电容感应耦合放电

1、2.2 电容耦合射频放电为了维持直流辉光放电，电极必须是可导电的。如果其中一端或两端电极都不可导电，如当辉光放电用于绝缘材料的光谱化学分析或介质薄膜的沉积，此时电极表面附着绝缘材料，电极因正负电荷的积累而充电，辉光放电熄灭。为了解 决这个问题，可以在电极间加交流电压，这样，每个电极都可以充当阳极和阴极，在电压正半周期时积累的部分电荷将会在电压负半周期时被抵消。通常，电压频率为射频范围（1kHz-kHz，常见频率为13.56MHz）。严格的说，在其他电压频率时，也会产生电容耦合放电，所以称其为交流放电更合适。另外，频率应该很高，这样半个周期才会比绝缘体充满电的时间短。否则，电极将会相继呈相反极性

2、，引起短暂放电，而不是持续放电。由计算可得，当所加电压频率大于100kHz时，放电能持续。实际上，很多射频辉光放电过程产生于13.56MHz。因为该频率是国际通信局规定的，其在传播一定能量的时候不会对通信产生干扰。此时需要强调，所谓电容耦合，指的是将输入功率耦合为放电一种方式，也就是说，利用两个电极及其鞘层形成一个电容。后面会讲到，射频功率也可以利用其它方法耦合放电。在典型射频频率下，电子和离子的行为完全不同，这可通过它们不同的质量解释。电子质量小，可以跟得上射频电压产生的时变电场的变化。实际上，电子的固有频率，或所谓的电子等离子体频率为： （Hz） （1）用表示。当电子密度从变化到时，等离子

3、体频率由9×变化至3×Hz，比13.56MHz大很多。如果电压频率小于离子等离子体频率，离子可以跟得上鞘层内的电场的变化。由于离子等离子体频率与质量呈反比，电子可以跟的上典型射频时电场的变化，而离子只能跟得上随时间均匀变化的电场。电容耦合射频放电的另一个重要的方面是，自给偏压现象，也是由电子和离子质量的不同引起的。当两电极大小不同时，或当射频电源与电极之间形成耦合电容时，或电极是绝缘的（因为可以把它当作电容），自给偏压也称直流偏压便会形成。当在由电极形成的电容上施加一方波（见图3）时，等离子体电压值将达到所加电压的值。当所加电压刚开始为正时，如图3，电子将加速向电极运动。因

4、此，电容将通过电子电流迅速充电，等离子体电压下降。半个周期后，所加电压极性改变时，等离子体电压改变相同的数值（即施加电压幅值的2倍）。电容此时通过离子电流已充电完成，等离子体电压将下降，但比先前下降的少，因为离子的迁移率较低，导致离子流通量较小。又经过半个周期时，电压极性改变，同样等离子体电压极性也改变。此时，等离子体电压下降更快，因为电容因电子流又充满了电。此过程周而复始，直到电容最终充满足够的阴极电荷，此时电子和离子在一个射频周期内流量相同。最终在射频功率电极间形成一个随时间均匀变化的负直流偏压（图3中的虚线表示）。需要说明的是，该现象也会发生在地极中，但影响很小。图4为一典型的正弦电压，

5、其频率为13.56MHz，以及其所对应的直流偏压。图3 在矩形脉冲下，电容耦合射频放电时，自给偏压的产生过程：（a）电极两端施加的电压 （b）关于时间函数的放电电压及自 给偏压（虚线）图4 实线为电极两端的正弦电压，虚线为射频电源电极间的直流偏压。由于负的直流偏压作用，离子持续加速向射频功率电极运动，他们会引起射频电极材料的溅射。实际上，电容耦合射频放电类似直流辉光放电，如各个放电区的区分，产生条件，放电发生过程等都很类似，尤其电容耦合射频放电模式，此时鞘层中二次电子的发射和加速电子引起的离子化对放电的维持起重要作用。在分析性电容耦合射频放电中，常见放电模式，该情况下，气压很高（几百pa），电

6、压很高（幅值大约为1kV），射频功率电极比接地极小很多，进而导致自给偏压很大(通常大约只比射频电压幅值低80kV)。电容耦合射频放电中产生的另一种模式为放电模式。该模式下，主要机理为，整体等离子体中电子引起的离子化过程。电子可以从振荡的射频电场（即鞘层的扩大和缩小），即欧姆加热过程，中获得能量。该放电模式通常发生在低气压，电压下。另外，当电场很大时，电子可以在等离子体中加热（即整体欧姆加热）。这种情况发生在负电性气体中，或者放电管很长很窄，其中由于双极性扩散造成的辐射损失很重要。该机理与有正柱区的直流辉光放电很类似。模式与模式之间的转换，是很多理论，建模，试验研究的主题。模式引用于描述电子崩过

