等离子体科学与技术(物理学新进展讲义)2011 325.pdf

极光河北师范大学河北师范大学河北师范大学河北师范大学 张连珠张连珠张连珠张连珠 N N N N2 2 2 2等离子体技术及应用等离子体技术及应用等离子体技术及应用等离子体技术及应用 目 录目 录目 录目 录 等离子体简介等离子体简介等离子体简介等离子体简介 氮直流放电等离子体氮直流放电等离子体氮直流放电等离子体氮直流放电等离子体 氮等离子体技术及应用氮等离子体技术及应用氮等离子体技术及应用氮等离子体技术及应用 0 100 10000 温度 固体 冰 液体 水 气体 水汽 等离子体 电离气体 物质的状态物质的状态物质的状态物质的状态物质的状态物质的状态物质的状态物质的状态 低能低能低能低能低能低能低能低能 高能高能高能高能高能高能高能高能 物质处于气态物质处于气态物质处于气态物质处于气态超高温气体超高温气体超高温气体超高温气体 几万度几万度几万度几万度 十几万度十几万度十几万度十几万度 电离气体电离气体 物质第四态物质第四态物质第四态物质第四态 等离子体简介等离子体简介等离子体简介等离子体简介 电离气体凸现出明显的电离气体凸现出明显的电离气体凸现出明显的电离气体凸现出明显的电磁性质电磁性质电磁性质电磁性质 独立于气 液 固态的另一种全新的聚集态独立于气 液 固态的另一种全新的聚集态独立于气 液 固态的另一种全新的聚集态独立于气 液 固态的另一种全新的聚集态 部分电离或完全电离 部分电离或完全电离 部分电离或完全电离 部分电离或完全电离 PlasmaPlasmaPlasmaPlasma 原生质 血浆原生质 血浆原生质 血浆原生质 血浆 PlasmaPlasmaPlasmaPlasma 希腊语电离气体中存在电离气体中存在电离气体中存在电离气体中存在 着荷电粒子特有的周期振荡 喻着荷电粒子特有的周期振荡 喻着荷电粒子特有的周期振荡 喻着荷电粒子特有的周期振荡 喻 之为生命的脉动之为生命的脉动之为生命的脉动之为生命的脉动 等离子体等离子体等离子体等离子体 电浆电浆电浆电浆 1 1 1 1 1 1 1 1 什么是等离子体什么是等离子体什么是等离子体什么是等离子体 1 1 1 1 由电子 离子和中性粒子三种成分组成 由电子 离子和中性粒子三种成分组成 由电子 离子和中性粒子三种成分组成 由电子 离子和中性粒子三种成分组成 其中电子和离子的电荷总数基本相等 因其中电子和离子的电荷总数基本相等 因其中电子和离子的电荷总数基本相等 因其中电子和离子的电荷总数基本相等 因 而作为而作为而作为而作为整体整体整体整体是是是是电中性电中性电中性电中性的 的 的 的 2 2 2 2 等离子体是由大量带电粒子组成的有等离子体是由大量带电粒子组成的有等离子体是由大量带电粒子组成的有等离子体是由大量带电粒子组成的有 宏观空间尺度宏观空间尺度宏观空间尺度宏观空间尺度和和和和时间尺度时间尺度时间尺度时间尺度的体系的体系的体系的体系 宏观体系宏观体系宏观体系宏观体系 1 1 集体相互作用集体相互作用 普通气体普通气体普通气体普通气体 中性粒子之间相互作用是力学碰撞中性粒子之间相互作用是力学碰撞中性粒子之间相互作用是力学碰撞中性粒子之间相互作用是力学碰撞 是是是是 短程相互作用短程相互作用短程相互作用短程相互作用 等离子体等离子体等离子体等离子体 带电粒子之间的相互作用是长程库仑力带电粒子之间的相互作用是长程库仑力带电粒子之间的相互作用是长程库仑力带电粒子之间的相互作用是长程库仑力 2 2 具有准中性特征具有准中性特征 与普通气体的区别与普通气体的区别与普通气体的区别与普通气体的区别 宏观体系上呈电中性 小尺寸上呈现电磁性 宏观体系上呈电中性 小尺寸上呈现电磁性 宏观体系上呈电中性 小尺寸上呈现电磁性 宏观体系上呈电中性 小尺寸上呈现电磁性 等离子体等离子体等离子体等离子体内部内部内部内部 正 负电荷数几乎相等 正 负电荷数几乎相等 正 负电荷数几乎相等 正 负电荷数几乎相等 准中性准中性 ne ni 带电体附近形成鞘层带电体附近形成鞘层 放电是使气体转变成等离子体的常见形式放电是使气体转变成等离子体的常见形式放电是使气体转变成等离子体的常见形式放电是使气体转变成等离子体的常见形式 