（等离子体物理专业论文）脉冲直流等离子体的产生及其特性研究.pdf

中国科学技术大学硕士论文摘要 摘要 由于高气压下辉光放电产生的等离子体具有较高的电子密度和气体温度，气 体分子的离解效率比较高，在放电中可以获得大量的活性粒子，因而这种放电在 等离子体工艺中，特别是在快速沉积大面积功能薄膜方面具有独特的优势和巨大 的潜力。但是，高气压下大面积稳定的直流辉光放电，无论是在技术上还是在基 本过程的理解方面都还远未成熟或清楚。 我们建立了一套脉冲直流等离子体产生装置，对放电技术和放电特性进行了 研究。首先，在放电技术方面，通过对阴极合理的设计和配置，在较高气压下获 得了大面积、高功率的可以长时间稳定的辉光放电，放电产生的圆柱形辉光直径 达至l j l o c m 。 研究表明，阴极材料的性质、阴极的工作温度、阴极的表面状态和结构、阴 阳极尺寸、位置配置及脉冲电源的占空比等对直流辉光放电的稳定性都有着重要 影响。具有高熔点、低蒸发率、低逸出功、良好的高温机械性能以及稳定的化学 性质的阴极是辉光放电得以稳定和维持的前提条件。合适的温度有利于保持放电 的稳定，温度过高会使阴极表面电子发射不均匀，辉光放电易向弧光放电转变； 温度过低可能导致在高气压下阴极电子发射不足，容易使放电熄灭。保持阴极表 面平整、光滑、结构成分均匀一致对于获得稳定的直流辉光放电十分重要。阴阳 极不对称配置关系，脉冲电源的采用等对弧放电都有一定的抑制作用，有利于放 电的稳定。 我们的脉冲直流等离子体装置中产生的辉光放电，由于工作气压较高，电流 较大，使得阴极区变薄，另一方面，较大的阴极区位降使得阴极区有较高的电场 强度，因而阴极区的汤生第一电离系数q 也较大，这对于较高气压下较大放电电 流的维持具有重要意义。研究也表明，阴极区的性质是影响放电参数的主要因素。 通过对辉光放电阴极区、正柱区和阳极区这三个主要区域的一些计算，并结 合实验结果，分析研究了一些放电参数之间的关系。在相同的电流下，随着放电 气压的升高，主要由于占总放电电压主体的阴极位降随之下降，导致了总放电电 压的下降。而在一定的气压下，放电电流的上升，由于使阴极位降和阳极位降上 升，从而使总的放电电压增大。我们还研究了阴极和阳极间距离的变化对放电的 中国科学技术大学硕= e 论文 摘要 影响。改变直流辉光放电阴极和阳极的间距，实际上是改变了正柱区的长度。在 气体压强和放电电流都不变的情况下，正柱区中的纵向电场强度是不变的，因此 正柱区长度的变化会导致正柱区电位降的变化，从而导致总放电电压的变化。 我们还对脉冲直流放电的发射光谱进行了测量，通过分析h 。和h ，的光谱相 对强度的变化，研究了气体压强和电压脉冲占空比对电子温度的影响。研究表明， 在一定的放电功率和占空比下，电子温度随着气压的升高而降低。这主要是由于 随着气压的升高，带电粒子由于双极扩散而损失的量减少，为保持平衡，只要求 有较低的电子温度就可以了。而在一定的放电功率和气压下，电子温度随着占空 比的降低而增大。这是因为，平均功率相同时，占空比越低，单个脉冲功率就越 大，能量能在短时间内集中释放，有利于气体分子的分解和电离，因而脉冲放电 产生等离子体的能效高于直流放电。 另外，本论文还对通过c 6 0 与硅衬底间的界面反应来获得碳化硅( s i c ) 进了 探索。目前，通过c 6 0 与s i 基底间的热反应来生成碳化硅( s i c ) 都是在超高真空 中进行的，沉积室的压力一般不高于1 0 7 p a ，对反应室的真空度要求比较高。我 们在热丝等离子体辅助化学气相沉积系统中，在气压为3 6 k p a 的等离子体环境 中，通过c 6 0 与硅衬底间的界面反应获得了碳化硅( s i c ) 晶体。等离子体中的氢 原子被认为促进了碳化硅的形成。进一步研究了甲烷( c h 4 ) 的加入对薄膜形成 的影响。研究表明，初始阶段c h 4 与h 2 的同步引入，会在基底表面形成二个富碳 的环境，抑制初始碳化硅界面的形成，从而不利于碳化硅膜的进一步生长。 中国科学技术大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed i r e c tc u r r e n tg l o wd i s c h a r g ep l a s m aa th i g hg a sp r e s s u r ei sc h a r a c t e r i z e db y t h eh i g he l e c t r o nd e n s i t y ，h i g hg a st e m p e r a t u r e ，h i g hi o n i z a t i o ne f f i c i e n c yo ft h eg a s m o l e c u l e s ，a n dt h el a r g en u m b e ro fa c t i v ep a r t i c l e s ，s ot h i st y p eo fd i s c h a r g ei sm o r e a d v a n t a g e o u sa n dp r o m i s i n gi nt h ep l a s m ap r o c e s s i n g ，e