7、程的汤森第一电离系数，模式引用于离子作用二次电子发射系数。等离子体应用中，电容耦合射频放电，也称“射频二极管”，其中最简单的一种情况是，由真空室组成，室内有两个相隔几cm的平面电极。基质通常置于其中一个电极上。常用的驱动电压为100-1000V。气压范围为1-100Pa，电子密度（即等离子体密度）为-。因此，其气压和等离子体密度比大部分分析性射频放电（气压为几百Pa，等离子体密度为-）要低。2.3 脉冲辉光放电除了将射频电压用于辉光放电，同样也可施加离散脉冲电压，通常脉冲宽度为毫秒或微秒级。在平均功率相同时，同直流辉光放电相比，脉冲放电会有较强的瞬间溅射，电离过程和激发过程，即效率较高（对于分

8、析光谱化学家来说，可以得到更高的敏感度），因为该过程发生在较高的峰值电压和电流下，而激发和离子化这些基本的等离子体现象与电场强度成非线性关系。鉴于早期的分析调查主要是毫秒脉冲放电，最近的研究主要集中于微秒脉冲放电，结果，峰值电压、电流更大，敏感度更高。典型的分析性微秒脉冲为：幅值为2kV，脉冲宽度为10，脉冲重复频率为200Hz，其产生的峰值电流大约为1A，功率大约为2kW。因此，典型的工作周期很短，即脉冲启动时间与脉冲关断时间的比值很低。这意味着平均电功率很低，试品不会被充分加热。而且，溅射的整体速率很低，可以分析薄膜。同样，在半导体产业中，脉冲功率操作是一种很有发展前景的方法，其可以用于减

9、少电荷感应损耗和持续放电造成的腐蚀变形。和射频技术相比，脉冲直流技术的另一个优点的粗化方法的简单性，这是由于，其阻抗匹配网络问题和电磁干扰问题减弱，而且对于更大的反应器来说，其电压价格较低。对于脉冲技术等离子体，其典型的操作条件为：放电脉冲持续时间大约为100，电压峰值大约为500V,气压大约100Pa，而且反应器通常较大，为几。常见的应用有钢材的等离子体氮化处理和硬涂层的沉积。就基本的等离子体过程而言，脉冲辉光放电和直流辉光放电很相似，即它可认为是短暂的直流辉光放电，但伴随很长的余辉，因为在下一个脉冲到来前放电就已熄灭。应该指出的是，脉冲放电时，非热平衡现象加剧，因为没有过度的加热，气体温度

10、比电子温度低。另外，也存在非化学平衡，因为电离与复合发生在不同的时间段。2.4大气压下辉光放电（APGDs）上文提到，辉光放电可以放生在很长的气压范围内。典型的气压范围约为100Pa，在更高的气压（甚至大气压）下，辉光放电也会发生，但是比较容易导致气体或者电极过热或产生电弧。根据经典论的相似性，如果保持乘积pd为常数，当d减小时就可以增大气压p。因此，小型化的放电设备就能在大气压下（甚至更高气压）产生辉光放电。在Schoenbach 等、Stark以及Schoenbach的著作中，提出了大气压下空心阴极微小放电现象。空心阴极大的直径大约100-200m。在Czerfalvi等和Mezei等的著

11、作中，用电解质做阴极实现了在大气中大气压下小的放电。在Eijkel等的著作中，提出了大气压下在一个微芯片中氦的直流辉光放电从而实现了具有分子发射探测器的气相色谱法（例如对甲烷、氦气等）。典型的维度是长度是1-2mm，宽度和高度为几百m，使得这成为典型的等离子体存在的体积50-180nl。另外，Blades等以及Sturgeon和其同事的分析应用著作中，大气压下电容耦合射频放电已经有了很多的应用，近期罗马尼亚的一个科研小组也对此发表了文章。 除了能减小放电的空间尺度外，在技术应用中的大气压下稳定放电（APGDs）在其他能满足的条件下也可以进行，比如电极、介质气体和所加电压的频率。典型的APGDs

12、是在至少一个电极上加上介质，然后在交流电压下进行。例如，氦能够引起稳定的均匀辉光放电，而氧和氩气容易引起到从辉光放电到丝状放电的过渡。然而，通过改变电极的结构也能使它们完成均匀辉光放电。 图5 图5所示为典型的应用到等离子体聚合的APGD的示意图。辉光放电产生于两平行板电极间，极板表面覆盖了电介质（例如氧化铝）。放电中包含等离子体中特殊单体聚合体和作为介质气体的氦气的气体流。所加电压是20kV，频率是1-30kHz。极板间距典型值是几个毫米。 APGDs的最大优点是非真空，这就大大降低了成本和辉光放电的操作复杂程度。另外，在大的蒸汽压力下的材料，例如橡胶、纺织品和生物材料就会更容易处理。 已知

13、的应用包括材料的表面修饰（例如提高用于油漆和胶水的聚合物的润湿性）、表面消毒（例如医疗行业器械表面的微生物消毒）、等离子体聚合、生产臭氧等等。 2.5 介质阻挡放电(DBDs) 与APGDs密切相关的是介质阻挡放电(DBDs)，以前也称之为“静放电”。它们也是大约在大气压下操作的（典型值为0.1-1atm）。放电所加电压的幅值为1-100kV，电压频率为几赫兹到几兆赫兹，同时电极间加了介质（例如玻璃、石英，陶瓷材料或聚合物）电极内间距从0.1mm（等离子体显示）到大约1mm（臭氧产生器）再到几厘米（二氧化碳激光器）不等。与APGDs的主要不同在于，APGDs在电极间是均匀的，半个周期仅仅产生一

