《功能薄膜技術(shù)》課件07 等離子體技術(shù)基礎(chǔ)

1、等離子體技術(shù)基礎(chǔ)7.1 等離子體的基本概念7.2 等離子體的分類7.3 低溫等離子體的產(chǎn)生7.1 等離子體的基本概念物質(zhì)四態(tài)： 固體、液體、氣體和等離子體 多種薄膜制備方法中涉及等離子體，如濺射、等離子體化學(xué)氣相沉積（PECVD）、脈沖激光沉積（PLD）等都是在等離子體中實(shí)現(xiàn)薄膜沉積的。等離子體的概念： 等離子體可以利用氣體放電來(lái)形成。 等離子體是由大量帶電粒子和中性粒子所組成的準(zhǔn)電中性的宏觀體系。 等離子體的溫度： 等離子體中包含有電子、離子和大量的多種中性粒子或基團(tuán)。體系常處于非平衡態(tài)，因此電子、離子和粒子的溫度各不相同。 電子溫度Te、離子溫度Ti、中性粒子溫度Tn等離子體的密度 等離子

2、體由電子、離子和中性粒子組成，其中帶電粒子是電子和離子。除了氧氣和氯氣等電子親和力大的氣體等離子體外，離子通常帶正電荷。準(zhǔn)中性條件： ne=ni=n 其中ni為離子密度， ne為電子密度，n為等離子體密度。 因而，雖然等離子體由帶電的電子和離子組成，但是其整體呈電中性，所以叫等離子體。等離子體振蕩 由于粒子密度的起伏，在等離子體空間形成電場(chǎng)，導(dǎo)致電子以某個(gè)特定的頻率圍繞著平衡位置振蕩，這就是等離子體振蕩。角頻率：頻率：電子振蕩角頻率：離子振蕩角頻率：電子質(zhì)量me很小，所以頻率很高。例如在ne=1010/cm3的等離子體中fpe=898MHz，在微波頻段。德拜長(zhǎng)度 等離子體是導(dǎo)體，在一定的空間范

3、圍內(nèi)可以屏蔽電場(chǎng)，等離子體中帶電粒子的庫(kù)侖力的作用范圍是有限的，可用德拜長(zhǎng)度表示：德拜長(zhǎng)度隨電子密度的增加而減少。當(dāng)系統(tǒng)的幾何線度即 時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)包含的電離氣體才能被看成等離子體。德拜長(zhǎng)度表示了維持等離子體宏觀電中性的空間特征尺度。等離子體的分類 在薄膜材料制備中所采用的主要是通過(guò)低氣壓輝光放電產(chǎn)生的低溫等離子體低溫等離子體 在化學(xué)氣相沉積、濺射鍍膜等薄膜制備技術(shù)中，主要使用的是低氣壓輝光放電等離子體。放電特征為高電壓（幾百伏）、小電流（幾十毫安）。放電氣壓：10-1102Pa等離子體密度：10101012/cm3電子溫度幾個(gè)eV低溫等離子體中的電子溫度與離子和氣體之間沒(méi)有達(dá)到熱平衡，為非平衡態(tài)

4、等離子體。低溫等離子體中的各種溫度關(guān)系為 TeTi=Tg熱等離子體 在高氣壓中形成弧光放電，這種放電的特征是低電壓（幾伏幾十伏）、大電流（幾安培幾百安培）。在弧光放電等離子體中，電子與離子和氣體離子的碰撞頻率高，各種粒子的溫度趨于平衡，即TeTiTg。中性粒子被加熱。低溫等離子體的產(chǎn)生 低溫等離子體可以在低氣壓下，使用直流、交流、射頻、微波以及光波電場(chǎng)激勵(lì)氣體放電產(chǎn)生。1. 直流放電擊穿2. 高頻放電擊穿 高頻放電是通過(guò)高頻電場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生的。如果用石英玻璃作為放電管，則高頻放電等離子體產(chǎn)生裝置如下圖所示。高頻等離子體裝置通常有兩種功率耦合方式：1）電感耦合2）電容耦合常用的放電電源頻率為13.56MHz，所以稱為射頻放電。3. 微波放電電路如下圖所示。微波的發(fā)生源常采用磁控管，使用頻率一般為2450MHz。 當(dāng)電子的回旋頻率與輸入的微波頻率相同時(shí)，電子的回旋加速運(yùn)動(dòng)與微波發(fā)生共振。微波能量高效率地耦合給