普通气体普通气体等离子体等离子体 放电放电放电放电放电放电放电放电 具有足够高的电离度的电离气体才具有等离子体性质 具有足够高的电离度的电离气体才具有等离子体性质 具有足够高的电离度的电离气体才具有等离子体性质 具有足够高的电离度的电离气体才具有等离子体性质 电性电性电性电性 比比比比 中性中性中性中性 更重要更重要更重要更重要 电离度 10 4 热核聚变能源研究热核聚变能源研究热核聚变能源研究热核聚变能源研究 高温等离子体高温等离子体高温等离子体高温等离子体 T 10T 10T 10T 106 6 6 6 K K K K 完全电离完全电离完全电离完全电离 空间等离子体空间等离子体空间等离子体空间等离子体 天体等离子体天体等离子体天体等离子体天体等离子体 气体放电等离子体气体放电等离子体气体放电等离子体气体放电等离子体 低温等离子体低温等离子体低温等离子体低温等离子体 T 10T 10T 10T 104 4 4 4 K K K K 部分电离部分电离部分电离部分电离 1 2 1 2 1 2 1 2 等离子体分类等离子体分类等离子体分类等离子体分类 自然等离子体自然等离子体自然等离子体自然等离子体 地球在等离子体的汪洋大海中地球在等离子体的汪洋大海中地球在等离子体的汪洋大海中地球在等离子体的汪洋大海中 对对 流流 层层 平平 流流 层层 宇宇 宙宙 中中 间间 层层 暖暖 层层 地地 面面 散散 逸逸 层层 太太 阳阳 宇宇 宙宙 线线 紫紫 外外 线线 等离子体流等离子体流 什么保护了我们地球 等离子体 我们的太我们的太 阳阳 氘氚核聚变反应氘氚核聚变反应氘氚核聚变反应氘氚核聚变反应 高温等离子体态高温等离子体态高温等离子体态高温等离子体态 星系 巨大的聚变反应堆星系 巨大的聚变反应堆 闪电象血管闪电象血管闪电象血管闪电象血管 1 31 31 31 3 等离子体科学技术的应用等离子体科学技术的应用等离子体科学技术的应用等离子体科学技术的应用 d d d d w w w w t t t t h h h h 173 nm173 nm173 nm173 nm 147 nm147 nm147 nm147 nm NeNeNeNe XeXeXeXe Plasma Display Panel Plasma Display Panel Plasma Display Panel Plasma Display Panel Plasma Display Panel Plasma Display Panel Plasma Display Panel Plasma Display Panel Cross Sectional View Cross Sectional View Cross Sectional View Cross Sectional View Cross Sectional View Cross Sectional View Cross Sectional View Cross Sectional View FrontFrontFrontFront BackBackBackBack GlassGlassGlassGlass GlassGlassGlassGlass PbOPbOPbOPbO Dielectric layer transp Dielectric layer transp Dielectric layer transp Dielectric layer transp ITO In Tin Oxide transparent sustained electrode ITO In Tin Oxide transparent sustained electrode ITO In Tin Oxide transparent sustained electrode ITO In Tin Oxide transparent sustained electrode Phosphor RGB red green blue Phosphor RGB red green blue Phosphor RGB red green blue Phosphor RGB red green blue Ag