一、等离子体-物质第四态 如果给物质施加显著的高温或通过加速电子、加速离子等给物质加上能量，中性的物质就会被离解成电子、离子和自由基。不断地从外部施加能量，物质被离解成阴、阳荷电粒子的状态称为等离子体。将物质的状态按从低能到高能的顺序排列依次为固体、液体、气体,等离子体。 等离子体是宇宙中物质存在的一种状态,称为物质第四态.其中含有电子、离子、激发态粒子、亚稳态粒子、光子等,既有导电性又可用磁场控制,而且能为化学反应提供丰富的活性粒子,总体上是电中性的导电气体。自然界中，等离子体普遍存在，地球大气外层的电离层、太阳日冕、恒星内部、稀薄的星云和星际气体都存在等离子体，地球上自然存在的等离子体虽不多见，但在宇宙中却是物质存在的主要形式，估计宇宙中有99%以上的物质以等离子体的形式存在。 二、等离子体的产生 获得等离子体的方法和途径是多种多样的。通常把在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象称之为气体放电，如此产生的电离气体叫做气体放电等离子体。人们对气体放电的研究己有相当长的一段历史，目前世界各国有很多研究者正从各个方面研究和发展气体放电。现代气体放电的研究大致可分为两个发展时期:第一个时期是1930年左右，人们从理论上集中对各种气体放电的性质进行了分析和研究，Langmuir首次提出等离子体(plasma)的概念[1] Tonks L, Langmuir I. Oscillations in ionized gases. Phys.Rev., 1929, 33
(2):195-210，即由电子、离子和中性原子组成的宏观上保持电中性的电离物质;第二个时期是1950年左右，人们对受控热核反应的研究。近年来，随着微电子、激光、材料的合成与改性等高新技术的发展，气体放电得到了越来越广泛的研究与应用。运用气体放电获得等离子体是一种直接、有效的方法。迄今为止，人们在实验室和生产实践中产生了各式各样的气体放电形式。按工作气压的不同，气体放电可分为低气压放电和高气压放电;按激励电场频率的不同，可分为直流放电、低频放电、高频放电和微波放电;按放电形式及形成机制可分为汤森放电、辉光放电、弧光放电、电晕放电和介质阻挡放电等。 在等离子体发展的不同阶段和从不同的研究角度，它的分类方法也不同，下面介绍按温度分类的等离子体[２]（见下表）
微波等离子体 ●微波等离子体反应器特点： 微波：为交流能量（信号），通过波导传输，每一种波导 具有一定的特征阻抗 （射频传输线理论） 等离子体的反应器：本质上是具有一定阻抗的负载。 微波等离子体工作要求：波导特征阻抗=等离子体负载 阻抗。 微波反射波能量将至最低。 ●微波等离子体反应器发展： 小尺寸共振腔---->表面波长细等离子体--->大面 积（体积）表面波等离子体。 ●微波等离子体反应器结构： ⊙单模谐振腔 谐振腔尺寸: λ λ= R,（谐振条件） =d 阻抗匹配: 好，可以不设置附加匹配。 激励电场 单模（单一本征模） 方向：图中电场沿轴向。 状态：驻波
缺点：体积小（？） 电场不均匀-----〉等离子体空间均匀性差。应用：放电灯，光谱分析。
⊙多模腔 谐振腔尺寸: λ λ>> R;（非谐振） >>d 阻抗匹配: 差，需要附加匹配。 优点：电场较均匀-----〉等离子体空间均匀性好。 ⊙表面波等离子体（surface microwave plasma,SWP）源 尺寸: λ = R（谐振条件），轴向尺寸没有限制阻抗匹配: 需要设置附加匹配。 激励电场 单模或多模（单一本征模） 状态：行波 优点：大体积，细长 缺点：面积小 应用：气体反应（甲烷--->乙炔），有害气体处理
侧视图
多管SWP源
●大面积/体积SWP源 两种方式：（a）顶面馈入;(b)侧面馈入 三种典型装置：（a）日本平面狭缝（顶面）耦合； (b) 德国环状狭缝（侧面）耦合； （c）法国改进型表面波导（侧面）耦合美国： 中国（中国科大、合肥等离子体物理所----> 德国版）●日本顶面狭缝（重点） （1）两种加热模式
( (51)International Patent Classification:Morgan Hill,California95037(US).TANAKA,Tsuto- H01J37/32(2006.01)mu;744Nicholson Avenue,Santa Clara,California95051 (US).GARACHTCHENKO,Alexander;2011California (21)International Application Number: PCT/US2019/026289St.,Apt.10A,Mountain View,California94040(US).XIA, Yanjun;6214Joaquin Murieta Ave.,Unit B,Newark,Cal? (22)International Filing Date:ifornia94560(US).RAMASAMY,Balamurugan;Door 08April2019(08.04.2019)No.:302Sy.No.165/1,Manjula Apartments,Near KSVK School,Late Chairman Krishnappa Layout Immadihalli, (25)Filing Language:English Whitefield,560066Bangalore(IN). SHAH,Kartik;18908 (26)Publication Language:English Bellgrove Circle,Saratoga,California95070(US). (30)Priority Data:(74)Agent:WRIGHT,Jonathan B.;Servilla Whitney LLC,33 62/655,74610April2018(10.04.2018)U S Wood Avenue South,Suite830,Iselin,New Jersey08830 (US). (71)Applicant:APPLIED MATERIALS,INC.