s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h er a p i d d e p o s i t i o no ff u n c t i o n a lf i l m s h o w e v e r ，t h e r ee x i s ts o m ep r o b l e m st ob es o l v e di nt h e t e c h n i q u e ，a n dt h eu n d e r s t a n d i n go ft h ed i s c h a r g ef e a t u r ei s s t i l lu n c l e a rf o rh i g h p r e s s u r ed cd i s c h a r g eo n al a r g es c a l e w eh a v ec o n s t r u c t e da na p p a r a t u so fp u l s e dd cp l a s m a ，a n dh a v es t u d i e dt h e t e c h n i q u ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s c h a r g e f i r s t ，t h r o u g ht h ep r o p e rd e s i g no ft h e c a t h o d ec o n f i g u r a t i o n ，t h ef o r m a t i o no ft h es t a b l ep l a s m aw i t hal a r g es i z ea n dah i g h d i s c h a r g ep o w e ri ss u c c e s s f u l l ya c c o m p l i s h e d ，t h ed i a m e t e ro fw h i c hi sa r o u n d1o c m i ti sf o u n dt h a tt h a tt h ep r o p e r t i e so ft h ec a t h o d em a t e r i a l ，t h et e m p e r a t u r eo ft h e c a t h o d e ，t h es u r f a c es t a t e a n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，t h ec o n f i g u r a t i o no ft h ec a t h o d e ， a sw e l la sp u l s ed u t yo fp o w e rs u p p l ya r ea l li m p o r t a n tf a c t o r si n f l u e n c i n gt h es t a b i l i t y o fh i g hc u r r e n td cg l o wd i s c h a r g e t h ec a t h o d em a t e r i a lw i t hh i g hm e l t i n gp o i n t ，l o we v a p o r a t i o nr a t e ，l o we s c a p e e n e r g y , e x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa th i g ht e m p e r a t u r ea n dn o n a c t i v ec h e m i c a l p r o p e r t yi si n d i s p e n s a b l ef o rt h es t a b i l i t yo ft h ed i s c h a r g e t o oh i g ht e m p e r a t u r eo f c a t h o d ew o u l dl e a dt h ec a t h o d et oe m i te l e c t r o n sn o n h o m o g e n e o u s l y , r e s u l t i n gi nt h e g l o w - t o a r ct r a n s i t i o n t o ol o wt e m p e r a t u r eo fc a t h o d ew o u l dm a k et h ee m i t t e d e l e c t r o n sf r o mt h ec a t h o d en o ts u f f i c i e n tt os u s t a i nt h eh i g hc u r r e n tg l o wd i s c h a r g ea t h i g hg a sp r e s s u r e i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h es t a b i l i t yo fd cg l o wd