electrodeAg electrodeAg electrodeAg electrode Address electrodeAddress electrodeAddress electrodeAddress electrode Not in scale Not in scale Not in scale Not in scale MgOMgOMgOMgO 500 nm 500 nm 500 nm 500 nm 1 1 1 1 等离子体平面显示器等离子体平面显示器 PDP PDP PDP PDP 2 2 2 2 人类新千年能源问题人类新千年能源问题 1 1 1 1 太阳能太阳能 太阳能电池太阳能电池太阳能电池太阳能电池 半导体型 射频等离子体技术 半导体型 射频等离子体技术 半导体型 射频等离子体技术 半导体型 射频等离子体技术 2 2 2 2 原子能发电 地热 风能利用等原子能发电 地热 风能利用等 3 3 3 3 可控热核聚变反应可控热核聚变反应 高温等离子体 高温等离子体 核能核能核能核能 核裂变核裂变核裂变核裂变和和和和核聚变核聚变核聚变核聚变 核裂变核裂变 一个大质量的原子核分裂成两个比较小的一个大质量的原子核分裂成两个比较小的一个大质量的原子核分裂成两个比较小的一个大质量的原子核分裂成两个比较小的 原子核 原子核 原子核 原子核 核聚变核聚变 两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核 两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核 两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核 两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核 重金属 重金属 重金属 重金属 铀铀铀铀 核污染 核泄漏 核污染 核泄漏 核污染 核泄漏 核污染 核泄漏 燃料燃料燃料燃料 氢的同位素氢的同位素氢的同位素氢的同位素 氘氚氘氚氘氚氘氚 可控热核聚变反应可控热核聚变反应 高温等离子体 高温等离子体 高温等离子体 高温等离子体 1 1 1 1 人造太阳 模拟太阳 第二个太阳 人造太阳 模拟太阳 第二个太阳 人造太阳 模拟太阳 第二个太阳 人造太阳 模拟太阳 第二个太阳 2 2 2 2 聚变能是一种无限的 海水 清洁的 反应过聚变能是一种无限的 海水 清洁的 反应过聚变能是一种无限的 海水 清洁的 反应过聚变能是一种无限的 海水 清洁的 反应过 程无核污染 安全的新能源 程无核污染 安全的新能源 程无核污染 安全的新能源 程无核污染 安全的新能源 3 3 3 3 有效控制有效控制有效控制有效控制 氢弹爆炸氢弹爆炸氢弹爆炸氢弹爆炸 的过程 让能量持续稳定的的过程 让能量持续稳定的的过程 让能量持续稳定的的过程 让能量持续稳定的 可控的输出 可控的输出 可控的输出 可控的输出 4 使燃料处于使燃料处于使燃料处于使燃料处于等离子体态等离子体态等离子体态等离子体态 完全电离完全电离完全电离完全电离 原子核完原子核完原子核完原子核完 全裸露 温度达几千万全裸露 温度达几千万全裸露 温度达几千万全裸露 温度达几千万 几亿度时 原子核克服几亿度时 原子核克服几亿度时 原子核克服几亿度时 原子核克服 斥力聚合在一起 斥力聚合在一起 斥力聚合在一起 斥力聚合在一起 神光II 星光II激光聚变装置 3 3 3 3 国防高科技领域国防高科技领域国防高科技领域国防高科技领域 新一代战略武器是 激光武器 带电粒子束新一代战略武器是 激光武器 带电粒子束新一代战略武器是 激光武器 带电粒子束新一代战略武器是 激光武器 带电粒子束 武器 高功率微波 电磁炮等 统称为定向能武武器 高功率微波 电磁炮等 统称为定向能武武器 高功率微波 电磁炮等 统称为定向能武武器 高功率微波 电磁炮等 统称为定向能武 器 这些武器的杀伤因子的产生 在大气空间中器 这些武器的杀伤因子的产生 在大气空间中器 这些武器的杀伤因子的产生 在大气空间中器 这些武器的杀伤因子的产生 在大气空间中 的传输 