第4章-气体放电和低温等离子体

第四章气体放电和低温等离子体1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24.1带电粒子在电磁场中的运动一、带电粒子在电场中的运动FqEma电子经过电势差为U所得到的能量变成动能。2122mveUeUvm故电子与电势差的关系1、平行电场32、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：12211lnrUUErrr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：0200()rrrmvEer若电子以横向速度v1v0或者v1v0,则电子的运动轨迹不为圆周。4当带电粒子沿磁场方向运动时:0v0vF粒子作匀速直线运动。二、带电粒子在磁场中的运动1、均匀磁场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。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qBmvR0qBmvRT220mqBT25qBmT2（3）如果与斜交成角：B0v粒子作螺旋运动，hRB0sinmvRqB螺距h:qBmvvRvTvhcos220//////vv0v62、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7三、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、正交均匀电磁场EuBY方向前进的漂移速度：2mEeBReBm旋轮半径和旋转角频率8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、径向电场和轴向磁场电子的回转半径小，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。9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、径向电场和轴向磁场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。10四、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。11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：102.810fB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）。12一、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4.2气体原子的电离和激发13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。14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2222142cos12tttitiitiimuEmmEmmmv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：24ititmmmm15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22cos12titiimUmmmv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titmmm二体非弹性碰撞内能传递系数：16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。17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。二、电离-正离子的形成(带电质点的产生)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)。J106.1C106.1V1eV1191918电离的方式：碰撞电离光电离热电离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电极空间带电质点的产生（空间电离）19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。2eAAe20212imveExWiUxE条件：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。21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222、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，当电子获得几十到两百左右的eV能量时，电离几率最大。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𝑆𝑒𝑖。eeiieiSZfZf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。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。23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。3、其他电离方式光电离：hAA24阈值能量极限波长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：32WkT波尔茨曼常数1.38×10-23J/K热力学温度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25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。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*ABABe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11.55eV，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。26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。**ABABe27一些金属的逸出功金属逸出功铝1.8银3.1铜3.9氧化铜5.3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电极表面电离或金属表面电离28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。29三、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。*AeAe302、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。313、其他激发方式光致激发**hAAA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**BAABA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。324、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。33四、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。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。*AAh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35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。36六、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述的激发过程和后面复合过程，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。hABABeABABeCABABC实现解离的方法主要有：37七、复合—中性原子或原子团的形成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