[US/US]; 3050Bowers Avenue,Santa Clara,California95054(US).(81)Designated States(unless otherwise indicated,for every kind o f national protection av ailable).AE,AG,AL,AM, (72)Inventors:CHANDRASEKAR,Siva;Plot.No.270,Sri AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ, Meenakshi Nagar,Bagalur Road,635109Hosur(IN).CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO, TRUONG,Quoc;4035Canyon Crest Rd.W.,San Ra?DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN, mon,California94582(US).DZILNO,Dmitry;712Glen?HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP, coe Court,Sunnyvale,California94087(US).SHERVE-KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME, GAR,Avinash;180Alicante Dr.,#323,San Jose,Cali?MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ, fornia95134(US).KUDELA,Jozef;18222Bautista Cir.,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA, (54)Title:MICROWAVE PLASMA SOURCE WITH SPLIT WINDOW FIG.2 (57)Abstract:Plasma source assemblies,gas distribution assemblies including the plasma source assembly and methods of generating plasma are described.The plasma source assemblies include a powered electrode with a ground electrode adjacent a first side,a first dielectric adjacent a second side of the powered electrode and at least one second dielectric adjacent the first dielectric on a side opposite the first dielectric.The sum of the thicknesses of the first dielectric and each of the second dielectrics is in the range of about10mm to about17mm. [Continued on next page]
微波与低温等离子体相互作用的二维FDTD模拟 等离子体隐身是一种利用等离子体回避雷达探测的方法和技术,此方法就其原理而言优点突出,极具发展前景。几个主要的军事大国都积极开展该领域的研究和发展工作。目前,此方法和技术尚未发展成熟,诸多问题有待解决,还需要继续进行广泛、深入、细致的理论研究和实验研究。近年来,数值模拟计算研究成效显著,受到多方面的重视。本文针对两种进气管模型(直型腔体和S型腔体),分别设置结构对照组(直型腔体和S型腔体),和等离子体模型组(腔体内壁覆盖低温离子体层),采用时域有限差分(FDTD)方法,进行数值模拟计算,研究腔体结构和等离子体层对于雷达波(电磁波)的屏蔽作用。结果表明,(1)直型金属腔体对电磁波具有强反射特性,S型金属腔体对电磁波的反射相对较弱,反映了 结构隐身的作用；(2)腔体内壁覆盖等离子体层后电磁波的回波能量均明显减少,且金属直型腔体加入等离子体对电磁波的吸收更加强,反映了等离子体隐身的作用；(3)结构隐身与等离子体隐身相结合,有助于进一步改善和优化对于电磁波的隐身作用；(4)等离子体碰撞频率、等离子体电子数密度和入射电磁波频率等因素对于其隐身效果都有程度不同的影响。本文的研究方法和结果,可以为低温等离子体隐身方法和技术研究提供有价值的参考。 同主题文章 [1]. 朱晋生,陆继珍. 异向介质板应用于吸波隐身的FDTD方法分析' [J]. 电讯技术. 2008.(08) [2]. 谭维翰,顾敏. 等离子体钢丝二次谐波辐射的线性转换理论' [J]. 光学学报. 1988.(09) [3]. C.Ngo ,景成祥. 从核的多重碎裂到夸克—胶子等离子体' [J]. 原子核物理评论. 1989.(02) [4]. 顾琅. 等离子体加工过程中尘埃微粒行为的研究' [J]. 力学进展. 1997.(01) [5]. 董全力,王军,张少龙,满宝元,王象泰,于衍宏. 激光等离子体产生条件的实验研究' [J]. 光电子.激光. 1999.(05) [6]. 邱华盛. 中日签署沙尘合作研究协议及等离子体和核聚变合作研究协议' [J]. 中国科学院院刊. 2000.(06) [7].