对目标的破坏等过程都离不开等离子体 的传输 对目标的破坏等过程都离不开等离子体 的传输 对目标的破坏等过程都离不开等离子体 的传输 对目标的破坏等过程都离不开等离子体 等离子体物理是发展这些武器的理论基础之一等离子体物理是发展这些武器的理论基础之一等离子体物理是发展这些武器的理论基础之一等离子体物理是发展这些武器的理论基础之一 等离子体隐身技术 等离子体隐身技术 等离子体隐身技术 等离子体隐身技术 隐形飞机 隐形飞机 隐形飞机 隐形飞机 防拦截式导弹 防拦截式导弹 防拦截式导弹 防拦截式导弹 核潜艇等 核潜艇等 核潜艇等 核潜艇等 1 1 1 1 氮气化学性质非常稳定氮气化学性质非常稳定氮气化学性质非常稳定氮气化学性质非常稳定 在大气中含量最高 在大气中含量最高 在大气中含量最高 在大气中含量最高 2 2 2 2 氮化材料氮化材料氮化材料氮化材料具各种优良特性及诸多特殊的物理化学具各种优良特性及诸多特殊的物理化学具各种优良特性及诸多特殊的物理化学具各种优良特性及诸多特殊的物理化学 性质性质性质性质 吸引着科学和工业界的关注 吸引着科学和工业界的关注 吸引着科学和工业界的关注 吸引着科学和工业界的关注 1 1 1 1 超硬材料超硬材料超硬材料超硬材料 C C C C3 3 3 3N N N N4 4 4 4 硬度超过金刚石 硬度超过金刚石 硬度超过金刚石 硬度超过金刚石 碳氮复碳氮复碳氮复碳氮复 合材料合材料合材料合材料是计算机硬盘生产中的标准涂层 是计算机硬盘生产中的标准涂层 是计算机硬盘生产中的标准涂层 是计算机硬盘生产中的标准涂层 2 2 2 2 族氮化物族氮化物族氮化物族氮化物 InNInNInNInN GaNGaNGaNGaN AIN AIN AIN AIN等等等等 被视为目前世被视为目前世被视为目前世被视为目前世 界上最先进的第三代半导体材料 享有界上最先进的第三代半导体材料 享有界上最先进的第三代半导体材料 享有界上最先进的第三代半导体材料 享有 ITITITIT产业发产业发产业发产业发 动动动动 机机机机 之美誉 之美誉 之美誉 之美誉 2 2 2 2 氮直流放电等离子体氮直流放电等离子体氮直流放电等离子体氮直流放电等离子体 一 研究意义 一 研究意义 3 3 3 3 金属 金属 金属 金属表面氮化处理表面氮化处理表面氮化处理表面氮化处理 延长使用寿命等 延长使用寿命等 延长使用寿命等 延长使用寿命等 氮化材料的合成与开发 氮化材料的合成与开发 离不开氮等离子体的研究离不开氮等离子体的研究 V V V VC C C C0 0 0 0 接地 接地接地接地 A A A AB B B B 1 1 1 1 电场分布电场分布电场分布电场分布 阴极鞘层阴极鞘层阴极鞘层阴极鞘层辉光区辉光区辉光区辉光区 N N N N2 2 2 2 e e e e 0 00 00 00 00 50 50 50 51 01 01 01 01 51 51 51 52 02 02 02 0 800 800 800 800 600 600 600 600 400 400 400 400 200 200 200 200 0 0 0 0 400000 400000 400000 400000 300000 300000 300000 300000 200000 200000 200000 200000 100000 100000 100000 100000 0 0 0 0 100000100000100000100000 02 电场 V m 电场 V m 电势 V 电势 V 位置 cm 位置 cm 二 二 二 二 氮直流放电等离子体的产生氮直流放电等离子体的产生氮直流放电等离子体的产生氮直流放电等离子体的产生 直流负偏压直流负偏压直流负偏压直流负偏压 2 2 2 2 电子输运行为电子输运行为 1 1 1 1 阴极发射的电子受鞘层电场加速 具较高能量阴极发射的电子受鞘层电场加速 具较高能量阴极发射的电子受鞘层电场加速 具较高能量阴极发射的电子受鞘层电场加速 具较高能量 电子与慢分子电子与慢分子电子与慢分子电子与慢分子N N N N2S 2S2S2S主要碰撞类型 主要碰撞类型主要碰撞类型主要碰撞类型 弹性碰撞弹性碰撞弹性碰撞弹性碰撞 