i s c h a r g et ok e e p t h es u r f a c eo fc a t h o d ef l a t ，s m o o t ha n dh o m o g e n o u sc h e m i c a lc o m p o s i t i o n a s y m m e t r i cp l a c ed i s p o s i t i o no fc a t h o d ea n da n o d ea n dt h eu s eo fp u l s e dp o w e r s u p p l ya r eh e l p f u l t o s u p p r e s s t h eu n w a n t e da r ct r a n s i t i o na n ds u s t a i nt h es t a b l e d i s c h a r g et oac e r t a i ne x t e n t o w i n g t ot h er e l a t i v e l yh i g hg a sp r e s s u r ea n de l e c t r i c a lc u r r e n to fg l o wd i s c h a r g e i nt h ep u l s e dd cp l a s m aa p p a r a t u s ，t h ec a t h o d ef a l lr e g i o no fd i s c h a r g eb e c o m e sv e r y 中国科学技术大学硕二i = 论文a b s t r a c t n a r r o wa n dc l o s et ot h ec a t h o d es u r f a c e m o r e o v e r ，r e l a t i v e l yl a r g ev o l t a g ef a l lo f c a t h o d el e a d st ot h er e l a t i v e l yh i g he l e c t r i c - f i e l di n t e n s i t y t h e r e f o r e ，t h ec o e f f i c i e n t0 【 b e c o m e sl a r g e r , w h i c hi ss i g n i f i c a n tf o rt h es u s t a i n m e n to fl a r g ed i s c h a r g ec u r r e n ta t r e l a t i v e l yh i g hg a sp r e s s u r e i t i sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i co fc a t h o d e r e g i o ni st h em a j o rf a c t o ra f f e c t i n gt h ep a r a m e t e r so fd i s c h a r g e b a s e do nt h ep a r a m e t e rc a l c u l a t i o n si nt h et h r e em a jo rr e g i o n so fg l o w d i s c h a r g e - - c a t h o d ef a l lr e g i o n ，p o s i t i v ec o l u m np l a s m ar e g i o na n da n o d ef a l lr e g i o n ， a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，w eh a v es h o w nt h er e l a t i o n so fv a r i o u s d i s c h a r g e p a r a m e t e r s w h e nt h ed i s c h a r g ec u r r e n ti si n v a r i a b l e ，t h ei n c r e a s eo fg a sp r e s s u r e l e a d st ot h ed e c r e a s eo ft o t a lv o l t a g ea c e o r d i n g l y ；m o s t l yb e c a u s eo ft h ed e c r e a s eo f t h ec a t h o d ep o t e n t i a lf a l lt h a ta c c o u n t sf o ram a j o r i t yo ft h et o t a ld i s c h a r g ev o l t a g e t h ei n c r e a s eo fd i s c h a r g ec u r r e n tl e a d st ot h ei n c r e a s eo ft o t a lv o l t a g ea