微波放电等离子体技术与应用ppt课件.ppt

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1、9微波放电等离子体技术与应用9.1微波等离子体原理9.1.1微波在等离子体中的传播特性在电磁场作用下，对质量为m、电荷为q的粒子，漂移运动方程为由于粒子漂移运动，等离子体中产生的电流为根据电偶极矩定义可知（1）电磁波在各向同性等离子体（B0=0）的色散关系式中，分别为电子、离子和等离子体角频率取z轴为相位传播方向，波函数可表示为当时，波函数描述在z轴的正方向上速度为的相传播；当时，波沿z轴方向指数衰减。（2）微波等离子体中的电磁波传播的基本特性电子回旋共振是指当输入的微波频率等于电子回旋频率时，微波能

2、量共振耦合给电子，获得能量的电子电离中性气体，产生放电。电子回旋频率为注意：共振是指只有电矢量旋转方向与电子回旋方向相同时，电场才能有效的不断加速电子，波能量转化为电子的动能。电子回旋共振产生条件：施加磁场，且磁场方向与电磁波的传播方向平行；电子碰撞频率足够低，以保证电子在两次碰撞之间绕磁场回旋多次。9.1.2微波等离子体的电子能量吸收的计算（1）碰撞对等离子体电导率的影响考虑碰撞时，漂移运动方程为电子的有效碰撞频率无外磁场时漂移运动方程为电流密度（2）微波等离子体中的电子能量吸收的计算在稳态放电情况

3、下，等离子体的吸收功率Pabs应该等于其损失功率Plost，那么在稳态下微分体积内的能量输入和输出达到一个平衡，即对于整个放电体积VL，积分上式可得等离子体吸收的总能量在无磁场情况下，电子所吸收的按时间平均的功率密度可以写成9.2微波等离子体化学气相沉积系统9.2.1微波等离子体化学气相沉积系统（1）微波系统简介直流电源2.45GHz磁控管波导环形器匹配负载前向功率定向耦合器反射功率销钉调配器模式转换器石英窗等离子体隔离器（2）微波等离子体化学气相沉积装置化学计量水（醇）溶液计算机控制与数据采集MFC

4、MFC反应气体O2（H2S）载入气Ar超声波雾化器等离子体产区微波发生器电磁场上下电极基片衬底加热托盘石英玻璃反应腔真空泵（3）等离子体反应腔中温度场的确定电子放电管微波能量载入排气等离子体微波等离子体模型示意谐振腔内的微波模式为TM10，根据Maxwell方程，波动方程为对TM10微波产生的电场，等离子体区内的电场方程为微波作用下等离子体区内电子和离子的温度分别为9.2.2溶胶雾化微波等离子体化学气相制备薄膜材料（1）薄膜材料制备实验过程将溶液法和化学气相沉积法制膜结合起来，采用可溶性无机盐为主要原

5、料，先配制成溶液，再将参与反应的原料反应物离子络合成溶胶，先期完成终态材料的化学组成设计。再把溶胶雾化导入反应腔，在微波等离子体底衬上沉积形成产物目标薄膜材料。此种方法具有制膜简便迅速、基片温度低、组分可达分子级混合、适合制备复杂组分材料等优点。雾化过程是化学气相反应由液相转化为气相的中间过渡过程，目前常采用的是超声雾化超声雾化原理是利用超声换能器产生的超声波通过雾化介质传播，在气液界面处形成表面张力波，由于超声空化作用而使液体分子作用力破坏，从液体表面脱出形成雾滴，从而液体被雾化为气溶胶状态载气雾滴

6、超声雾化系统超声雾化装置示意图此处采用溶胶物化微波等离子体增强CVD法制备Pb（ZrxYi1-x）O3(PZT)和LaNiO3薄膜为例LaNiO3在石英玻璃基片上SEMLaNiO3在单晶硅基片上SEMPZT在石英玻璃基片上SEMPZT在单晶硅基片上SEM（2）薄膜形成过程微波等离子体增强CVD法制备薄膜过程中在反应腔发生的过程可描述如下：微波场电子动能m+e弹性碰撞m+e非弹性碰撞分子内能（激发，分解，电离）分子动能反应产物生成物+m+n微波等离子体CVD法反应过程进入反应腔的反应物气源，其反应可能有

7、下述三种情况：（1）反应物分子在到达基片前已先分解，电离成高活性电子、离子及分子，发生气相反应后反应产物再沉积到基片上。（2）分子先从气相转变为固态吸附相，吸附在基片上，后受热激发提高活性，在基片表面上通过扩散、迁移形成产物材料。（3）高活性的反应物分子被基片或反应产物层捕获，同时发生反应，而在基片或膜层上继续形成新的薄膜层。薄膜的形成机制究竟属于上述哪种，取决于多方面因素。主要包括反应物和产物的物系种类、基片的温度及位置、反应物进气的流量、等离子体的功率及反应物层的厚度等。9.3微波等离子体化学气相

8、沉积的应用近年来微波等离子体应用在化学合成、薄膜制备、表面改性、精细化学加工等方面取得了令人瞩目的成就，越来越引起人们的重视。微波等离子体化学气相沉积与其他化学气相沉积相比，具有其自身特殊的优点：较高的电离和分解程度。电子温度和离子温度远高于中性气体温度，运载气体可保持合适的温度。在气相沉积时，由于这一特点，可使基底的温度不至于太高。在高气压下能维持等离子体。没有内部电极，在等离子体容器内没有工作气体以外的任何物质，是洁净的，无污染源，等离子体发生器的使