e e e e N N N N2s 2s2s2s N N N N2s 2s2s2s e e e e 电子激发 电子激发 电子激发 电子激发 e e e e N N N N2s 2s2s2s N N N N2s 2s2s2s e e e e 电离碰撞 电离碰撞 电离碰撞 电离碰撞 e e e e N N N N2s 2s2s2s N N N N2 2 2 2 e e e e 离解碰撞离解碰撞离解碰撞离解碰撞 e e e e N N N N2s 2s2s2s N N N Ns s s s N N N Ns s s s e e e e 离解电离离解电离离解电离离解电离 e e e e N N N N2s 2s2s2s N N N Ns s s s N N N Ns s s s 2 e 2 e 2 e 2 e 振动激发 转动激发振动激发 转动激发振动激发 转动激发振动激发 转动激发 2 2 2 2 各种过程对放电的影响各种过程对放电的影响各种过程对放电的影响各种过程对放电的影响 各种激发 光辐射 分子光谱 各种激发 光辐射 分子光谱 各种激发 光辐射 分子光谱 各种激发 光辐射 分子光谱 离解 产生原子氮离解 产生原子氮离解 产生原子氮离解 产生原子氮 N N N Ns s s s N N N N 电离 电子雪崩电离 电子雪崩电离 电子雪崩电离 电子雪崩 e e e e e e e e e e e e e e e e 电离气体电离气体 雪崩雪崩雪崩雪崩 电离电离电离电离 2 2 2 2 反应室内除了大量的反应室内除了大量的反应室内除了大量的反应室内除了大量的 2s 2s2s2s外 有大量的 外 有大量的外 有大量的外 有大量的快电子快电子快电子快电子 e e e ef f f f 和和和和 快离子快离子快离子快离子 2 2 2 2 等 等等等 弹性碰撞 弹性碰撞 弹性碰撞 弹性碰撞 NNNN NNNN2s 2s2s2s N N N N NNNN2f 2f 2f 2f 电荷交换碰撞 电荷交换碰撞 电荷交换碰撞 电荷交换碰撞 N N N N N N N N2s 2s2s2s N N N Nf f f f N N N N2 2 2 2 背景气体背景气体背景气体背景气体 N N N N2s 2s2s2s 基态 基态基态基态 N N N Ns s s s N N N N2 2 2 2 N N N N 慢粒子 慢粒子慢粒子慢粒子 slow slow slow slow e e e ef f f f N N N N N N N N2 2 2 2 N N N N2f 2f2f2f N N N Nf f f f 快粒子快粒子快粒子快粒子 fast fast fast fast 3 3 3 3 的主要碰撞类型 的主要碰撞类型 N N N N2 2 2 2 同理 同理 4 4 4 4 放电空间的各种粒子放电空间的各种粒子 正负带电粒子和中性粒子的混合体正负带电粒子和中性粒子的混合体正负带电粒子和中性粒子的混合体正负带电粒子和中性粒子的混合体 氮直流辉光放电等离子体氮直流辉光放电等离子体氮直流辉光放电等离子体氮直流辉光放电等离子体 相当部分的荷能中性粒子相当部分的荷能中性粒子相当部分的荷能中性粒子相当部分的荷能中性粒子 N N N Nf f f f N N N N2f 2f2f2f 也能到达阴极也能到达阴极也能到达阴极也能到达阴极 氮电离气体氮电离气体 氮气放电氮气放电 离子离子离子离子 向阴极方向运动向阴极方向运动向阴极方向运动向阴极方向运动 相当部分相当部分相当部分相当部分 的荷能中性粒子的荷能中性粒子的荷能中性粒子的荷能中性粒子 N N N Nf f f f N N N N2f 2f2f2f N N N N2 2 2 2 也能到达阴极也能到达阴极也能到达阴极也能到达阴极 氮等离子体氮等离子体 表面氮化表面氮化 沉积薄膜 沉积薄膜 3 3 3 3 氮等离子体技术及应用氮等离子体技术及应用氮等离子体技术及应用氮等离子体技术及应用 金属材料表面氮化技术金属材料表面氮化技术金属材料表面氮化技术金属材料表面氮化技术 是利用氮气进行辉光是利用氮气进行辉光是利用氮气进行辉光是利用氮气进行辉光 放电放电放电放电 