tt h es a n q eg a s p r e s s u r e f u r t h e r , w eh a v ei n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c eo ft h ec h a n g eo ft h ed i s t a n c e b e t w e e nc a t h o d ea n da n o d eo nd i s c h a r g e c h a n g i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e nc a t h o d ea n d a n o d e v i r t u a l l yg i v e sr i s et ot h ev a r i a t i o no ft h el e n g t ho ft h ep o s i t i v ec o l u m nr e g i o n w h e nt h eg a sp r e s s u r ea n dt h ed i s c h a r g ec u r r e n ta r ek e p tc o n s t a n t ，t h ee l e c t r i c - f i e l d i n t e n s i t yi sa l s oi n v a r i a b l e s ot h ep o t e n t i a ld r o po fp o s i t i v ec o l u m nr e g i o nv a r i e sw i t h t h ec h a n g eo ft h el e n g t ho fp o s i t i v ec o l u m n ，r e s u l t i n gi nt h ec h a n g eo ft h et o t a l v o l t a g e w eh a v ea l s os t u d 剜t h ea f f e c to fg a sp r e s s u r ea n dp u l s ed u t yf a c t o ro nt h e e l e c t r o nt e m p e r a t u r eb ym e a s u r i n gt h er e l a t i v ei n t e n s i t yc h a n g eo f h p h 7 i np u l s e d d cp l a s m au s i n gt h ee m i s s i o ns p e c t r o s c o p y t h er e s u l t si n d i c a t et h a tw h e nt h e a v e r a g ed i s c h a r g ep o w e ra n dp u l s ed u t ya r em a i n t a i n e dc o n s t a n t ，t h ee l e c t r o n t e m p e r a t u r ef a l l sw i t ht h er i s eo fg a sp r e s s u r e t h er e a s o nc o u l db et h a tw i t ht h er i s e o f g a sp r e s s u r e ，t h el o s so fc h a r g e dp a r t i c l e sd u et oa m b i p o l a rd i f f u s i o nd e c r e a s e s ，s o t h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r ec a nb el o w e rt ok e e pt h ee q u i l i b r i u m w h i l ew h e nt h e a v e r a g ed i s c h a r g ep o w e ra n dg a sp r e s s u r ea r em a i n t a i n e dc o n s t a n t ，t h ee l e c t r o n t e m p e r a t u r er i s e sw i t ht h ed e c r e a s eo ft h ep u l s ed u t y t h i si sb e c a u s et h a tw i t ht h e s a m ea v e r a g ed i s c h a r g ep o w e r , t h el o w e rt h ep u l s ed u t yi s ；t h el a r g e rt h ep o w e ri no n e 中国科学技术大学硕士论文 a b s t r a c t p u l s ed u r a t i o ni s a sar e s u l t ，t h ep o w e rc a nb ed e l i v e r e di nas h o r t e rt i m e ，w