一实验目地 . 了解等离子体产生地基本原理和方法，掌握多功能微波等离子体装置地使用方法； . 利用等离子体化学气相沉积地方法制备金刚石或类金刚石薄膜材料； . 观察薄膜形貌、测试薄膜地显微硬度. 二实验仪器与原材料 多功能微波等离子体装置、超声清洗机、高倍光学显微镜、显微硬度仪、硅片、金刚石微粉、氢气、甲烷或甲醇、乙醇等有机溶液资料个人收集整理，勿做商业用途 三实验原理 ．等离子体 自然界中物质地形态除了固、液、气三种形态之外，还存在第四态，即等离子体状态，其实在浩渺地宇宙中，等离子体态是物质存在地最普遍地一种形态，包括恒星，星云等.从将等离子体划为物质地第四态这个角度来看，等离子体地产生过程为：固体物质在受热地情况下熔化成液体，液体进一步受热后变成气体，气体进一步受热后，中性地原子和分子电离成离子和电子，形成等离子体.因此，只要给予稀薄气体以足够地能量将其离解，便可使之成为等离子体状态.资料个人收集整理，勿做商业用途 ．气体被能量激励或激发成为等离子体后，等离子体中地离子或离子基团以及原子和原子基团之间地相互作用力将达到稳定或平衡.由于等离子体中含有大量具有高能量地活性基团，这使得等离子体能够参与或发生许多不同地化学或物理反应.制备功能薄膜便是其中地一例.资料个人收集整理，勿做商业用途 ．等离子体化学气相沉积 等离子体在进行化学气相沉积时，活性基团与载体或活性基体之间发生一系列复杂地化学或物理反应，最终形成所需要地功能薄膜.资料个人收集整理，勿做商业用途 （气）（气）→ （固）（气） 反应气体、被激发为等离子体状态，其活性基团发生反应生成所需要地固态物沉积在基片上，可广泛用于功能薄膜或纳米材料地合成.如金刚石薄膜、氮化碳薄膜、生物或医用薄膜、碳纳米材料等.资料个人收集整理，勿做商业用途 .微波地产生、传导及利用其激发产生等离子体 本实验装置中，频率为地微波由磁控管来产生，依靠调整短路活塞使微波能量集中到反应腔中. ．仪器工作原理 本实验在微波源地石英管式微波等离子体装置上进行地，其技术原理是：由微波源产生地频率为地微波，沿矩形波导管以模式传输，经过调整短路活塞，最后在水冷谐振腔反应室内激励气体形成轴对称地等离子体球，等离子体球地直径大小取决于真空沉积室中气体压力和微波功率.基片温度以微波等离子体地自加热方式来达到.对于气体系统而言，在高能量、高密度等离子体和合适地工艺条件下，气体发生离解而产生大量地含碳基团和原子氢.含碳基团在基片表面进行结构重组，由于原子氢对键地刻蚀作用远比对键强烈，这样重组后地碳碳键具有金刚石结构地键保留下来，开始金刚石晶粒地优先成核、生长阶段，逐渐在基片表面上得到完整地金刚石薄膜.该装置产生地微波等离子体有许多优点：无内部电极，可避免放电污染，运行气压范围宽，能量转换效率高，可产生大范围地高密度等离子体.资料个人收集整理，勿做商业用途 四实验内容及步骤 . 线路连接与检查：连接并检查总电源，冷却水，气路.冷却水箱中水位至约％地位置且水质正常，检查气路是否已经连接安置到位.资料个人收集整理，勿做商业用途
等离子体刻蚀 ●集成电路的发展 1958年：第一个锗集成电路 1961年：集成8个元件 目前：集成20亿个元件 对比： 第一台计算机（EN IAC，1946），18000 只电子管, 重达30 吨, 占 地180 平方米, 耗电150 千瓦。奔II芯片：7.5百万个晶体管 ●集成电路发展的基本规律 穆尔法则：硅集成电路单位面积上的晶体管数，每18个月翻一番，特征尺寸下降一半。 集成度随时间的增长： 特征长度随时间的下降：
集成电路制造与等离子体刻蚀 集成电路本质：微小晶体管，MOS场效应管的集成 微小晶体管，MOS场的制作：硅片上微结构制作----槽、孔早期工艺：化学液体腐蚀----湿法工艺 5微米以上 缺点: (a)腐蚀性残液----->降低器件稳定性、寿命 (b)各向同性 (c)耗水量大（why） (d)环境污染
随着特征尺寸的下降，湿法工艺不能满足要求，寻求新的工艺----> 等离子体干法刻蚀，在1969引入半导体加工，在70年代开始广泛应用。
等离子体刻蚀过程、原理： 4
刻蚀三个阶段 (1) 刻蚀物质的吸附、反应 (2) 挥发性产物的形成; (3) 产物的脱附, 氯等离子体刻蚀硅反应过程 Cl2→Cl+Cl Si（表面）+2Cl→SiCl2 SiCl2+ 2Cl→SiC l4（why） CF4等离子体刻蚀SiO2反应过程 离子轰击作用 三种主要作用 （1）化学增强物理溅射(Chemical en2hanced physical sputtering) 例如,含氟的等离子体在硅表面形成的SiF x 基与元素 Si 相比,其键合能比较低,因而在离子轰击时具有较高 的溅射几率, （2）晶格损伤诱导化学反应(damage - induced chemical reaction) 离子轰击产生的晶格损伤使基片表面与气体物质的反 应速率增大 （3）化学溅射(chemical sputtering) 活性离子轰击引起一种化学反应,使其先形成弱束缚的 分子,然后从表面脱附。 其他作用 ?加速反应物的脱附 ---> 提高刻蚀反应速度 ?控制附加沉积物---> 提高刻蚀的各向异性