使氮活性粒子渗入工件表面的过程 使氮活性粒子渗入工件表面的过程 使氮活性粒子渗入工件表面的过程 使氮活性粒子渗入工件表面的过程 氮化材料合成氮化材料合成氮化材料合成氮化材料合成 表面改性表面改性表面改性表面改性 微电子器件等微电子器件等微电子器件等微电子器件等 3 1 3 1 金属表面氮化金属表面氮化 氮化处理可以大大提高刀具或模具表面强度 氮化处理可以大大提高刀具或模具表面强度 氮化处理可以大大提高刀具或模具表面强度 氮化处理可以大大提高刀具或模具表面强度 抗磨性和耐腐蚀性抗磨性和耐腐蚀性抗磨性和耐腐蚀性抗磨性和耐腐蚀性 具良好的生物适应性 具良好的生物适应性 具良好的生物适应性 具良好的生物适应性 铝合金表面氮化实验研究结构图铝合金表面氮化实验研究结构图铝合金表面氮化实验研究结构图铝合金表面氮化实验研究结构图 铝合金表面氮化实验研究结构图铝合金表面氮化实验研究结构图铝合金表面氮化实验研究结构图铝合金表面氮化实验研究结构图 Surface and Coating TechnologySurface and Coating TechnologySurface and Coating TechnologySurface and Coating Technology 合成氮化材料合成氮化材料 表面氮化的应用表面氮化的应用表面氮化的应用表面氮化的应用 技术关键之一 镀膜要求高度均匀 膜厚均匀性好于膜厚均匀性好于膜厚均匀性好于膜厚均匀性好于98 尺寸尺寸尺寸尺寸 100 100 100 100 1800180018001800 2 mm2 mm2 mm2 mm 放电放电放电放电 主要问题主要问题 质量不稳定质量不稳定质量不稳定质量不稳定 工艺过程重复性差工艺过程重复性差工艺过程重复性差工艺过程重复性差 过程参数选择具有盲目性过程参数选择具有盲目性过程参数选择具有盲目性过程参数选择具有盲目性 产率不高和效率低产率不高和效率低产率不高和效率低产率不高和效率低 最根本的问题 最根本的问题 最根本的问题 最根本的问题 氮化机理还不清楚氮化机理还不清楚氮化机理还不清楚氮化机理还不清楚 对氮等离对氮等离对氮等离对氮等离 子体过程及与表面的相互作用理解不够深刻 子体过程及与表面的相互作用理解不够深刻 子体过程及与表面的相互作用理解不够深刻 子体过程及与表面的相互作用理解不够深刻 对对N N N N2 2 2 2等离子体动力学过程的研究等离子体动力学过程的研究 将是将是 推动这项技术的关键推动这项技术的关键 3 2 3 2 3 2 3 2 C C C C3 3 3 3N N N N4 4 4 4超硬材料的合成超硬材料的合成 美国伯克利大学的美国伯克利大学的美国伯克利大学的美国伯克利大学的 CohenCohenCohenCohen 从理论上预言了从理论上预言了从理论上预言了从理论上预言了 新一代新一代新一代新一代C NC NC NC N化合物化合物化合物化合物 即即即即 C C C C3 3 3 3N N N N4 4 4 4超硬材料超硬材料超硬材料超硬材料 主要问题之一 主要问题之一 主要问题之一 主要问题之一 含氮量偏低含氮量偏低含氮量偏低含氮量偏低 含氮量应是 含氮量应是 含氮量应是 含氮量应是57575757 原子态氮粒子 原子态氮粒子 原子态氮粒子 原子态氮粒子 原子态氮粒子 原子态氮粒子 原子态氮粒子 原子态氮粒子 具有较强的化学 具有较强的化学 具有较强的化学 具有较强的化学 具有较强的化学 具有较强的化学 具有较强的化学 具有较强的化学 活性 极有利于活性 极有利于活性 极有利于活性 极有利于活性 极有利于活性 极有利于活性 极有利于活性 极有利于 C C C C C C C C 3 3 3 3 3 3 3 3 N N N N N N N N 4 4 4 4 4 4 4 4 的形成 及表面氮化 的形成 及表面氮化 的形成 及表面氮化 的形成 及表面氮化 的形成 及表面氮化 的形成 及表面氮化 的形成 及表面氮化 的形成 及表面氮化 氮等离子体辅助激光蒸发石墨靶法氮等离子体辅助激光蒸发石墨靶法 1 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 1 