h i c hi s b e n e f i c i a lt ot h ed i s s o c i a t i o na n di o n i z a t i o no ft h eg a sm o l e c u l e s t h e r e f o r e ，t h e p o w e re f f i c i e n c yo f t h ep u l s e dd i s c h a r g ei sh i g h e rt h a nt h ed co n e i na d d i t i o n ，w eh a v ee x p l o r e dt h ef o r m a t i o no fs i cc r y s t a l l i n et h r o u g ht h e i n t e r f a c er e a c t i o nb e t w e e nc 6 0a n ds is u b s t r a t e a tp r e s e n t ，t h ep r o d u c t i o n so fs i c c r y s t a l l i n ea r eg e n e r a l l yc a r r i e do u ti nt h eu l t r a - h i g h v a c u u m ( u h v ) s y s t e mt h r o u g ha t h e r m a lr e a c t i o no fs iw i t hc 6 0 ，a n dt h ep r e s s u r ei nt h ed e p o s i t i o nc h a m b e ri s g e n e r a l l yl e s s10 p a w eh a v es u c c e e d e di no b t a i n i n gt h es i cc r y s t a l l i n et h r o u g ht h e i n t e r f a c er e a c t i o nb e t w e e nc 6 0a n ds is u b s t r a t ei nap l a s m ae n v i r o n m e n tw i t h3 6 k p a g a sp r e s s u r ei nt h eh o t f i l a m e n ta s s i s t e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( h f c v d ) s y s t e m h y d r o g e na t o m s i n p l a s m a a r ec o n s i d e r e dt oe n h a n c et h ep r o d u c t i o no fs i c f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c t so fa d d i n gc h 4o nt h ef o r m a t i o no ff i l m sa r es t u d i e d i n t r o d u c t i o no fc h 4s i m u l t a n e o u s l yw i t hh 2a tt h eb e g i n n i n gw o u l ds u p p r e s st h e f o r m a t i o no fi n i t i a ll a y e rf o rs i cd u et oac a r b o n - r i c he n v i r o n m e n to nt h es u b s t r a t e ， w h i c hi st h u sd i s a d v a n t a g e o u st ot h ef u r t h e rg r o w t ho fs i cf i l m v 中国科学技术大学硕二卜论文第一章 第一章绪论 利用直流放电来产生等离子体是研究历史最长、也是研究最为普遍的一种放 电技术。通过对直流放电的研究，人们建立起一系列有关放电的理论和模型，对 放电的认识才得以不断深入。生产和科学技术的发展大大地促进了对放电的深入 研究，尤其近几十年来，低频放电、高频放电、微波放电等多种放电形式也得到 了长足的发展。 直流放电由于结构简单，在低气压下易于实现稳定运行等特点，被广泛应用 到科学技术以及人们的日常生产生活中。近些年来，随着高气压直流辉光放电在 等离子体工艺中得到应用，其重要性正被人们重新认识，特别是在快速沉积大面 积功能薄膜技术中表现出来的独特优势和巨大潜力，极大地推动了高气压下直流 辉光放电技术的发展，使直流辉光放电这一古老的放电形式重新焕发出勃勃生 机。 1 1 + 直流放电研究的历史和现状 电现象很早就被发现，公元前6 世纪，希腊学者就发现了用毛皮摩擦起电的 现象，但气体放电发展的过程却是经过很长时间才被人们逐步认识的 1 ，2 。 1 6 7 2 年威廉( g o t t f r i e dw i l h e l m ) 首次在旋转硫磺球上发现了人工条件下的 电火花，揭示了“气体放电”的奥秘。