电子回旋共振等离子体 (Electron CyclotronResonance,ECR) z ECR等离子体源发展历史： （1）微波电源的发展 1921： 磁控管 1939：速调管 （2）二战中微波技术的迅速发展 雷达 （3）微波灶的普及 1960-1970 微波电源价格大幅度下降 （4）1970年代前期：高温核聚变等离子体微波加热 后期：日本，捷克 低温等离子体应用 （5）1980 集成电路芯片刻蚀加工： 低气压高密度等离子体源竞争 ECR,ICP.Helicon. Hitachi, Astex. z ECR等离子体源结构:
z 微波电子回旋共振加热原理 （a）微波ECR 等离子体内的有效电场 B 0 0 ≠()()? ???????+?+++=2222222112~c c c c c eff v v v E E ωωωω [对比] B 0=0 2 2222 ~c c eff v v E E +=ω 特性 电子回旋频率附近，击穿电场显著降低。 实验结果：
回旋运动角频率ωce= eB0/m e =ωwave (b)ECRplasma 中微波传输及吸收的主要特性 ---微波ECR 等离子体为各向异性介质,沿磁场方向传播的TE 波将分为右旋偏振波和左旋偏振波,色散关系为：
n2R=1-(ω2pe/ (ω - ωce)ω) n2L=1-(ω2pe/ (ω + ωce)ω) 右旋波的共振和截止条件为: ωce/ω =1 (共振条件: n R =∞) ω2pe/ω2=1-ωce/ ω(截止条件: n R =0) ----微波不同馈入模式的结果 低场馈入：图中路径a-----> 右旋波在低密度区截止（对应 的临界密度n crit= n c (1 - ωce/ω) ----->低密度 高场输入：图中路径b,没有高密度截止------>高密度运行条件
等离子体加工技术 摘要 随着科学技术的不断发展，工业需求的不断提高，各种高新设备应运而生，然而要加工这些设备就要使用更先进的加工技术。而等离子体加工技术就是一种不断发展的新型加工技术。本文简要介绍了工业用等离子体的分类及等离子体加工技术涉及的科学工程问题。围绕材料添加与去除加工，讨论了等离子体喷涂、增强沉积、离子去除等若干典型加工工艺的技术发展和应用情况，并对一些工艺中出现的现象以及某待深入研究的潜在科学问题进行了举例说明。 关键词：等离些有子体；加工；等离子体喷涂；等离子体聚合 Abstract With the continuous development of science and technology,increasing industrial demand,a variety of high-tech equipment came into being,however, to the processing of these devices is necessary to use more advanced processing technology.The plasma processing technology is a continuous development of new processing technology.This article briefly describes the classification of industrial plasma and plasma processing technology involved in scientific engineering problems.Adding and removing surrounding material processing,Discusses the plasma spraying, enhanced deposition, ion removal, etc. Several typical processing technology development and application,And some of the processes the phenomenon appears to be in-depth study as well as some of the potential scientific issues illustrate. Key words: Plasma；Machining；Plasma spraying；Plasma polymerization 引言 随着科学与工程技术的迅速发展，对新材料、新结构、新工艺的要求日益迫切。人们不仅要对材料的表面性能进行改进，而且还要了解元素（原子）的相互作用，新相的形成，亚稳态、非晶态的形成等机制；对一些结构器件的要求已达到了μm、nm 量级。在实现这些要求的过程中，作为特种加工手段之一的等离子体加工工艺的应用越来越广泛，实际上，等离子体之所以成为现代制造技术的重要手段之一，是由其能量状态决定的。物体由固体到等离子体态的转化过程中，都伴随有足够能量的输入。所以作为一种物质形态的等离子体具有最高的能量状态，为现代材料加工提供了巨大潜力。
