等离子体及气体放电基础知识课件.ppt

等离子体及气体放电等离子体及气体放电基础基础研发部钟雷钟雷1等离子体等离子体物质的第四态物质的第四态1.自然界物质的状态：在一定的温度和压强条件下，物质可以在固液气在一定的温度和压强条件下，物质可以在固液气三态中转变。如果温度继续升高，物质转变为等三态中转变。如果温度继续升高，物质转变为等离子体状态。离子体状态。在目前已知可观测的宇宙空间中，99%的物质都不是上述三种形态，而是处于等离子态。星云极光（左上）闪电（右下）2.等离子体及其存在的条件 等离子体等离子体(plasmaplasmaplasmaplasma)是指由大量带电粒子和中性原是指由大量带电粒子和中性原子、分子等组成，并保持电中性的物质形态。也子、分子等组成，并保持电中性的物质形态。也可称为等离子气体。可称为等离子气体。其存在需要极端的条件：如高热、放电等，使气其存在需要极端的条件：如高热、放电等，使气体分子发生电离。如：体分子发生电离。如：太阳内部温度高达太阳内部温度高达15001500万摄氏度；万摄氏度；各种气体放电装置，高电压（数千伏特）气体放各种气体放电装置，高电压（数千伏特）气体放电。电。3.等离子体分类 高温等离子体：高温等离子体：宇宙中恒星、核聚变反应堆（上亿度）；宇宙中恒星、核聚变反应堆（上亿度）；低温等离子体：低温等离子体：辉光、电晕、火花、电弧。辉光、电晕、火花、电弧。在工业领域广泛应用的是低温等离子体，特别是在工业领域广泛应用的是低温等离子体，特别是辉光等离子体。辉光等离子体。4.等离子体的特性 等离子体内充斥着的电子和离子，对电磁场的等离子体内充斥着的电子和离子，对电磁场的响应非常敏感响应非常敏感。因此我们可以简单总结：因此我们可以简单总结：电场具有电场具有加速加速加速加速带电粒子，尤其是电子的作用带电粒子，尤其是电子的作用,通过加速赋予通过加速赋予带电粒子能量；带电粒子能量；磁场具有磁场具有约束约束约束约束带电粒子围绕其圆周运动的作用。带电粒子围绕其圆周运动的作用。人们利用电磁场来对等离子体施加影响，在各个领域取得人们利用电磁场来对等离子体施加影响，在各个领域取得应用。应用。核聚变装置（左上）磁控溅射装置（右下）EAST装置截面磁控溅射原理气体放电原理气体放电原理 1.电离 通过高压或高能辐射等方式，使中性粒子变为带通过高压或高能辐射等方式，使中性粒子变为带电粒子的过程。电粒子的过程。电离的方式包括：碰撞电离、光电离、热阴极发射、场致发射等。最普遍的是碰撞电离。电子经过电场加速，与原子碰撞产生一对新的电子和正离子。这样空间存在两个电子。两个电子随后经过再次加速，与另外两个原子碰撞，产生另外两对电子和正离子。这种电子呈几何量级增长的现象称为 雪崩。2.完成雪崩电离的条件：1)1)电子具有足够能量（打得狠）电子具有足够能量（打得狠）要求电子在电场里加速到一定速度要求电子在电场里加速到一定速度高压电场；高压电场；加速过程中无碰撞加速过程中无碰撞气体分子不能过于稠密。气体分子不能过于稠密。2)2)电子和气体分子具有足够大碰撞几率（打得准）电子和气体分子具有足够大碰撞几率（打得准）要求气体分子又不能过于稀少，否则电离的次数太少。要求气体分子又不能过于稀少，否则电离的次数太少。因此决定放电过程的两个主要参数是气压和电压。因此决定放电过程的两个主要参数是气压和电压。雪崩电离是气体放电得以实现的主要原因。气体放电使用的工作气体最常见的是氩气气体放电使用的工作气体最常见的是氩气(ArArArAr)。这是因为氩气化学性质稳定；作为单原子气体实这是因为氩气化学性质稳定；作为单原子气体实现气体放电所消耗功率小；价格相对便宜等。现气体放电所消耗功率小；价格相对便宜等。3.气体放电 泛指通过各种手段使气体变为导体，流通电流的泛指通过各种手段使气体变为导体，流通电流的过程，或者可简单地概括为使气体分子发生电离过程，或者可简单地概括为使气体分子发生电离的过程。包括辉光放电、电晕放电、火花放电、的过程。包括辉光放电、电晕放电、火花放电、电弧放电等类型。电弧放电等类型。1)1)辉光放电 辉光放电是在高电压下，产生辉光的气体放电现辉光放电是在高电压下，产生辉光的气体放电现象，也是工业生产中最常用的气体放电状态：如象，也是工业生产中最常用的气体放电状态：如各种溅射镀膜。