在这以后，许多学者逐渐对它产生了兴趣 并进行了研究。1 7 4 6 年，科学家建成世界上第一批莱顿瓶，采用这种仪器研究 火花放电和充放电现象。1 9 世纪初，真空技术取得重大进展，可以把容器内的 压强抽到0 1 托左右。1 8 0 2 年，彼得洛夫发现了电弧放电。1 8 5 1 年，鲁赫可夫 发明了电感线圈，可以产生很高的电压，高压能量足以杀死一只小动物。在这些 基础上，科学家得以在实验室内进行气体放电实验。克鲁克斯设计了一种圆柱形 放电管，对辉光放电进行研究，发现了阴极暗区。德国物理学家希托付用实验证 中国科学技术大学硕士论文第一章 明了可以把正柱区无限延长，霓虹灯就是利用这个道理，可以把很长的放电管弯 曲成各种形状。1 8 7 8 年，米勒等人制作了当时世界上输出功率最大的电池，来 研究着火电压同气压的关系。1 8 7 6 年，科学家克鲁克斯发现了一种看不见的射 线，因为它是从放电管的阴极发出的，因此叫做阴极射线。这种奇妙的射线引起 了许多科学家的重视，其中英国科学家汤姆生在这个方面做出了杰出的贡献，他 采用了自己设计的一种装置，在阴阳极之间加几千伏的直流高压，产生了放电。 他同时证明，阴极射线是一种带负电的粒子流，会受到电极之间静电场力作用而 偏转，并且发现这种带负电的粒子质量比任何原子都小，说明这是一种新的粒子， 被命名为电子。电子的发现阐明了气体放电的本质，即在阴极和阳极之间电离的 气体分离出了电子，这说明气体放电的基本过程是中性分子或原子分离成分别带一# 一 。 正负电荷的电子和离子。电子的发现是现代科学技术的起点，而电子就是在气体 放电中发现的，因此，气体放电在现代科学技术发展史上起了极其重要的作用。 实验技术的发展以及理论的逐步完善，使人们逐步深入地了解气体放电的过 程。1 8 8 9 年，帕邢( f p a s c h e n ) 得到了击穿电压u 对压力p 与极间距离d 乘积的 依赖关系u = 厂f ，只d ) ，并发现了击穿电压有一个最小值。虽然1 9 0 0 年以前有 很多实验，但是直到1 9 0 0 年，汤森得( j s b t o w n s e n d ) 才提出了气体放电的第一 个理论繁流放电理论 3 ，根据这个理论，可以导出辉光放电的电流密度和 放电着火条件，从而可以从理论上导出帕邢定律的表达式。1 9 0 3 年，汤森得又 提出了气体击穿的理论，并于1 9 1 0 年发表了击穿判据 2 。这一理论，至今在一 定范围内仍是适用的。汤森得理论可以解释许多气体击穿现象，像气压、极距等 对击穿电压的影响，用电子附着理论解释负电性气体的高击穿电压，混合气体中 的彭宁效应等。但汤森得理论并没有考虑电子雪崩引起的空间电荷效应，1 9 3 9 年雷特( h r a e t h e r ) 等用雾室进行试验，提出了流柱理论，流柱理论考虑了这种空 间电荷效应，从而对放电过程作了根本性的补足，使气体击穿理论向前发展了 步。在五十和六十年代，高速示波器的普遍应用，为研究放电随时间的变化关系 提供了有力的技术手段。到了七十年代，随着计算机技术和象变换管照相技术的 发展，人们对放电过程的认识又加深了一步，放电理论的研究又得到了进一步的 发展 6 。 以上对于直流辉光放电的研究主要集中在几百帕以下的低气压放电，而高气 中国科学技术大学硕士论文 第一章 压下大面积直流辉光放电研究进展缓慢。在高气压下，辉光放电是可能的，但对 工艺技术有相当苛刻的要求，这主要是因为高气压下大面积直流辉光放电不容易 稳定。当放电气压升高时，直流辉光放电中的阴极区域里的电流密度和电位梯度 增加( ，。c p2 ) ，使阴极上出现局部加热，导致阴极的电子发射机制发生根本变 化。在反常辉光放电的区域中，当电流密度增加时，阴极位降增加，这就使撞击 阴极的正离子能量增加，正离子能量的增加提高了阴极的温度，当反常辉光放电 的电流很大时，阴极温度将变得足够高，从而使阴极发射出大量的电子；热离子 产生的电子发射所导致被增加的电流也增加了在阴极位降区形成的正离子的数 目，它又进一步促使了阴极的加热，导致阴极更多的热电子发射，形成正反馈， 使放电电流急剧增大，最终使辉光放电过渡到弧放电 4 ，5 。 在等离子体化学气相沉积应用中，低气压直流放电，由于工作气压较低， 等离子体中的活性粒子少，薄膜的生长速率低，严重地限制了其在材料制备方面 应用。最近几年，由于一些功能薄膜材料对大面积、快速制备技术的需求，极大 地推动了高气压、大电流直流辉光放电技术的发展。如在先进功能薄膜材料金刚 石膜制备研究中，人们迫切希望通过发展高气压，大电流的可以长时间稳定的大 面积的辉光放电来快速、高效地沉积大面积的金刚石膜，从而降低金刚石膜的生 产成本，促进金刚石膜产业化应用的实现。正是由于这些应用需求的推动，高气 压、大电流的直流辉光放电技术在近些年吸引了人们的广泛注意。 日本的s u z u k i 等人 7 ，8 在上世纪8 0 年代首先报道了可以在高气压下获得稳 定的直流辉光放电，他们发现高气压下的辉光放电具有较高的电子密度和气体温 度，因而气体分子的离解效率比较高，在放电中可以获得大量的活性粒子。他们 把这种放电应用到等离子体化学气相沉积技术中，并实现了金刚石膜的快速生 长。这引起了很多人的兴趣，使得这种技术得到了广泛的研究和应用 9 - 1 6 。