高密度等离子体的生成方式-深圳纳恩科技有限公司

高密度等离子体

等离子体即“电离了的气体”，又称“物质的第四态”。通常情况下，等离子体中存在电子、正离子和中性粒子等成分，中性粒子中又包含有分子、原子和原子团等。获得等离子体的常见方法就是电离气体法。电离气体法是指使用电场，电离气体中的分子或原子，形成自由电子和离子，最终利用欧姆加热、波加热等原理维持等离子体放电的一种方法。电离气体法因为设备相对简易，成本低廉，被广泛研究和使用。包括直流高压电、射频功率、微波功率源以及毫米波等不同频率的源均可产生等离子体，气压环境更是从大气压这样的高压环境到利用真空泵制造的低真空环境中均可。

高密度等离子体的生成方式

在大规模的工业等离子体应用中，往往需要选择大口径且高密度的等离子体，利用直流放电很难实现上述要求：比如在直流辉光放电中，由于电极与等离子体之间的电位差较大，导致离子从电极带走的功率也较大，很难实现生成的等离子体具有高密度化的要求，即便在放电时加大功率，损失的能量也随之增多，相应地，等离子体密度依旧不能大幅度增加；若采用交流放电的方法却可以在电极与等离子体之间的电位差保持较低的状态下增大功率，即使气压较低，也能满足高密度化的工业要求。高频放电属于交流放电的一种，能产生高密度等离子体，其工作原理主要是由天线或者电极从外部得到功率，通过电磁场来加速电子从而产生和维持等离子体的生成。根据耦合方式的不同，高频放电又分为射频放电和微波放电。

射频放电

射频放电有电容耦合和电感应耦合之分，前者又称静电耦合，主要利用静电场来加速电子；后者则利用感应电场来加速电子。

（1）电容耦合等离子体（CCP）：在平行板电极两端施加13.56M的高频功率，通入工作气体，在该频率的持续激励下，产生等离子体，因平行电极板结构与电容器类似，故这种在平行电极两端产生的等离子体称之为CCP，如图1.1所示。

图1-1 电容耦合等离子体CCP

（2）感应耦合等离子体（ICP）：将高频功率供给线圈，由电流产生的交变磁场引起感应电场，由此激发并产生的等离子体叫做ICP。ICP是一种比较重要的工业等离子体。所谓感应耦合，是因为其高频电源和等离子体之间的联系主要靠类似变压器的作用在等离子体中感应产生的高频电流实现的。

微波放电
微波放电产生的表面波等离子体属于电磁波耦合等离子体。以下图1-2所示的微波放电装置为例，微波放电产生表面波等离子体的原理为：利用微波源进行驱动，使微波在矩形波导中传输并在波导下方狭缝天线的作用下耦合进石英板，同时在狭缝下方形成高强度电场，当微波源的入射功率足够大且能保证狭缝天线周围的场强达到击穿工作气体的阈值，此时，就在狭缝下方击穿工作气体进行放电产生等离子体。当等离子体不断产生，生成的等离子体密度达到微波反射所需的临界密度时，电磁波便在等离子体和石英板玻璃板表面均发生全反射，从而导致电磁波在等离子体和石英板界面传播形成表面波。表面波在等离子体和石英玻璃板分界面沿表面传播的同时，形成高强度的电场分布以维持高密度等离子体的生成。

图1-2 表面波等离子体装置图