本章主要内容
第6章 等离子体的生成方法
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 各种直流放电方法与放电模式 辉光放电与低温等离子体 电弧放电与热等离子体 高频放电产生等离子体 微波放电产生等离子体
6.1 各种直流放电方法与放电模式
•直流放电法
– 冷阴极放电 – 热阴极放电 – 空心阴极放电 – 磁场辅助放电（磁控管放电）
" 直流放电的特征：
1. 电极上所加电压在极性上是恒定的，正电位端为阳极、负电位为阴极； 2. 等离子体的生成与维持主要通过阴极鞘层中的电子加速和等离子体中的 焦耳加热来实现；
• 冷阴极放电与热阴极放电的区别
– 冷阴极放电依靠阴极的二次电子发射来维持放 电，热阴极依靠阴极本身的热电子发射来维持放 电； – 热阴极放电需要较高的阴极温度 （1000‾3000oC），但在低气压（如0.1Pa）下 仍能维持放电； – 冷阴极放电需要较高的着火电压与放电维持电压 （用于加速离子），而热阴极放电的放电维持电 压较低； – 冷阴极放电器件不需要加热灯丝有较长的寿命， 且节能，热阴极放电器件有较高的功率；
• 空心阴极放电的原理与优点
– 阴极面积大，易于产生较高的电流密度，从而 得到高密度等离子体； – 空心阴极放电的阴极属冷阴极，依靠二次电子 发射维持放电； – 空心阴极有利于提高电离效率
• 径向电子运动在一定条件下可以维持很长的寿命， 从而增加其参与电离的次数（条件：平均自由程大 于圆筒半径，阴极表面的鞘层厚度小于圆筒半径， 电子在另一侧鞘层内被反射） • 阳极面积小，可以减少阳极对电子的吸收，加强放 电；
• 利用磁场的潘宁电离规
– PIG, (Penning ionization gauge)； – 磁场(～0.1T)辅助放电器件适合用于压强很低 情况下（10-4Pa）放电; – 磁场起引导作用，使其在两端阴极之间来回运 动，增长其寿命，加强放电； – 属冷阴极放电，二次电子维持放电；
• 磁控管放电
– 属冷阴极放电，二次电子维持放电； – 阴极表面的磁场与正交电场使电子产生E×B漂移，电子作旋 转式摆线运动，增长了电子的寿命； – 主要应用：磁控 溅射 – 参数范围：气压 mTorr，放电电 压几百伏 – 高能离子撞击阴 极溅射出阴极材 料，堆积到对面 基板形成薄膜
三耙磁控溅射仪
• 直流放电模式
– 标准直流放电模式（V-I关系，伏-安特性）
提示：电压可调节，电阻会分压
• 直流放电模式分析
– a‾b: 放电开始阶段，电流随电压的升高而增加，形成 的微弱电流不稳定（暗流）； – b‾c: 着火阶段，到达着火电压后，电流迅速增大，c点 即放电着火状态； – c‾d: 前期辉光放电阶段，电流增大，电压却下降，产 生负阻（原因：等离子体密度的增加使等离子体电阻 变小）； – d‾e: 正常辉光放电阶段，增大电流，电压一定（原因： 电流密度一定，导电面积增加）； – e‾f: 反常辉光放电阶段，电压随电流增大（导电面积 饱和）； – f‾g: 过渡到弧光放电；
" c~f过程可以看到等离子体的辉光现象，故称这种放电为辉光放电
（glow discharge）
6.2 辉光放电与低温等离子体
•辉光（glow）明亮、温暖而又稳定的光；
•是直流放电中的一种形态，常见于低温冷等离子体（低温、非平衡）；
•日光灯、PDP中的放电都属于辉光放电；
•近年半导体加工工艺中用到的高频放电也会产生类似现象，称为射频(RF)辉光放电
•辉光放电的放电特征
–发光区域的划分
–外加直流电压主要加在
阴极到负辉区之间(d c )
–p d c 对应帕邢曲线最小
着火电压处的值
–负辉区和法拉第暗区出
现的理由
–正柱区是准中性的等离
子体区域
–阳极附近存在阳极暗
区，是阳极鞘层（电子鞘层）
6.3 电弧放电与热等离子体
•电弧放电
–气体放电中最强烈的一种自持放电，当电源提供较大功率的电能时，若极间电压不高（约几十伏），两极间气体或金属蒸气中可持续通过较强的电流（几安至几十
安），并发出强烈的光辉，产生高温，这就是电弧放
电；
–电弧是一种常见的热等离子体（T
=T i，平衡）；
e
–电弧放电最显著的外观特征是明亮的弧光柱和电极斑
点，电弧分短弧和长弧；
–在外力作用下，如气流、磁场，电弧会迅速移动、拉伸或蜷曲；
–电弧放电中阴极电子的发射方式一般为热电子发射或场致发射
用于生成碳纳米管的100A电弧
体育场用弧光照明系统
汽车的氙气灯
电弧形貌
电弧照明
160kV下的强电弧，电极间距30cm
电弧喷涂
电弧焊接
•热电子发射电弧放电
–在辉光放电中，随着放电电流的增大，大量高能量等
离子体碰撞阴极使其温度上升
–阴极热电子发射满足Richardson-Dushman方程，其饱和电子发射流随温度升高而增大
–当放电的V-I特性曲线与外电路的负载直线相交时，放电电流趋于稳定
–阴极材料选择对实现弧
光放电很重要，常见的
有钨、钼等
Richardson-Dushman方程
•场致发射弧光放电
–在常温状态下，对阴极表面施加强电场，由于隧道效应，电子从阴极发射出来；
–当等离子体电位达到100V以上时，接地等离子体容器内的污染表面容易出现许多闪烁辉点，
这也是一种场致发射引起的电弧放电－微电
弧；
–在很多场合下，热电子发射和场致发射兼有；
–典型应用：水银电弧。液体水银作为阴极，水
银蒸汽在电场作用下电离，在低电压下能产生
kA数量级的电流。在液体表面会有来回闪动的白色光点（阴极辉点），全部放电电流集中在
辉点上。水银电弧可用于大电流整流或辐射紫
外线消毒等。