然 而，他们所获得的辉光放电的正柱区直径很小，只有l c m 左右，电流也不大( 2 3 a ) 。要想获得大面积的辉光放电，就需要提高放电电流，增大放电功率，而 这又给辉光放电的长时间稳定运行造成了困难，因为放电电流的增加，使弧放电 极易发生。 为了获得稳定的大功率辉光放电，人们采用了不同的方法，n e s l a d e k 1 7 通 过加磁场来获得稳定的放电，使放电的正柱区直径增加到3 5 c m 。s a t r a p a $ 【l 中国科学技术大学硕= l 论文 第一章 h a r t m a n n 等人 1 8 - - 2 0 则采用脉冲直流的方式来维持稳定的辉光等离子体状态， 放电的正柱区直径为3 c m ，电流为4 a 左右。他们认为，在大功率的辉光放电中， 阴极的电子发生以及相应的发射机制都发生了变化，这种变化使得辉光放电有过 渡到更稳定的弧光放电状态的趋势。对电子发射机制变化进行控制有两种方法， 一是对阴极进行水冷，另一个是采用脉冲放电。脉冲周期是一个自由选择的参数， 它和电场的能量密度和气体的组分有很大的关系，对应于不同的工艺参数，也应 选择不同的脉冲周期。h a r t m a n n 等人还指出，阴极和基底( 阳极) 间的平行配置 情况也是一个对放电的稳定性有重要影响的因素，不恰当的阴阳极配置可能会引 起等离子体转动，等离子体的转动会导致电极和等离子体中热不均匀性，从而发 展为收缩的丝状等离子体 2 1 ，而这种丝状等离子体会转变成弧放电。 韩国的b a i k 等人 2 2 3 0 为了获得大面积的辉光放电，采用了平行排列多个 阴极的方法，每个阴极都单独地提供电能。这种工艺改进的优点就在于可通过增 减阴极的数目或者是在一定范围内调整阴极间的间距来控制辉光的面积和电子 温度，并且不要在整个沉积装置中采用大功率的电源。但是，这种方法受到功率 密度的限制，因为每个阴极工作时都处在温度为2 0 0 0 以上的热阴极状态，热电 子发射能力很强，如果输入的功率超过一定限度，热阴极和基底之间会产生弧柱。 而在实际应用中，而为了增加薄膜的沉积速率和提高薄膜的质量，需要通过增加 放电功率的方法来提高等离子体密度。因此，b a i k 研究小组又提出了采用单个大 尺寸阴极的方法，他们采用了脉冲直流电源用来压制弧放电，并对阴极进行水冷 来控制阴极温度在1 1 0 0 ，目的是抑制阴极过强的热电子发射，同时也是为了让 阴极处在一个良好的工作状态，防止因阴极表面有杂质沉积而引起拉弧。 此外，意大利的s c i o r t i n o 等人研究了脉冲放电对直流辉光放电等离子体的影 响 3 1 ，他们发现，活性粒子的离解效率与平均电流密度及电流变化的方均根成 正比关系。国内吉林大学的金曾孙 3 2 - 3 4 等人也进行了高气压直流辉光放电的 研究，他们研究认为，放电中适当的阴极温度可以有效抑制辉光放电熄灭或拉弧 的趋势，同时阴极温度也通过影响辉光放电阴极位降区的放电性质来影响着整个 等离子体的放电特性。 总得来说，1 0 0 多年来，人们对直流辉光放电进行了大量细致的研究，对这 种放电的机制有了比较深刻的了解，形成了一套比较成熟的低气压直流辉光放电 4 中国科学技术大学硕：i ：论文 第一章 理论。对高气压下的直流辉光放电也已经有了一定认识，要在高气压下获得稳定 的大面积、高功率直流辉光放电，关键是要防止因放电阴极的电子发射机制发生 转变而使辉光放电滑向弧放电，为此，人们采取了各种办法，这里与其说是物理 的问题不如说是更多技术上的问题，特别是放电阴极的设计、加工、配置以及与 之相应真空室的结构等，这些问题目前还不是很清楚或是处在技术保密状态。此 外，高气压下辉光放电参数之间的关系以及对等离子体特性的影响还有待进一步 的研究。 中国科学技术大学硕士论文第一章 1 2 直流放电的基本特性 电极之间的气体，在未施加电压之前是绝缘体，电极空间只存在着少量的电 子或离子，只有在施加一定电压值之后，气体被击穿，导电电流突然增大，气体 才会从绝缘体逐步转变成导电体，并在放电空间产生明亮的光。关于气体的击穿， 文献 3 详细地介绍了低频和高频情况时电极间隙的击穿理论。无论是高频还是 低频情况，击穿的基本过程都是电离以及带电粒子的运动。气体放电时，放电空 间会产生大量的电子和正离子，在极间电场的作用下，它们将作迁移运动，形成 电流。管压降与放电电流的关系称为气体放电的伏安特性，图1 1 是在长间隙 “， 放电管中低气压直流放电的伏安特性曲线 2 ，3 5 。 图l l直流低气压放电管的伏一安特性 曲线上a b 间的区域是本底电离区，随着电压的不断升高，得到一个由宇 宙射线和其它形式的电离本底辐射所产生的越来越多的单个离子和电子的电流。 在b 和c 之间的饱和区，由本底辐射所产生的所有离子和电子从放电区中逸出， 电子并不具有产生新电离的足够能量。从c 到e 的区为汤生( t o w n s e n d ) 区，放电 容器中的电子从电场得到足够的能量，使它们能电离一些中性本底气体，在电压 中国科学技术大学硕士论文第一章 增高时导致电流非常迅速地指数上升。在d 和e 之间将发生单极电晕放电，这是 由于在尖端、尖边缘或粗糙的电极表面的局部电场集中而引起的，这些强的局部 电场超过了周围中性气体的击穿强度。当电压增加至e 点的电压v b 时，发生电 击穿。 