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高密度等離子體

等離子體即“電離了的氣體”，又稱“物質(zhì)的第四態(tài)”。通常情況下，等離子體中存在電子、正離子和中性粒子等成分，中性粒子中又包含有分子、原子和原子團(tuán)等。獲得等離子體的常見方法就是電離氣體法。電離氣體法是指使用電場(chǎng)，電離氣體中的分子或原子，形成自由電子和離子，最終利用歐姆加熱、波加熱等原理維持等離子體放電的一種方法。電離氣體法因?yàn)樵O(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)易，成本低廉，被廣泛研究和使用。包括直流高壓電、射頻功率、微波功率源以及毫米波等不同頻率的源均可產(chǎn)生等離子體，氣壓環(huán)境更是從大氣壓這樣的高壓環(huán)境到利用真空泵制造的低真空環(huán)境中均可。

高密度等離子體的生成方式

在大規(guī)模的工業(yè)等離子體應(yīng)用中，往往需要選擇大口徑且高密度的等離子體，利用直流放電很難實(shí)現(xiàn)上述要求：比如在直流輝光放電中，由于電極與等離子體之間的電位差較大，導(dǎo)致離子從電極帶走的功率也較大，很難實(shí)現(xiàn)生成的等離子體具有高密度化的要求，即便在放電時(shí)加大功率，損失的能量也隨之增多，相應(yīng)地，等離子體密度依舊不能大幅度增加；若采用交流放電的方法卻可以在電極與等離子體之間的電位差保持較低的狀態(tài)下增大功率，即使氣壓較低，也能滿足高密度化的工業(yè)要求。高頻放電屬于交流放電的一種，能產(chǎn)生高密度等離子體，其工作原理主要是由天線或者電極從外部得到功率，通過(guò)電磁場(chǎng)來(lái)加速電子從而產(chǎn)生和維持等離子體的生成。根據(jù)耦合方式的不同，高頻放電又分為射頻放電和微波放電。

射頻放電

射頻放電有電容耦合和電感應(yīng)耦合之分，前者又稱靜電耦合，主要利用靜電場(chǎng)來(lái)加速電子；后者則利用感應(yīng)電場(chǎng)來(lái)加速電子。

（1）電容耦合等離子體（CCP）：在平行板電極兩端施加13.56M的高頻功率，通入工作氣體，在該頻率的持續(xù)激勵(lì)下，產(chǎn)生等離子體，因平行電極板結(jié)構(gòu)與電容器類似，故這種在平行電極兩端產(chǎn)生的等離子體稱之為CCP，如圖1.1所示。

圖1-1 電容耦合等離子體CCP

（2）感應(yīng)耦合等離子體（ICP）：將高頻功率供給線圈，由電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)引起感應(yīng)電場(chǎng)，由此激發(fā)并產(chǎn)生的等離子體叫做ICP。ICP是一種比較重要的工業(yè)等離子體。所謂感應(yīng)耦合，是因?yàn)槠涓哳l電源和等離子體之間的聯(lián)系主要靠類似變壓器的作用在等離子體中感應(yīng)產(chǎn)生的高頻電流實(shí)現(xiàn)的。

微波放電
微波放電產(chǎn)生的表面波等離子體屬于電磁波耦合等離子體。以下圖1-2所示的微波放電裝置為例，微波放電產(chǎn)生表面波等離子體的原理為：利用微波源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使微波在矩形波導(dǎo)中傳輸并在波導(dǎo)下方狹縫天線的作用下耦合進(jìn)石英板，同時(shí)在狹縫下方形成高強(qiáng)度電場(chǎng)，當(dāng)微波源的入射功率足夠大且能保證狹縫天線周圍的場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到擊穿工作氣體的閾值，此時(shí)，就在狹縫下方擊穿工作氣體進(jìn)行放電產(chǎn)生等離子體。當(dāng)?shù)入x子體不斷產(chǎn)生，生成的等離子體密度達(dá)到微波反射所需的臨界密度時(shí)，電磁波便在等離子體和石英板玻璃板表面均發(fā)生全反射，從而導(dǎo)致電磁波在等離子體和石英板界面?zhèn)鞑バ纬杀砻娌?。表面波在等離子體和石英玻璃板分界面沿表面?zhèn)鞑サ耐瑫r(shí)，形成高強(qiáng)度的電場(chǎng)分布以維持高密度等離子體的生成。

圖1-2 表面波等離子體裝置圖