低温电浆物理基础.pdf

1 低溫電漿物理基礎 離子氣相沉積是在低溫電漿中進行的 低氣壓氣體放電電漿使氣體和塗層原子電 離 產生高能電子 高能離子和高能中性原子 可以改善塗層的組織結構和促進化學 反應過程 有利於化合物塗層的形成 近些年各種提高沉積粒子離化率和控制帶電粒 子能量的離子增強型沉積技術不斷湧現出來 因此 學習電漿形成過程 氣體放電特 性對掌握各種離子沉積技術和控制塗層質量是非常必要的 一 低溫電漿物理概述 1 電漿之定義 電漿是一種電離氣體 是離子化了的原子和電子的集合體 整體顯中性 它是一 種由帶電粒子組成的電離狀態 稱為物質的第四態 2 電漿之獲得 為了獲得電漿 必須使中性粒子電離 實際常用的 獲得電漿的方法有以下六種 1 利用粒子熱運動的方法 由於燃燒或沖擊波使氣體達到很高溫度 分子和原 子劇烈碰撞而解離為離子和電子 2 利用電子碰撞的方法 在低氣壓中 電子在電場作用下加速 獲得足夠的能 量 與中性粒子碰撞使之電離 使用的電場有直流電場 射頻電場和微波電場 產生氣壓氣體放電 離子氣相沉積則採用這種方法獲得沉積層物質的離子 3 利用電磁波能量的方法 利用光 射線 射線使氣體電離 4 利用接觸電離的方法 兩種功函數 把原子中一個電子放到無限遠時所需要 的最小電位差 不同的金屬在高熱表面接觸時發生離子化的現象 5 利用高能粒子的方法 核聚變所用的方法 6 利用將電子與離子混合合成的方法 火箭推進器中採用的方法 3 電漿分類 1 按電離程度分類 電漿按氣體電離程度分為以下三類 完全電離狀態氣體 幾乎所有中性粒子都呈離子態 電子態 是強導體 帶電粒子密度 1510 10 10l c m 3 部份電離狀態氣體 只有部分中性粒子電離 只要電離度達 其導電 率與完全電離狀態氣體的導電率相近 弱電離狀態氣體 只有極少量中性粒子被電離 離子氣相沉積技術中 金屬的離化率達到 90 整個放電空間具有很 好的導電能力 2 按溫度分類 物質處於不同溫度範圍時所具有的能量不同 物質的能量用電子伏特 eV 表 示 它和溫度的關係由下式表示 1eV 1 160485x10 4 K 輝光放電 射頻放電 低氣壓弧光放電產生的電漿均屬於低溫電漿 在這種等離 子體中 電子的能量很高 且電子質量小 因此平均速度很大 這些高能電子與氣體 分子進行非彈性碰撞 從而使氣體電離 產生新電子繼續維持放電過程 在氣相沉積 過程中氣體和金屬原子被高能電子電離為離子 林啟瑞 0311 2003 2 物質所具有的能量狀態不同時 它的聚集狀態不同 表 1 7 表示物質處於固體 液體 氣體和電漿四種狀態時所具有的能量範圍 從低能狀態轉化為高能狀態時需要 圖 1 7 物質四態所具有的能量 外界供給能量 從固體轉變為液體 或從液體轉變為氣體時 平均需要能量為 2 10 e V 粒子 從氣體轉變為電漿需要能量為 1 30eV 粒子 按電漿中電子和重粒子能量不同分為熱電漿和低溫電漿 熱電漿 電漿中的重粒子溫度 和電子溫度 相等 即 均在 10 4 範圍 也叫平衡電漿 在此高溫下 所有的氣體物質都會分解為原子或解離為 帶電粒子 存在大量的離子 自由基和活性分子 低溫電漿 電漿中的重粒子溫度 遠遠低於電子溫度 即 一般重粒子 溫度接近常溫 電子溫度 達 43 10