在伏一安流特性曲线上，a 和e 之间的区域被称为“暗放电”，因为除了电 晕放电和电火花击穿本身外，放电是肉眼看不到的。 一旦在e 点发生电击穿，放电转变为辉光放电，电流足够高，激发的中性气 体数量足够多，等离子体就可以用肉眼看到了。经过从e 点到f 点的非连续转变 之后，进入伏一安持性的正常辉光区域，在放电电流变化几个数量级的范围内， 放电电压几乎和电流无关。当电流从f 增长到g ，阴极被等离子体占据的部分增 加，直到g 点，等离子体覆盖了整个阴极表面。从g 到h ，放电进入异常辉光放 电区，电压随电流的增加而增高如果从曲线的g 点开始向左移动，正常情况下 可看到在电流一电压特性上有一滞后，它不再跟随电流一电压特性从f 到e 变化， 此放电本身将维持正常辉光放电方式到f f ，此处电流和电流密度比f 点低得多， 然后跃迁返回汤生区。 在h 点，阴极上的电流密度高得足以加热阴极至白灼，触发非连续的辉光至 弧光的跃变，如h 和i 间的虚线所示。在此跃变之后，放电稳定在i 和k 间的某 点，这取决于直流电源的内阻从i 到k 的弧光区，当电流增加时放电电压降低， 到j 点，达到大电流，此后电压再次随增长的电流缓慢地增高。i 和j 之间是非 热弧光区，电流增加电压下降，在此处，电了、离子和气体温度是不等的。在j 和k 之间的正斜率部分是热弧区，此区的等离子体接近热动力学平衡，所有粒子 的温度近似相等。 在图1 1 中的e 点处接近击穿电压，所以可能发生两种情况，这取决于电 源的内阻，如果电源内阻很高，从而只能提供很小的电流，放电管就不能拉出足 够的电流击穿气体，放电管仍处于只有很小电晕点的电晕区，或在电极上有明显 的刷形电晕放电。但是，如果电源内阻相当低，气体就会在电压v b 处击穿，放 电将从暗放电区移到图1 1 所示的低压正常辉光放电区。在正常辉光放电区中， 不仅电压与放电管的总电流无关，到达电极上的电流密度也与总电流无关， 这是因为在正常辉光放电区内，低电流的情况下，等离子体只与阴极表面的小部 中国科学技术大学硕士论文 第一章 分接触，随着电流的增加，接触表面逐渐增大，直到图1 1 中的g 点异常辉光 放电的边界，等离子体覆盖整个阴极表面。在点g 以上的异常辉光区内，为使阴 极电流密度超过它的正常值，并提供所需的总电流，电压必须随总电流增加而迅 速增加。在点h 处，电极变得足够热，阴极产生热电子发射。如果直流电源的内 阻足够低，就会从辉光放电过渡到电弧放电。 直流辉光放电的外貌有明显的特征，在电极间的空间呈现出连续的明暗条 纹。辉光放电可以按光强、场强和电位等强弱大小不同，分为阿斯顿( a s t o n ) 暗区、阴极辉光区、阴极( c r o o k e s ，h i t t o r f ) 暗区、阴极辉区、负辉光区、法拉 第暗区、正柱区、阳极辉光区和阳极暗区，如图1 2 所示。从阴极开始首先是 阿斯顿暗区。在该区域里，电子从阴极出发，它们从电场获取的能量还不足以激 发原子，因此这里出现的是一个很薄的暗区。经过阿斯登暗区后，电子从电场获 得的能量己足以使原子激发，阴极辉光就是由这些受激发的原子发出的。阴极辉 光区的大小决定于气体的性质和充气压的高低。紧接阴极辉区的是克罗克斯 ( c r o o k e s ) 暗区，也称阴极暗区，在该区域中电子的能量大部分用于电离碰撞。由 此产生的大量电子从电场重新获得激发能，与气体碰撞而产生负辉光。负辉光区 的边界就相当于电子具有足够能量去激发原子的所在范围，负辉区发光最强。在 此之后又出现了法拉第暗区和正柱区。正柱区是从法拉第暗区一直向阴极伸展的 气体被大量激发和电离的区域，它是辉光放电的主要区域，但也可以不存在。正 柱区通常又称为等离子体区，满足电中性条件。在这里，电子使气体激发电离， 电子和离子的主要损失机制是双极性扩散。在电子到达阳极以前的几个自由程的 距离内，电子从电场得到相当大的能量，这些电子能够激发气体原子发光，所以 在阳极附近会出现阳极辉光。 h 。i tt o”r芋f1 j - i o r 1 - 暗f g r o o k o 瞎 csj 图1 2 低气压直流辉光放电示意图 中国科学技术大学硕士论文第一章 辉光放电是一种稳定的自持放电，即外界电离源取消后，放电仍然可以继续 维持。汤生放电理论 3 6 比较详细地给出了辉光放电着火前的电流增长规律和着 火条件，罗果夫斯基放电理论 3 6 则进一步说明了放电着火时，如何从不稳定状 态过渡到稳定状态，很好地解释了低气压下辉光放电的基本特性。 至于高气压下的直流辉光放电，其本质上仍属于直流辉光放电，上面关于低 气压直流辉光放电的理论大部分仍能适用，但是高气压下的直流辉光放电还有着 很多不同的特性，如负辉区及其两侧的暗区缩小，正柱区扩展，而且有时会在放 电管内形成振荡，出现不稳定现象等，这些还需要人们更深入地去研究。 中国科学技术大学硕二 ：论文 第一章 1 3 本论文的主要内容 本论文主要目的是建立一台直流放电等离子体装置，研究中高气压下稳定直 流辉光放电技术和放电特性。 我们采用脉冲直流放电，通过对放电阴极进行合理设计和优化，并进行大量 的实验，在较高气压下获得了大面积、高功率的可以长时间稳定的辉光放电。 研究了阴极的材料及其性质、阴极工作温度的影响和控制、阴极的表面状态 和结构以及阴阳极尺寸、位置