等离子体是一种包含自在运动的电子、离子的电离气体（等离子体介绍）

等离子体是一种包含自在运动的电子、离子的电离气体（等离子体介绍）

等离子体一般十分挨近电中性，也便是说，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彼此耦合的，因而它们的运动会对外加电磁场作出团体呼应。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（工业运用中大部分归于这种情形），除了电子和离子之外，还存在许多中性粒子，如原子、分子和自在基团等。

从质量和体积两方面来看，等离子体是宇宙中可见物质的首要存在形式。

恒星是由等离子体构成的，相同，星际空间也充溢等离子体。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。

地球上人工等离子体也有相同的差别：既有高温高密度等离子体，也有低温低密度等离子体。

受控热核聚变堆便是一种高温高密度的人工等离子体，它是彻底电离的。现在，关于受控热核聚变研讨，其挑战性的问题是如何长期地束缚这种高温高密度等离子体，然后使其发生轻核聚变，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，包含从照明到半导体工艺等各种工业运用等离子体。低温等离子体可经过气体放电来发生，放电电源的频率可以从直流（DirectCurrent, 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。

等离子体发生器常常运用交变电源驱动放电，其频率规模在1 MHz到200 MHz之间。这个频率规模归于射频波段，射频波段是特别有意义的。关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改变；而关于高频端的射频放电，等离子体中只要电子可以呼应射频电磁场的改变，离子因为惯性较大，只能呼应时间均匀的电场。在射频的整个波段，电子都能即时呼应射频场的改变。特别地，频率为13.56 MHz及其谐频一般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作业频率也在射频波段，一般为13.56 MHz。资料处理工艺所运用的等离子体还可以选用直流和低频放电发生，也可以选用微波放电。

关于具有金属电极的大气压直流放电，一般是作业在强电流区，其间在由带电粒子和中性粒子组成的等离子体中构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挨近热平衡（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开的电弧等离子体中看到。因为中性气体组分的温度过高，电弧等离子体不适于软资料外表的处理。

但是，假如可以抑制到达热平衡的条件，就可以防止大气压放电中气体的过度加热，然后发生一大类被广泛运用的等离子体，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。发生非平衡等离子体的办法之一是射频 (RF)鼓励介质阻挠放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）。这种放电装置中，在电极外表掩盖一层电介质，这样在电极发生弧光放电前，电介质外表的电荷堆集会自动停止放电。短脉冲介质阻挠放电一般作业在丝状放电形式，每个丝状放电通道的电流很小，但其间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到达热平衡状态。DBD等离子体在低成本工业运用中的重要性日益增加，例如在医用资料的消毒，以及空气中可挥发有机化合物的去除等方面的运用。

在一些情况下，某些气体的放电会呈现出比DBD更强的扩散形式。关于这类气体放电，因为束缚等离子体的空间过于狭小，以致等离子体各组分之间难以到达热平衡。在大气压下，这种放电形式被称为微放电，其特征放电标准小于1mm 。

射频等离子体发生器。可以用许多办法发生射频电磁场，射频电磁场能量耦合功率，以及等离子体的均匀性，均激烈依赖于射频鼓励电极、线圈或天线的规划。工业中运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。

在低气压下更易于发生大面积低温非热平衡等离子体。低气压放电系统一般由真空室（典型标准为几个厘米）、配气系统及馈入电能的电极（或天线）构成。在低气压下，放电进程发生在所谓的辉光区，此刻等离子体简直占据整个放电室，这与大气压丝状放电形式下调查的现象构成鲜明的对照。低气压辉光放电中，放电室中大部分区域充溢准中性等离子体，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。这些坐落器壁外表的空间正电荷层，或者称为“鞘层”，其空间标准一般小于1cm。鞘层源于电子和离子迁移率的差别。等离子体中的电势散布倾向于束缚电子，而把正离子推入鞘层。

因为电子首先吸收电源的馈入能量，然后被加热至数万度，而重粒子简直处于室温。正是因为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运用。

在温度高达10,000 K的电子能量散布中，有相当一部分能量用于解离作业气体分子，使之成为活性物种（原子、基团和离子）。因而，非平衡等离子体实际上是将电能转变为作业气体的化学能和内能，并且可以将这种化学能和内能用于资料外表改性。等离子体鞘层在资料外表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炮击到资料外表的离子的动能。炮击材料外表的离子能量是资料外表改性的一个首要工艺参数，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资料的外表活化一直到半导体离子注入等一系列运用中看出。

等离子体处理技术在许多制作业中得到运用，特别是在汽车、航空及生物医用部件的外表处理方面。因为减少了有毒液体的运用，等离子体技术在环保上显示出优越性。同时，因为兼容纳米制作，等离子体技术在大规模工业制作中也具有优势。

等离子体技术对制作业的较大冲击体现在微电子工业上。假如没有等离子体的相关技术，大规模集成电路的制备就不能完成。

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规划的多层半导体、电介质、导体薄膜，并由具有复杂架构的金属布线彼此连通。首先是借助于等离子体工艺来沉积这些薄膜，并进一步运用反响性等离子体对其进行刻蚀，终究构成标准为数十纳米的图形。集成电路中各种薄膜刻蚀的特征标准小于人体头发直径的百分之一。

《射频等离子体物理学》首要聚焦在物理学方面，不仅对射频等离子体的前沿发展进行了总述，同时也包含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爱好，帮助他们树立物理图像和数学分析办法。经过实例分析，将理论运用到实际问题中，并留有超越100道的简答题，让读者可以快速掌握新知识，有决心解决与试验相关的物理问题。首要适用于运用物理及电子工程专业的研讨生及科研人员。