等离子体合成金刚石 在20世纪80年代初,一种新的方法出现了,那就是微波等离子体化学气相法合成金刚石薄膜（CVD）制备金刚石薄膜，它成本低，质量高，有利于大规模合成利用,且装置简单,能量集中,反应条件易于控制,产物比较纯净,成为当前研究的主要方向和热点。现在该领域的最新进展是用微波化学气相合成法合成纳米级的金刚石薄膜,纳米级金刚石薄膜除了有普通微米级金刚石薄膜的性质外,还具有高光洁度,高韧性,低场放射电压,是具有广阔应用前景的新材料。摩擦系数低,光洁度高,颗粒极细,硬度高,耐磨度高,可广泛应用医疗,交通,航空航天,工业制造领域的涂料,涂层,钻头,更可为微型机电领域带来革命性的飞跃.许多科学家纷纷预言：21世纪将是金刚石的时代。 合成与机理：等离子态是物质的第四态,之所以把等离子体视为物质的又一种基本存在形态，是因为它与固、液、气三态相比无论在组成上还是在性质上均有本质区别。即使与气体之间也有着明显的差异。首先，气体通常是不导电的，等离子体则是一种导电流体而又在整体上保持电中性。其二，组成粒子间的作用力不同，气体分子间不存在净电磁力，而等离子体中的带电粒子间存在库仑力，并由此导致带电粒子群的种种特有的集体运动。第三，作为一个带电粒子系，等离子体的运动行为明显地会受到电磁场的影响和约束。需说明的是，并非任何电离气体都是等离子体。只有当电离度大到一定程度，使带电粒子密度达到所产生的空间电荷足以限制其自身运动时，体系的性质才会从量变到质变，这样的“电离气体”才算转变成等离子体。否则，体
系中虽有少数粒子电离，仍不过是互不相关的各部分的简单加合，而不具备作为物质第四态的典型性质和特征，仍属于气态。按热力学分析只要压力适当，石墨转变成金刚石在低温下并非不能自发进行，问题在于反应速率太低，以致必须提供苛刻的高温高压条件。但若借助非平衡等离子体，情况就不同了。如用微波放电把适当比例的CH4和H2气激发成等离子体，便可在低于1.0133×104Pa，800—900℃条件下以相当快的生长速率（1μm/h）人工合成金刚石薄膜。 依照此原理设计的CVD合成金刚石薄膜的装置都有一共同特性，即使低分子碳烃气体稀释在过量氢气中，在一定电磁能激发产生等离子体，在等离子体中形成局部的高温高压条件,通过适宜的沉积工艺在基片(硅片)上沉积出金刚石薄膜。常用的方法有热丝法、微波法、等离子体炬和燃烧火焰法等。热丝法是利用高温金属丝激发等离子体，装置简单，使用比较方便。但由于金属丝的高温蒸发会将杂质引入金刚石膜中，因此该方法不能制备高纯度的金刚石膜；微波法是利用微波的能量激发等离子体，具有能量利用效率高的优点。同时由于无电极放电，等离子体纯净，是目前高质量、高速率、大面积制备金刚石膜的首选方法；等离子体炬是利用电弧放电产生等离子体，制备的金刚石膜质量高。但由于电弧面积的限制，金刚石膜的面积较小；同时由于电弧点燃及熄灭的热冲击，对金刚石膜的附着力影响很大，设备的磨损大，反应气体的消耗也高；燃烧火焰法是利用乙炔在氧气中燃烧产生的高温激发等离子体，可以在常压下工作，也存在着金刚石膜沉积面积小，不均匀等问题。
微波等离子体设备 技术方案 1．设备简述： 微波等离子体设备由椭球谐振腔、真空室、沉积台、真空系统、气体流量控制系统、真空测量系统、水冷循环水压报警系统以及机架等组成。 示意图 2．设备结构 2.1椭球谐振腔 2.1.1材料：椭球谐振腔采用优质不锈钢1Cr18Ni9Ti； 2.1.2尺寸：径向450mm×轴向600mm，壁厚5mm，椭球边界满足方程式：(X2 /4502)+ (Y2 /6002)=1；2.1.3连接法兰：椭球谐振腔上下连接法兰可以独立拆卸，对微波密封； 2.1.4 观察窗：在椭球谐振腔的适当位置设置多个观察孔，使视线能看到石英钟罩内的等离子体和衬底， 衬底和等离子体的位置，观察孔的尺寸以不泄漏微波为准（直径为≤2 mm的孔）； 2.2 真空室、沉积台 2.2.1 真空室：真空室采用石英钟罩Ф230mm； 2.2.2 沉积台：真空室内沉积台采用优质不锈钢，能够下降开启，方便移出真空室内样品；对沉积台设置
水冷，水冷的主要部位为中心位置为50mm的圆及胶圈的密封部位，冷却能力今后要达到5kW；沉积台中心设置光纤测温孔 2.2.3 其它 2.2. 3.1 沉积台设有轴向位置标尺； 2.2. 3.2 Ф6mm手动放气阀； 2.2. 3.3 进气口； 2.3 真空系统 2.3.1 真空机组: 机械泵,抽速2L/S； 2.3.2 真空阀门：手动挡板阀、针阀各1只； 2.3.3 真空测量：采用电阻真空计测量； 2.4 进气系统 采用三路质量流量计控制，每路均设有手动截止阀 ●Ar: 200 ml /min ●H2: 200 ml /min ●CH4: 30 ml/min 2.5微波电源系统 采用800W微波电源，矩形波导传输微波，同轴天线进行模式转换和将微波导入椭球谐振腔； 2.6 电气控制系统 2.6.1整套控制系统采用手动按钮控制，独立的电气控制柜； 2.6.2．控制内容： 2.6.2.1．机械泵的起、停； 2.6.2.2．在缺水情况下的报警系统； 2.6.2.3．气体流量显示； 2.6.2.4. 真空显示； 3．系统配置
