✲  从微电子工业到航天器推进系统乃高效光源，低温射频等离子体在各种前沿技术中扮演着重要的角色，而且它是物理学、化学及工程学之间相互交叉的一个学科。

等离子体是一种包含自由运动的电子、离子的电离气体。

等离子体通常非常接近电中性，也就是说，等离子体中的负电荷粒子的数密度等于正电荷粒子的数密度，正负电荷的数密度偏差在千分之几以内。带电粒子在电场中的运动是相互耦合的，因此它们的运动会对外加电磁场作出集体响应。在低频电磁场中，等离子体表现为导体；当外加电磁场的频率足够高时，等离子体的行为更像电介质。在弱电离等离子体中（工业应用中大部分属于这种情形），除了电子和离子之外，还存在大量中性粒子，如原子、分子和自由基团等。

从质量和体积两方面来看，等离子体是宇宙中可见物质的主要存在形式。

恒星是由等离子体构成的，同样，星际空间也充满等离子体。这两种等离子体有很大差别：恒星的星核是高温稠密的等离子体，而星际空间则是稀薄的冷等离子体。

地球上人造等离子体也有同样的差别：既有高温高密度等离子体，也有低温低密度等离子体。

受控热核聚变堆就是一种高温高密度的人造等离子体，它是完全电离的。目前，对于受控热核聚变研究，其挑战性的问题是如何长时间地约束这种高温高密度等离子体，从而使其发生轻核聚变，释放出巨大的聚变能。

另一类温度较低的弱电离等离子体，又被称为低温等离子体，包括从照明到半导体工艺等各种工业应用等离子体。低温等离子体可通过气体放电来产生，放电电源的频率可以从直流（Direct Current, DC）到微波波段（GHz）。放电气压可以在小于1Pa到数倍大气压（105Pa）之间。

表 等离子体源的频率范围

等离子体发生器常常使用交变电源驱动放电，其频率范围在1 MHz到200 MHz之间。这个频率范围属于射频波段，射频波段是特别有意义的。对于低频端的射频放电，除了重离子外，等离子体中的其它各种粒子的运动均可以跟上射频电磁场的变化；而对于高频端的射频放电，等离子体中只有电子可以响应射频电磁场的变化，离子由于惯性较大，只能响应时间平均的电场。在射频的整个波段，电子都能即时响应射频场的变化。特别地，频率为13.56 MHz及其谐频通常被工业及医疗所选用，而其它射频频率被分配至通讯领域。空间等离子体推进器所用的螺旋波等离子体源的工作频率也在射频波段，通常为13.56 MHz。材料处理工艺所使用的等离子体还可以采用直流和低频放电产生，也可以采用微波放电。

对于具有金属电极的大气压直流放电，通常是工作在强电流区，其中在由带电粒子和中性粒子组成的等离子体中形成了一个狭窄的电流通道。在这种直流大气压等离子体中，带电粒子和中性粒子接近热平衡（各种粒子大致处于相同温度，大约10 000 K）。相似的情形也可以在巨型闪电及用于焊接和切割的电弧等离子体中看到。由于中性气体组分的温度过高，电弧等离子体不适于软材料表面的处理。

但是，如果可以抑制达到热平衡的条件，就可以避免大气压放电中气体的过度加热，从而产生一大类被广泛应用的等离子体，即非热（平衡）等离子体。

在这种等离子体中，电子的温度远远高于离子和气体原子的温度。产生非平衡等离子体的方法之一是射频 (RF)激励介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）。这种放电装置中，在电极表面覆盖一层电介质，这样在电极产生弧光放电前，电介质表面的电荷积累会自动终止放电。短脉冲介质阻挡放电通常工作在丝状放电模式，每个丝状放电通道的电流很小，但其中的电子密度及电子温度足以使相当一部分中性气体解离和电离。中性气体仍处于低温状态，而且在一个电流脉冲内，等离子体中的各种组分来不及达到热平衡状态。DBD等离子体在低成本工业应用中的重要性日益增加，例如在医用材料的消毒，以及空气中可挥发有机化合物的去除等方面的应用。