14、次电流脉冲而DBDs在纳秒时间内产生微丝放电（这样会在一个周期内产生很多电流脉冲）。事实上，这个区分只是人为的，因为在相同的电极结构下依据不同的放电条件和放电气体会产生APGDs或者DBDs。也有迹象显示，均匀的APGDs不是真的均匀，也有漫射发光现象。因此APGDs也可以被认为是一种漫射的DBDs。图6两种基本的DBDs配置需要加以区分。体积放电（）包括两个平行板（见图6a）。放电发生在极板间窄道中，并随机的分布于电极表面。一个周期内的微放电数目正比于所加电压的幅值。表面放电（SD）包括一些介质层上的表面电极和其反面的电极（见图6b）。没有一个明确定义的放电间隙。这种情况下，所谓的微放电是发

15、生在介质表面的一层薄薄薄的单独放电现象，可以称之为特定距离上的均匀放电。电压的增加使得介质表面的放电扩大了。也存在着两种结构的结合体，例如共面安排，应用在等离子体显示屏或者是固定床反应器，应用在一些等离子体化学反应器中。 DBDs的纳秒间隔是由于聚集在介质表面的电荷在放电之后的级纳秒引起的。事实上，这降低了微放电的电场强度，使之达到电荷电流间断的成度。由于这么小的时间间隔和能量耗散，这会导致很少的气体加热。因此，在微放电中，很大比例的电子能量被用来激发介质气体中的原子和分子，从而引起化学反应或者辐射发射。这解释了DBDs在应用中引起的的巨大兴趣。1857年Siemens在从氧气或空气中生产臭氧

16、时已经应用了这种放电。现在，这种静放电臭氧发生器是一种有效的工具，在世界范围内很多的臭氧设备被用作水处理。另外一些应用是，二氧化碳生成器、在紫外和真空紫外的准分子辐射、从甲烷和氧气中生成甲醇、不同的薄膜沉积过程、尾气处理、等离子体显示屏。当前，DBDs在分析光谱学中的应用已出现，即作为惰性气体或空气/惰性气体混合物中激发的氯原子和氟原子吸收光谱法的半导体激光微等离子体。已经证明，DBD对多种分子有很强的离解能力，例如CClF,CClF和CHCl2.6 电晕放电除了辉光放电之外，还存在另外一种脉冲直流放电，它的阴极时金属丝。在大气压下，阴极表面施加高负电压时，就会产生放电。电晕放电产生是因为在阴

17、极周围产生暗辉光。负极性电晕放电的机理与直流辉光放电类似 ，正离子被加速向阴极运动，到达阴极后轰击阴极产生二次电子发射。这些电子被加速进入到等离子体中。这叫做流光。也就是前面是高能电子后面跟着低能电子。高能电子与重粒子发生非弹性碰撞，例如，造成离子化，激发，解列。因此，等离子体的根部形成，这会造成在碰撞中产生更大的分子。因此在应用中，点电子动力学和重粒子动力学有很明显的区别。这两者之间的区别表现在时间上而不是空间上。在温度和化学性质方面，电晕放电也处于极不平衡的状态。主要原因是脉冲的作用时间短，如果施加的电压源不是脉冲形式的，那么就会产生高温，引起热电子发射，并向接近平衡状态的弧光放电过渡。事

18、实上，除了负极性电晕放电外，也存在正极性电晕放电，其中，金属丝上存在正电压，因此它为阳极。电晕放电的应用包括废气清洁，油漆中挥发性化合物的处理，水的净化等等。气体或液体中的尘埃能够通过电子的吸附清除掉，电子吸附后，尘埃带负电，这样就能够从气体或液体中隔离了。2.8 低压、高密度等离子体技术近些年来，很多低压、高密度等离子体放电技术得到应用。它主要是替代容性射频放电（射频二极管）的蚀刻和皮膜处理应用。确实，射频二极管的电压和电流不能独立控制，因此，除非施加不同的频率，否则离子冲击通量和冲击能不能单独改变。而且并不是每次都能施加不同的频率。因此，要产生适度的离子通量，鞘层电压必须具备很高的数值。由

19、于高冲击能会对施加在电极上的薄片造成不应有的破坏。而且，低离子通量和高离子能的结合在应用中会导致较窄的加工面积。在射频二极管中有限的离子通量导致较低的处理比率 ，较低的处理比率 经常会造成多薄片或成批处理，这会产生薄片间再现能力的损失。为了克服这些问题，平均离子冲击能应该独立控制离子和中性助溶剂。通过在未受驱策的电极上放置薄片并且独立的在具有二次射频源的电极上施加偏压，可以控制离子冲击能。尽管这些所谓的射频三极管已经应用，但是在低压下处理比率很低而且产生的飞溅污染物也是个问题。各种磁场增强射频二极管三极管已经发展来增加等离子体密度和离子通量。然而，如上所述，离子通量不具有良好的均匀性，这限制了它在等离子体处理应用中的适用性。新一代的低压高温等离子体的特征正