿，变成了导电流体，同时发光，称作辉光放电。,气体放电电流与电压之间的关系，称为放电伏安特性曲线,进入辉光放电时，电压下降到几百伏，电流急剧增加到几毫安到几百毫安，这时的放电模式为正常辉光。产生正常放电所需的最小电压阈值称为击穿电压。,直流辉光放电特性：,直流辉光放电特性：,直流辉光放电特性：,直流辉光放电特性：,直流辉光放电特性：,辉光放电产生的条件：1.在放电开始前，放电间隙中电场是均匀的，或至少是没有很大的不均匀性。2.辉光放电过程主要靠阴极上发射电子的过程来维持。3.放电气压一般需要保持在4-10-4Pa范围内。因Pd不同，击穿电压及放电状态各异。4.辉光放电电流密度一般在10-1-102mA/cm2,而电压一般在300-5000V，属于高电压小电流密度放电。与此相应，放电回路中的电流和电阻应允许通过数百毫安的电流。,交流辉光放电：当在放电管的两个电极上施加低频（小于100Hz）的交流电场时，每个电极交替作为阴极和阳极。如果半个周期中施加的电压超过击穿电压，就得到交流辉光放电。,二、射频放电,射频放电：在前面介绍的直流辉光放电装置，在刻蚀及溅射等处理操作中，若在阴极上放置玻璃基板及电介质等绝缘体，放电一旦开始，绝缘体表面会立即带上正电荷，从而离子不能继续向阴极入射。没有离子对阴极的轰击，不能产生维持直流辉光放电所必需的过程，放电自然会停止。通过交替改变放电电极的极性，可以避免这种现象的出现，一般采用高于100kHz的高频电源，常用的放电电源频率为13.56MHz在射频区域，所以往往称作射频放电。,高频等离子体装置有两种耦合方式：电感和电容耦合,频率10-10000Hz（低频 中频）：给个半周期经历