在一些情况下，某些气体的放电会呈现出比DBD更强的扩散模式。对于这类气体放电，由于约束等离子体的空间过于狭小，以致等离子体各组分之间难以达到热平衡。在大气压下，这种放电形式被称为微放电，其特征放电尺度小于1mm 。

射频等离子体发生器。可以用很多方法产生射频电磁场，射频电磁场能量耦合效率，以及等离子体的均匀性，均强烈依赖于射频激励电极、线圈或天线的设计。工业中应用的两种典型射频等离子体发生器分别为：电容耦合等离子体（Capacitively Coupled Plasma，CCP）发生器，如图中（a）所示，以及电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma，ICP）或变压器耦合等离子体（Transformer Coupled Plasma，TCP）发生器，如（b）所示。

在低气压下更易于产生大面积低温非热平衡等离子体。低气压放电系统通常由真空室（典型尺度为几个厘米）、配气系统及馈入电能的电极（或天线）构成。在低气压下，放电过程发生在所谓的辉光区，此时等离子体几乎占据整个放电室，这与大气压丝状放电模式下观察的现象形成鲜明的对照。低气压辉光放电中，放电室中大部分区域充满准中性等离子体，在等离子体和放电室器壁之间有一层很薄的空间正电荷层。这些位于器壁表面的空间正电荷层，或者称为“鞘层”，其空间尺度一般小于1cm。鞘层源于电子和离子迁移率的差别。等离子体中的电势分布倾向于约束电子，而把正离子推入鞘层。

由于电子首先吸收电源的馈入能量，然后被加热至数万度，而重粒子几乎处于室温。正是由于低气压等离子体具有这种非热力学平衡的特性，使其在工业中有着重要的应用。

在温度高达10,000 K的电子能量分布中，有相当一部分能量用于解离工作气体分子，使之成为活性物种（原子、基团和离子）。因此，非平衡等离子体实际上是将电能转变为工作气体的化学能和内能，并且可以将这种化学能和内能用于材料表面改性。等离子体鞘层在材料表面改性中起着重要的作用，这是因为，鞘层区中的电场可以将电源的电场能转变为轰击到材料表面的离子的动能。轰击材料表面的离子能量是材料表面改性的一个主要工艺参数，这个能量可以轻易地增加到小分子及固体原子结合能的数千倍。正是低温等离子体的这种非热力学平衡现象，带来了等离子体处理技术的多样性，这种多样性可以从高分子材料的表面活化一直到半导体离子注入等一系列应用中看出。

等离子体处理技术在很多制造业中得到应用，特别是在汽车、航空及生物医用部件的表面处理方面。因为减少了有毒液体的使用，等离子体技术在环保上显示出优越性。同时，由于兼容纳米制造，等离子体技术在大规模工业制造中也具有优势。

等离子体技术对制造业的最大冲击体现在微电子工业上。如果没有等离子体的相关技术，大规模集成电路的制备就不能实现。

超大规模集成电路中多层金属介质互连。集成电路中包含精心设计的多层半导体、电介质、导体薄膜，并由具有复杂架构的金属布线相互连通。首先是借助于等离子体工艺来沉积这些薄膜，并进一步使用反应性等离子体对其进行刻蚀，最终形成尺度为数十纳米的图形。集成电路中各种薄膜刻蚀的特征尺度小于人体头发直径的百分之一。

本文由刘四旦摘编自[法] 帕斯卡·夏伯特、[英] 尼古拉斯·布雷斯韦特著，王友年、徐军、宋远红译《射频等离子体物理学》一书。标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-045919-0

《射频等离子体物理学》主要聚焦在物理学方面，不仅对射频等离子体的前沿进展进行了综述，同时也包括了一些等离子体物理基础知识，如有界等离子体的输运及电学诊断。本书的风格有助于激发读者学习的兴趣，帮助他们建立物理图像和数学分析方法。通过实例分析，将理论应用到实际问题中，并留有超过100道的简答题，让读者能够快速掌握新知识，有信心解决与实验相关的物理问题。主要适用于应用物理及电子工程专业的研究生及科研人员。

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