各种溅射镀膜。其特点是放电电压高（可达数千伏特），电流很其特点是放电电压高（可达数千伏特），电流很弱（几个毫安）。弱（几个毫安）。辉光放电基本结构2)2)火花放电 火花放电，是在电源功率不太大时，高压电极溅气体被击穿，出现闪光和爆裂声的气体放电状态。特点是在两极上产生时断时续的火花。3)电弧放电 电弧放电是呈现弧状白光并产生高温（上万度）的气体放电状态，是气体放电的最终形式。其特点是放电电压很低（几十伏特），电流很大（数十到数百安培）。电弧放电具有异常伏安特性，即电流越大，电阻反而越低。这是因为电流越大，等离子体温度升高，气体导电率升高的原因，放电原理简介放电原理简介 以下简单地介绍工业应用中常见的辉光和电弧放以下简单地介绍工业应用中常见的辉光和电弧放电的基本原理。电的基本原理。电路电路 用电器正常工作时电路必须时刻处于导通状态。用电器正常工作时电路必须时刻处于导通状态。从电子运动的角度来看，从电子运动的角度来看，电子从阴极（负极）出电子从阴极（负极）出发发，经过用电器的经过用电器的传输传输后达到阳极（正极）。后达到阳极（正极）。对对本行业而言，用电器即是各种镀膜设备。本行业而言，用电器即是各种镀膜设备。电子在电路内的运动 镀膜设备（用电器）使用镀膜设备（用电器）使用气体气体（如氩气）作为传（如氩气）作为传输电子的介质。为了保持电路的畅通，就必须输电子的介质。为了保持电路的畅通，就必须使使气体内部产生大量的、可自由移动的带电粒子气体内部产生大量的、可自由移动的带电粒子。通常条件下不导电，通常条件下不导电，电子无法自由移动电子无法自由移动气体放电的气体放电的意义所在意义所在 气体放电方式的不同决定了获得的放电种类以及气体放电方式的不同决定了获得的放电种类以及相应的电压电流关系的不同。相应的电压电流关系的不同。简单地说，简单地说，辉光放电属于高电压低电流；辉光放电属于高电压低电流；电弧放电属于低电压高电流。电弧放电属于低电压高电流。那么，如何区别不同的气体放电方式呢？那么，如何区别不同的气体放电方式呢？继续往下看继续往下看继续往下看继续往下看 电路导通需要时刻保证由电路导通需要时刻保证由阴极发出的电子数目和阴极发出的电子数目和阳极接收的电子数目一致阳极接收的电子数目一致。这是实现电路稳这是实现电路稳定工作的条件。定工作的条件。电路导通及放电方式的判定电路导通及放电方式的判定很重要！很重要！放电过程电子数目一致 在我们目前所接触的放电设备中，阳极的作用即在我们目前所接触的放电设备中，阳极的作用即是是单纯地接收电子单纯地接收电子。因此，。因此，阴极发射电子方式的不同决定了放电方式的差异。这一点对我们理解辉光和电弧非常有用。请仔这一点对我们理解辉光和电弧非常有用。请仔细留意之。细留意之。讲辉光之前先提到一个讲辉光之前先提到一个概念概念电离。电离。所谓电离即是指，气体内所谓电离即是指，气体内部存在的初始电子在电场加部存在的初始电子在电场加速作用下，通过与气体原子速作用下，通过与气体原子的碰撞产生大量带电粒子的的碰撞产生大量带电粒子的过程过程。辉光放电主要用于溅射过程。其放电特征为：高辉光放电主要用于溅射过程。其放电特征为：高电压（可达上千伏）和低电流（毫安量级）。电压（可达上千伏）和低电流（毫安量级）。1.辉光辉光辉光放电原理 气体在经历电离过程后，产生大量的电子和离子。气体在经历电离过程后，产生大量的电子和离子。电子飞向阳极；电子飞向阳极；正离子在虚线框所示的高压加速区内被加速撞击正离子在虚线框所示的高压加速区内被加速撞击阴极，产生阴极，产生二次电子二次电子，并溅射出阴极原子（靶原，并溅射出阴极原子（靶原子）。子）。由于离子质量远大于电子（由于离子质量远大于电子（1000:11000:1），需很高的），需很高的电压（几百甚至上千伏特）才能使之达到满足产电压（几百甚至上千伏特）才能使之达到满足产生二次电子的能量。这就是溅射过程中所谓高电生二次电子的能量。这就是溅射过程中所谓高电压的由来。压的由来。辉光放电中，阴极发辉光放电中，阴极发辉光放电中，阴极发辉光放电中，阴极发射电子的方式射电子的方式射电子的方式射电子的方式 通过如上的过程，辉光放电的阴极发射电子保持通过如上的过程，辉光放电的阴极发射电子保持放电的稳定进行；同时溅射出的靶原子可以沉积放电的稳定进行；同时溅射出的靶原子可以沉积到工件，完成镀膜。