高功率微波与等离子体相互作用理论和数值研究? 袁忠才时家明? (脉冲功率激光技术国家重点实验室,电子工程学院,合肥230037) (2013年10月23日收到;2013年11月27日收到修改稿) 研究高功率微波与等离子体的相互作用,对于微波放电和电磁兼容研究均具有重要意义.基于波动方程、等离子体的流体力学方程以及波尔兹曼方程,建立高功率微波脉冲与等离子体相互作用的理论模型,并结合等离子体的特征参数,采用时域有限差分方法分析了等离子体电子密度和高功率微波传输特性的变化.结果表明,由于高功率微波的电子加热作用,等离子体中的非线性效应明显,发生击穿使得等离子体电子密度增大,从而导致微波的反射增强,透过率降低.所提出的模型和相关结果对于高功率微波和电磁脉冲防护具有指导意义. 关键词:等离子体,高功率,电磁防护,时域有限差分 PACS:52.25.Os,52.40.Db DOI:10.7498/aps.63.095202 1引言 作为一种新概念武器,高功率微波和电磁脉冲已经严重威胁到电子设备的安全[1,2].为此,近年来有人提出利用等离子体的吸波特性,用其来进行电子设备的电磁脉冲防护[3?6].Macheret等对于在高重复频率纳秒高功率微波脉冲作用下空气的放电特性进行了实验研究,证实了受入射场的影响等离子体电子温度明显升高,从而非线性效应变得显著[7].Bonaventura等对于高功率微波脉冲导致的N2等离子体参数变化进行了系统研究.首先通过求解波尔兹曼方程得到了N2等离子体电离率、复合率、迁移率等随入射场强的变化[8];然后通过数值模拟的方法得到了等离子体电子密度随入射场强的变化,并分析了由此导致的微波脉冲传输特性的变化[9];最后通过实验研究了微波放电中密度的时间变化特征[10].Liu等理论分析了利用高功率微波击穿空气的阈值,同时进行了初步的实验研究[11].但是,他们在进行微波脉冲与等离子体相互作用的数值仿真时,将等离子体视为一种具有电损耗的介质,并利用各区域场的展开和边界条件来求解波动方程,而等离子体作为一种色散媒质,上述处理会导致一定的误差.Anderson等利用微波放电时带电粒子加热与吸收微波功率之间的热平衡关系来求解微波击穿阈值等特征参数,但是他们在计算过程中设定带电粒子的扩散系数等参数与场强大小无关,同时认为电离频率的变化与入射场强的平方成正比[12?14].而在Tang等和周前红等的研究中,设定电离频率的变化直接与入射场强或相对场强的5.33次方成正比[15,16].通过与其他文献的比较(如文献[17,8—10])可以看出,这些假设只能在很小的范围内适用,通常等离子体电离率、复合率、迁移率等随入射场强的变化较为复杂,应通过碰撞截面或求解波尔兹曼方程来获得. 为此,我们建立了描述电磁波传播的波动方程,表征等离子体的流体力学方程以及考察入射场对带电粒子温度、反应速率、迁移率以及碰撞频率等影响的波尔兹曼方程,利用考察色散媒质的时域有限差分方法交互地求解上述三个耦合方程,从而获得高功率微波入射条件下等离子体电子密度、碰撞频率以及微波传输特性的变化. ?国防预研基金资助的课题. ?通讯作者.E-mail:sjmeei@https://www.doczj.com/doc/db15860613.html, ?2014中国物理学会Chinese Physical Society https://www.doczj.com/doc/db15860613.html,
微波等离子体技术在新材料中的应用 摘要：微波等离子休的研究已有三十多年的历史，近十年来的研究已使微波子离子体技术扎根于高技术新材料领域中。进人九十年代以来，国内微波等离子体合成新材料研究发展较快，如在合成功能材料原料、合成特殊导体材料、沉积磁性材料、制备纳米粒子等实验研究均见成效，研究结果揭示了微波能在合成新材料方面具有巨大的潜力与工业应用价值。本文主要讨论了陶瓷微波等离子烧结技术、MPCVD制备金刚石薄膜和光导纤维、微波ECR制备纳米固休薄膜和微波刻蚀技术等。 关键词：微波等离子体 近十几年来,国内外有关微波等离子体在材料制备中的应用发展十分迅速，如制备纳米材料、烧结材料、气相沉积等方面均已见成效,诸多研究结果表明,微波等离子体在材料制备方面的应用具有巨大潜力和工业价值。其依据在于微波等离子体独有的特点：1)活性强：微波等离子体对气体的电离和离解程度比其他类型的等离子体(如电弧等离子体)可高10倍以上,因此微波等离子体更能增加气体分子的反应性强;2)反应区内没有电极,消除了放电电极自身造成的污染,因而适合于高纯度物质的制备和处理,而且工艺效率高;3)反应区内的压力能在很宽范围内进行调整,工艺调控性好；4)微波等离子体中自由电子的温度高于离子的温度,其中的化学反应可有更高的反应平衡常数,效率高。正因如此,微波等离子体在材料合成、烧结、沉积以及表面刻蚀、表面处理等方面的应用日益引起人们的重视。与其它方法相比,经微波等离子法得到的材料往往有更高的品质,同时工艺过程有更好的可控性、重复性以及更高的效率,尤其是在难合成材料的制备上这些优点更加突出。基于上述分析,本文将从以下几个方面论述微波等离子体在新材料中的应用。 一、微波等离子体合成纳米粉体材料 1.1、高纯度纳米碳管的低温合成[2] 1.1.1实验仪器与原料 合成纳米碳管所用仪器是微波等离子体化学气相沉积装置，制备催化剂用原料为Co(NO3)2·6H2O,Ca(NO3)2·4H2O,HNO3,NaHCO3和Na2CO3,均为化学纯试剂.合成纳米碳管用碳源为分析纯甲醇,载气为氢气,纯度大于99.9%。