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 为了适应各种制备工艺要求为了适应各种制备工艺要求 1 1 1 1 提出大面积 高密度 均匀等离子体的新方法 提出大面积 高密度 均匀等离子体的新方法 提出大面积 高密度 均匀等离子体的新方法 提出大面积 高密度 均匀等离子体的新方法 2 2 2 2 探索优化的工艺参数 探索优化的工艺参数 探索优化的工艺参数 探索优化的工艺参数 实验实验 或工艺或工艺 研究研究 计算机仿真模拟计算机仿真模拟 1 1 1 1 平板射频容性耦合等离子体 平板射频容性耦合等离子体 CCP CCP CCP CCP 源源 RF power 13 56MHz 3 3 3 3 3 3 3 3 具代表性的等离子体源具代表性的等离子体源 0 00 51 01 52 0 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 E V m Z cm t 0 5 t 1 0 t 1 5 t 2 0 0 00 51 01 52 02 5 50000 40000 30000 20000 10000 0 10000 20000 30000 40000 E V m z cm 单频单频单频单频CCPCCPCCPCCP源的主要优点 源的主要优点 源的主要优点 源的主要优点 1 1 1 1 工作气压较低 工作气压较低 工作气压较低 工作气压较低 mTorrmTorrmTorrmTorr 2 2 2 2 能够产生比较均匀的能够产生比较均匀的能够产生比较均匀的能够产生比较均匀的plasmaplasmaplasmaplasma 1 1 1 1 电子电子电子电子 离子的运动行为 离子的运动行为 离子的运动行为 离子的运动行为 2 2 2 2 电离率高 电离率高 电离率高 电离率高 3 3 3 3 能量和密度随时间变化 能量和密度随时间变化 能量和密度随时间变化 能量和密度随时间变化 射频电场射频电场射频电场射频电场 13 56MHz13 56MHz13 56MHz13 56MHz 平均电场平均电场平均电场平均电场 2 2 2 2 射频感应耦合等离子体 射频感应耦合等离子体 ICP ICP ICP ICP RF biased electrodeRF biased electrodeRF biased electrodeRF biased electrode waferwaferwaferwafer coilcoilcoilcoil Insulating plateInsulating plateInsulating plateInsulating plate 平面线圈感应耦合等离子体源平面线圈感应耦合等离子体源 主电源 连接在线圈 控制等离子体的状态 主电源 连接在线圈 控制等离子体的状态 主电源 连接在线圈 控制等离子体的状态 主电源 连接在线圈 控制等离子体的状态 偏压电源 施加在芯片台上 控制离子轰击晶片上的能偏压电源 施加在芯片台上 控制离子轰击晶片上的能偏压电源 施加在芯片台上 控制离子轰击晶片上的能偏压电源 施加在芯片台上 控制离子轰击晶片上的能 量分布 量分布 量分布 量分布 3 3 3 3 微波电子回旋共振 微波电子回旋共振 ECR ECR ECR ECR 等离子体源等离子体源 4 4 双频电容耦合等离子体 双频电容耦合等离子体 DF CCP DF CCP 源源 Upper electrodeUpper electrodeUpper electrodeUpper electrode LF source LF source LF source LF source HF sourceHF sourceHF sourceHF source Plasma lower electrodelower electrodelower electrodelower electrode 1 1 1 1 高频电源控制等离子 高频电源控制等离子 高频电源控制等离子 高频电源控制等离子 体密度 低频电源控体密度 低频电源控体密度 低频电源控体密度 低频电源控 制离子的能量 制离子的能量 制离子的能量 制离子的能量 