到工件，完成镀膜。让我们不厌其烦地总结一下辉光放电：让我们不厌其烦地总结一下辉光放电：气体离子依靠阴极附近高电压加速轰击阴极，产气体离子依靠阴极附近高电压加速轰击阴极，产生二次电子并溅射靶原子。由于导电能力偏弱，生二次电子并溅射靶原子。由于导电能力偏弱，电流很小。形成电流很小。形成高电压低电流的放电特性。的放电特性。2.磁控溅射磁控溅射 溅射而来的靶原子相比真空蒸发时情形具有更高溅射而来的靶原子相比真空蒸发时情形具有更高的动能（高一个数量级）。但靶原子的生产速率的动能（高一个数量级）。但靶原子的生产速率远小于蒸发，造成沉积速度缓慢。远小于蒸发，造成沉积速度缓慢。基于磁场对电子具有良好的约束作用，通过合理基于磁场对电子具有良好的约束作用，通过合理配置磁场，可以使阴极发射的二次电子大量被约配置磁场，可以使阴极发射的二次电子大量被约束在阴极靶附近，而不是迅速飞至阳极。这些电束在阴极靶附近，而不是迅速飞至阳极。这些电子不断参与电离，可在阴极靶前得到高密度气体子不断参与电离，可在阴极靶前得到高密度气体离子，使溅射速率大大提高。离子，使溅射速率大大提高。磁控溅射原理3.电弧电弧 电弧放电是最激烈的放电形式。其特点是高电流电弧放电是最激烈的放电形式。其特点是高电流（几十到数百安培）和低电压（几十伏特）。（几十到数百安培）和低电压（几十伏特）。.引弧引弧：通过引弧针造成电路短路，在引弧针和阴极靶接通过引弧针造成电路短路，在引弧针和阴极靶接触的小范围内就会通过触的小范围内就会通过很大的电流很大的电流（数百到上千（数百到上千安培）。该位置会急剧升温，使靶材（以钛为例）安培）。该位置会急剧升温，使靶材（以钛为例）蒸发、电离。在阴极靶上方形成稠密等离子云。蒸发、电离。在阴极靶上方形成稠密等离子云。.电子发射（场致发射）电子发射（场致发射）：随后引弧针与阴极靶脱离接触。稠密等离子云在随后引弧针与阴极靶脱离接触。稠密等离子云在阴极表面产生强电场，使阴极发射电子（场致发阴极表面产生强电场，使阴极发射电子（场致发射）。射）。电弧中阴极发射电子电弧中阴极发射电子电弧中阴极发射电子电弧中阴极发射电子的方式的方式的方式的方式.爆炸性发射爆炸性发射 阴极发射电子撞击被蒸发阴极发射电子撞击被蒸发的的TiTi原子引发电离，使等原子引发电离，使等离子云内存在高密度离子云内存在高密度TiTi+离离子。子。TiTi+离子随后轰击阴极保持离子随后轰击阴极保持靶材的靶材的炽热炽热。在靶面引起。在靶面引起爆炸性发射。发射大量的爆炸性发射。发射大量的TiTi原子、原子、TiTi+、电子以及有、电子以及有害的害的液滴液滴。其中。其中TiTi+可用于可用于沉积。沉积。由上面的步骤可见，电弧持续放电的关键在于由上面的步骤可见，电弧持续放电的关键在于阴阴极靶保持高热极靶保持高热不断引起微爆炸。这就需要在阴极不断引起微爆炸。这就需要在阴极靶面上的小范围内保持大电流，这就是电弧放电靶面上的小范围内保持大电流，这就是电弧放电高电流特征的来源。高电流特征的来源。同辉光放电一样，我们再次简要地总结电弧放电：同辉光放电一样，我们再次简要地总结电弧放电：阴极靶面的高电流保持阴极局部高热，不断引起阴极靶面的高电流保持阴极局部高热，不断引起新的爆炸性发射。由于导电能力强，电流很大，新的爆炸性发射。由于导电能力强，电流很大，很小的电压就可维持放电，形成很小的电压就可维持放电，形成高电流低电压的的放电特征。放电特征。4.电弧的利弊电弧的利弊 电弧镀膜中，离子具有极高的动能和很好的沉积电弧镀膜中，离子具有极高的动能和很好的沉积速率。但是无法避免的液滴使膜层的均匀性恶化，速率。但是无法避免的液滴使膜层的均匀性恶化，限制了其使用。限制了其使用。采用改善放电条件采用改善放电条件或磁过滤的方法可或磁过滤的方法可一定程度上抑制液一定程度上抑制液滴的伤害，在此不滴的伤害，在此不再深入讨论。再深入讨论。5.思考思考 1.1.我们区分不同的放电种类的依据是什么？我们区分不同的放电种类的依据是什么？2.2.辉光和电弧的放电特征有什么差别？辉光和电弧的放电特征有什么差别？3.3.是什么造成了这种差别？是什么造成了这种差别？没有了！没有了！