微波等离子体化学气相沉积系统研究 摘要：本文通过微波等离子产生原因，以及分析了我国气相沉积技术的内容与优点，并且，通过实验详细的阐述了微波等离子体化学气相沉积系统，为我国的化学气相沉积技术得以更好的发展，并能很好的解决微波等离子体遇到的问题，提供资料借鉴。 关键词：微波等离子体；化学气相沉积；系统；研究 一、微波等离子产生原因 人们日常生活见到的物质基本上以气态、固态或液态中的任一种形态存在。在一定的温度下，某物质的分子间作用力和无规则的热运动这两种因素的相互作用决定了这一物质的存在状态。当温度升高时，分子的无规则运动加剧，将使得分子间的作用力不足以将分子束缚在固定的平衡位置附近做微小的振动，当温度继续升高时，构成分子的原子也能够获得足够的动能，开始彼此分离，这一过程叫做离解，如果温度进一步提高，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚而成为自由电子，而由于电子和离子的热运动，也会使气体发生电离，这样物质就变成了由自由电子和正离子组成的物质的第四种形态，即等离子体。 二、我国气相沉积技术的内容与优点 气相沉积是近二三十年来迅速发展的新技术。它是物质从气态向固态转化的结果。其过程包括物质气化、气相输运和离子沉积成膜或涂层三个基本过程，化学气相沉积简称CVD，CVD是在相当高的温度下，利用混合气体与基体材料的相互作用，从而在其表面形成一层固态薄膜或涂层的技术。这类技术包括常规化学气相沉积，金属有机化合物化学气相沉积，等离子体强化化学气相沉积或等离子体辅助化学气相沉积，激光化学气相沉积等方法。目前气相沉积技术已经受到国内外的普遍重视，发展迅速。该技术具有沉积速率快、涂层均匀致密、附着性好、涂层材料广、对环境无污染等特点，运用这种技术可以改善金属材料及其零部件表而的抗蚀性、耐磨性和抗氧化性等性能。 三、实验及分析 （一）概述 3KW微波等离子体化学气相沉积系统上开展了实验，对金刚石薄膜的沉积工艺进行了研究，基片台采用石英玻璃基片台，基片为取向的单晶硅片。大小为1OX10mm，厚度为1mm，分别从基片的预处理、气源成分、以及沉积温度三个方面对沉积金刚石膜的质量进行了研究。采用SEM、XRD和Raman谱仪对金刚石膜进行了表征。得到了金刚石膜沉积的优化条件。 （二）基片预处理的影响
学号 队别 专业 姓名 摘要 等离子体作为物质存在的一种基本形态，自18世纪中期被发现以来，对它的认
识和利用不断深化。我们知道，普通化学反应和化工设备中所产生的温度只有二千多度。而在各种形式的气体放电所形成的低温等离子体中电子温度可达一万度以上，足以造成各种化学键的断裂，或使气体分子激发电离，产生许多在通常条件下不能发生的化学反应，获得通常条件下不能得到的化合物或化工产品，并且获得的化合物与化工产品不会产生热分解。目前，等离子体技术已被广泛的用于国防、工业、农业、环境、通信等一系列国民经济发展领域，极大地推动了信息产业的发展，促进了工业科技进步。 关键词等离子体微波放电隐身技术材料的表面改性微波等离子灯 引言 等离子体是由带电的正粒子、负粒子（其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等故称等离子体。他们在宏观上呈电中性的电离态气体（也有你液态、固态）。当温度足够高时，构成分子的原子也获得足够大的的动能，开始彼此分离，这一过程称为离解。在此基础上进一步提高温度，就会出现一种全新的现象，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚而成为自由电子，失去电子的原子变成带正电的离子，这个过程叫电离。等离子体指的就是这种电离气体，它通常由光子、电子、基态原子（或分子）、激发态原子（或分子）以及正离子和负离子六种基本粒子构成的集合体。因此，等离子体也被称为物质的第四态。 内容 一、等离子的性质 物质的第四态等离子体有着许多独特的物理、化学性质。只要表现如下： 1) 温度高、粒子动能大。 2) 作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能。等离子体从整体上看是一种导体电流体。 3) 化学性质活泼，容易发生化学反应。 4) 发光特性，可以作光源。 二、等离子技术的应用 微波放电等离子体技术与应用 通常，低气压、低温等离子体是在1～100pa的气体中进行直流或射频放电产生的。直流辉光发电首先被研究和应用，但该等离子体是有极放电，而且密度低、电离度低、运行气压高，这就限制了其应用的广泛性。随后，射频放电技术逐步被发展起来，这是一种无极放电，且等离子体工作与控制参数比辉光放电有所提高，因而获得了较广泛的应用。但是其密度和电离度仍较低，应用范围依然受到限制。 微波放电初始阶段的物理过程如下。微波引入反应腔中建立起电磁场，反应气体中的电子在微波场作用下获得能量，与气体分子碰撞使其电离，从而得到更多的自由电子和离子；在电子、离子密度增加的同时，等离子体介质参数发生变化；另外，电子、离子还存在扩散和复合运动。这些作用使等离子体最终达到平衡状态。因此这是一种微波与等离子体互相作用的非线性过程。