2 2 2 2 产生高密度均匀等离 产生高密度均匀等离 产生高密度均匀等离 产生高密度均匀等离 子体 子体 子体 子体 2000年 DF CCP 源 5 5 空心阴极放电等离子体 空心阴极放电等离子体 HCDHCDHCDHCD 源源 1 1 放电装置 放电装置 1 1 1 1 电场分布电场分布电场分布电场分布 2 2 2 2 放电特性 放电特性 2 2 2 2 电子电子电子电子 离子的行为 电离率高 密度大 离子的行为 电离率高 密度大 离子的行为 电离率高 密度大 离子的行为 电离率高 密度大 3 3 3 3 快重粒子快重粒子快重粒子快重粒子 N N N N N N N N2 2 2 2 N N N N2f 2f2f2f N N N Nf f f f 轰击圆筒阴极轰击圆筒阴极轰击圆筒阴极轰击圆筒阴极 内表面内表面内表面内表面 形成氮化涂层 形成氮化涂层 形成氮化涂层 形成氮化涂层 0 00 10 2 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 R cm Z cm 2 650E5 1 319E5 5 288E5 9 256E5 1 323E6 1 719E6 2 116E6 2 513E6 2 910E6 电 子 在 腔 内 摆 动 电 子 在 腔 内 摆 动 1 1 1 1 管子管子管子管子 大大 小小 洞洞洞洞 带底带底带底带底 小孔等内表面涂层 小孔等内表面涂层 小孔等内表面涂层 小孔等内表面涂层 2 2 2 2 形状复杂的靶 假牙等 形状复杂的靶 假牙等 形状复杂的靶 假牙等 形状复杂的靶 假牙等 放在腔内 放在腔内 放在腔内 放在腔内 3 3 3 3 应用 应用 4 4 4 4 空心阴极放电 空心阴极放电 直流 射频 脉冲 微放电直流 射频 脉冲 微放电直流 射频 脉冲 微放电直流 射频 脉冲 微放电 微空心 亚毫米 阴极放电及微空心 亚毫米 阴极放电及微空心 亚毫米 阴极放电及微空心 亚毫米 阴极放电及阵列阵列阵列阵列 微放电微放电 应用 应用 1 1 1 1 等离子体显示等离子体显示等离子体显示等离子体显示 2 2 2 2 微型准分子激光器 微型准分子激光器 微型准分子激光器 微型准分子激光器 3 3 3 3 表面处理表面处理表面处理表面处理 薄膜沉积薄膜沉积薄膜沉积薄膜沉积 等离子体等离子体科学科学是物理 化学和材料等学是物理 化学和材料等学是物理 化学和材料等学是物理 化学和材料等学 科的交叉科学 包含了电磁学 分子碰撞动科的交叉科学 包含了电磁学 分子碰撞动科的交叉科学 包含了电磁学 分子碰撞动科的交叉科学 包含了电磁学 分子碰撞动 力学 化学反应动力学和表面科学等力学 化学反应动力学和表面科学等力学 化学反应动力学和表面科学等力学 化学反应动力学和表面科学等 等离子体等离子体物理物理是研究等离子体自身运动是研究等离子体自身运动是研究等离子体自身运动是研究等离子体自身运动 规律及其与周围物质相互作用过程 是规律及其与周围物质相互作用过程 是规律及其与周围物质相互作用过程 是规律及其与周围物质相互作用过程 是物理物理物理物理 学学学学的的的的二级学科二级学科二级学科二级学科 总总总总 结结结结 有一位有一位有一位有一位 哲人哲人哲人哲人 曰 曰 曰 曰 我们经常将等离子我们经常将等离子我们经常将等离子我们经常将等离子 体人性化 她的许多表现酷似于我们人类 体人性化 她的许多表现酷似于我们人类 体人性化 她的许多表现酷似于我们人类 体人性化 她的许多表现酷似于我们人类 常常不需要牵强的联想 就可以用我们日常常常不需要牵强的联想 就可以用我们日常常常不需要牵强的联想 就可以用我们日常常常不需要牵强的联想 就可以用我们日常 的经验 甚至是我们内心的感受来理解她的的经验 甚至是我们内心的感受来理解她的的经验 甚至是我们内心的感受来理解她的的经验 甚至是我们内心的感受来理解她的 行为 行为 行为 行为 等离子体中的两性等离子体中的两性 相互独立又相互扶持 平和时若即若离 逃逸相互独立又相互扶持 平和时若即若离 逃逸相互独立又相互扶持 平和时若即若离 逃逸相互独立又相互扶持 平和时若即若离 逃逸 时则携手并肩时则携手并肩