第 23卷第 10期强激光与粒子束 V o l . 23, N o . 10 2 011年 10月 H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S O c t . , 2011 文章编号 : 1001-4322(2011 10-2715- 04新型大气压微波等离子体炬的仿真研究 陈颖 1, 李承跃 1, 季天仁 2 (1. 电子科技大学物理电子学院 , 成都 610054, 2. 成都纽曼和瑞微波技术有限公司 , 成都 6 10052 摘要 :设计了一种新型的大气压微波等离子体炬结构。入射主频为 2 450MH z , 基于 H F S S 软件对其进行了仿真研究。在仿真过程中 , 对该结构的各个参数进行了优化 , 并得出对场强分布的影响规律。结果表明 , 探针的使用对腔内场分布有很大影响。根据优化参数对微波等离子体炬进行了仿真模拟 , 在等离子体发生 腔产生了高幅值的电场强度 , 品质因数达到 2×10 4 , 可以在大气压下激发等离子体。关键词 :微波等离子体炬 ; 大气压 ; H F S S 软件 ; 探针 ; 电场强度 中图分类号 : O 531文献标志码 : A d
o i :10. 3788/H P L P B 20112310. 2715自微波技术更广阔的应用空间被打开以来 , 微波等离子体因其具有较高电离和分解程度 , 电子温度和离子温度对中性气体温度之比高、 压强范围宽、高温下容易维持、无电极污染、微波源工作稳定、寿命长、微波泄露少、安全防护工作比较成熟、安全因素高、工作宁静等优点 , 利用微波产生等离子体射流或炬的研究已日趋普 遍 [1- 3]。大气压下微波等离子体的产生及稳定运行 , 日益成为该领域的热点。研发具有某些特殊性能的微波等离子体设备具有良好的发展前景和商业价值 [4- 5]。微波等离子体炬是一种很重要的等离子体发生形式 , 它是一种开放的等离子体光源 , 于 1985年由金钦汉等首先提出 [6] , 此后对微波等离子体炬的应用进行了一些初步探讨。 1990年 , 金钦汉和 G. M. H i e f t j e 共同对微波等离子体炬管进行了改造 , 使其更易于调谐 [7] 。本文设计了一种新型的微波等离子体炬结构 , 可以在大气压下产生等离子体炬。 1微波等离子体炬结构 本文设计的微波等离子体炬结构主要由 B J - 32矩形波导、耦合波导和环形腔构成。环形腔中心有一金属座 , 一根石英管贯穿环形腔中心 , 作为等离子体发生腔。整体装置结构如图 1、图 2所示。
電漿源原理與應用之介紹 文/張家豪，魏鴻文，翁政輝，柳克強 李安平，寇崇善 吳敏文，曾錦清，蔡文發，鄭國川 摘要 電漿科技已廣泛應用於科學研究及工業製程，成為現代科技的重要指標。本文將介紹國內在電漿源方面的研發，其中包括電感式電漿源，微波表面波電漿源,大氣電漿源，電漿浸沒離子佈植及電漿火炬等等。文中將簡介各式電漿源之基本物理及其應用發展。 1. 前言 電漿已廣泛應用於各種領域，如在半導體積體電路製造方面，舉凡不同材料薄膜的成長及電路的蝕刻皆普遍由電漿技術達成。另外在半導封裝及紡織業方面，則使用電漿來清潔及改變材料表面以達到特殊的功能及效果。在環保方面,電漿火炬可以安全固化焚化爐所產生之高污染灰渣。甚至在醫療上現已有商用之電漿設備用於手術刀具的殺菌。而在科學研究方面電漿更已成為重要的工具，如奈米碳管的成長，微機電的研發等等。 電漿之所以能提供如此廣泛的功能主要在於電漿中的反應是許多不同成分間的作用(Heterogeneous Interactions)，其中包括紫外線，中性粒子，活化粒子，電子及離子的反應。尤其是包含了具能量的粒子，它們能引發許多特殊的化學與物理的反應。例如在電漿蝕刻技術中，正離子經由電漿鞘層(Plasma Sheath)加速後轟擊矽晶圓，使其表面原子的鍵結破壞進而能迅速與活化粒子進行化學反應達到蝕刻效果。另外如在鑽石膜成長中，電漿一方面產生成長所需要的碳原子，當其在表面形成鍵結時，電漿中所產生的氫原子則能與石墨鍵結的碳原子進行蝕刻反應而留下鑽石的鍵結。在奈米碳管成長中，電漿鞘層的電場則能達到高方向性的成長。這是其他方法所無法達到的。 在電漿技術中電漿源則是系統的關鍵。目前產生電漿的方法以使用的功率源而言有直流放電(DC discharge)，低頻及中頻放電(數KHz到數MHz),射頻放電(13.6MHz)，及微波放電(2.45GHz)。現行電漿製程多操作在低氣壓之輝光放電(mTorr 到百Torr)。而操作在1大氣壓的低溫電漿製程則是現在研究的重要課題。以半導體製程而言，則以射頻放電被採用的最多。 本文將簡介數種電漿源，包含直流放電到微波放電；低氣壓電漿到大氣電漿；低溫電漿到高溫電漿。其中由柳克強教授介紹射頻電感偶合放電；寇崇善教援介紹微波表面波電漿；吳敏文博士介紹中頻大氣壓低溫電漿；曾錦清博士介紹直流大氣壓高溫電漿；電漿浸沒離子佈植則由蔡文發博士介紹。本文由鄭國川博士與寇崇善教授彙編。受限於篇幅，本文並未嘗試全面涵蓋國內在這方面的工作。 2-1 電感式電漿(柳克強，清華大學工程與系統科學系) 電感偶合式電漿(Inductively-Coupled Plasma, ICP) 為一結構簡單而應用廣泛之電漿源。ICP 之電漿產生與維持，為利用電磁感應產生之電場，加熱電漿電子，以應游離反應所需。而電磁感應所需之時變(交流)磁場，是由金屬導線上通交流電流所產生。導線通常繞成柱狀(column, solenoid) 或平面型(planar) 之