聽說過等離子清洗機(jī)的等離子鞘層嗎？
文章導(dǎo)讀：等離子清洗機(jī)的等離子鞘層是等離子體的一個(gè)重要特征，等離子鞘層的具體表現(xiàn)與放電參數(shù)關(guān)系密切，通過對(duì)鞘層的研究可以了解等離子體的一些重要性質(zhì)。
1 等離子鞘層的定義
等離子清洗機(jī)形成的等離子體與腔壁之間或者放進(jìn)去的固體工件之間，都會(huì)看到在等離子體與固體表面接觸處，有形成一層電位的薄層，這薄層的厚度，數(shù)量級(jí)相當(dāng)于德拜長(zhǎng)度，薄層內(nèi)明顯偏離電中性，這一薄層把等離子體包圍起來稱為等離子體鞘層或等離子體鞘(plasma sheath)，簡(jiǎn)稱“鞘”(sheath)。
等離子清洗機(jī)這種弱電離的等離子體中，維持等離子體放電的能量來自于外加電源對(duì)電子的加熱過程，而離子與本底氣體接近熱平衡，因此電子溫度通常為幾個(gè)電子伏特（eV），故而離子溫度較低。在這種情況下，可以認(rèn)為離子會(huì)被鞘層電位加速而具有單一能量，電子密度的變化則滿足玻爾茲曼分布規(guī)律（隨電位的降低而減?。?。
2 浮置板處的鞘
等離子清洗機(jī)在處理絕緣體工件時(shí)，由于電流不能流過基板，所以絕緣體表面的荷電粒子要么停留在表面，要么在表面復(fù)合后以中性粒子返回等離子體區(qū)。為使表面電流為零，單位時(shí)間內(nèi)達(dá)到表面處的電子數(shù)和離子數(shù)必須相等，但要達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要一個(gè)過程。
假定開始時(shí)等離子體電中性條件成立，由于離子質(zhì)量比電子大得多，電子速度要大些。即使二者的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能相同，離子的運(yùn)動(dòng)速度也比電子要小得多。因此開始時(shí)，達(dá)到絕緣體表面的電子數(shù)目比離子要多得多，除了一部分參加復(fù)合外，電子將過剩，從而使絕緣體表面相對(duì)于等離子體呈現(xiàn)負(fù)電位。
這個(gè)負(fù)電位將排斥電子而吸引正離子，這個(gè)電位也發(fā)生相應(yīng)的變化，直到絕緣體表面的負(fù)電位達(dá)到某個(gè)確定的值，使離子和電子流相等為止，絕緣工件表面的電位趨于穩(wěn)定，這個(gè)放置在等離子體中的絕緣體稱為浮置基板，而其表面形成的穩(wěn)定電勢(shì)稱為浮置電位V:(floating potential)。顯然，浮置電位相對(duì)于等離子體是一個(gè)負(fù)電位，在浮置基板與等離子體之間形成一個(gè)由正離子構(gòu)成的空間電荷區(qū)，也就是離子鞘層。在簡(jiǎn)單情況下的等離子體相對(duì)于絕緣的器壁的電勢(shì)要高約幾倍的Te/e值，如圖1所示
等離子清洗機(jī)形成的等離子體與腔壁之間或者放進(jìn)去的固體工件之間，都會(huì)看到在等離子體與固體表面接觸處，有形成一層電位的薄層，這薄層的厚度，數(shù)量級(jí)相當(dāng)于德拜長(zhǎng)度，薄層內(nèi)明顯偏離電中性，這一薄層把等離子體包圍起來稱為等離子體鞘層或等離子體鞘(plasma sheath)，簡(jiǎn)稱“鞘”(sheath)。
等離子清洗機(jī)這種弱電離的等離子體中，維持等離子體放電的能量來自于外加電源對(duì)電子的加熱過程，而離子與本底氣體接近熱平衡，因此電子溫度通常為幾個(gè)電子伏特（eV），故而離子溫度較低。在這種情況下，可以認(rèn)為離子會(huì)被鞘層電位加速而具有單一能量，電子密度的變化則滿足玻爾茲曼分布規(guī)律（隨電位的降低而減?。?。
2 浮置板處的鞘
等離子清洗機(jī)在處理絕緣體工件時(shí)，由于電流不能流過基板，所以絕緣體表面的荷電粒子要么停留在表面，要么在表面復(fù)合后以中性粒子返回等離子體區(qū)。為使表面電流為零，單位時(shí)間內(nèi)達(dá)到表面處的電子數(shù)和離子數(shù)必須相等，但要達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要一個(gè)過程。
假定開始時(shí)等離子體電中性條件成立，由于離子質(zhì)量比電子大得多，電子速度要大些。即使二者的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能相同，離子的運(yùn)動(dòng)速度也比電子要小得多。因此開始時(shí)，達(dá)到絕緣體表面的電子數(shù)目比離子要多得多，除了一部分參加復(fù)合外，電子將過剩，從而使絕緣體表面相對(duì)于等離子體呈現(xiàn)負(fù)電位。
這個(gè)負(fù)電位將排斥電子而吸引正離子，這個(gè)電位也發(fā)生相應(yīng)的變化，直到絕緣體表面的負(fù)電位達(dá)到某個(gè)確定的值，使離子和電子流相等為止，絕緣工件表面的電位趨于穩(wěn)定，這個(gè)放置在等離子體中的絕緣體稱為浮置基板，而其表面形成的穩(wěn)定電勢(shì)稱為浮置電位V:(floating potential)。顯然，浮置電位相對(duì)于等離子體是一個(gè)負(fù)電位，在浮置基板與等離子體之間形成一個(gè)由正離子構(gòu)成的空間電荷區(qū)，也就是離子鞘層。在簡(jiǎn)單情況下的等離子體相對(duì)于絕緣的器壁的電勢(shì)要高約幾倍的Te/e值，如圖1所示
實(shí)際上不僅是浮置基板，凡是與等離子體交界的任何絕緣體(包括放電管壁)，都會(huì)保持一定的浮置電位，其近旁也都會(huì)形成離子鞘。結(jié)果，浮置電位相對(duì)于等離子體總是負(fù)的；或者說等離子體電位相對(duì)于任何與之接觸的絕緣體總是正的。
3 電極近旁的鞘
等離子清洗機(jī)電極的電位為Vs，改變它使其與等離子體之間有一個(gè)電位差，在電極有電流的情況下，電極相對(duì)于等離子體的電位可正可負(fù)。由于有外電勢(shì)作用于等離子體，等離子體因此必然對(duì)此做出反應(yīng)。結(jié)果，等離子體將不再保持原來的狀態(tài)。
若Vs>Vp（即電極相對(duì)于等離子體電勢(shì)為正值），電極附近的電場(chǎng)將吸引電子而排斥正離子，使電子密度超過離子密度（ne>ni），最終在電極近旁形成電子空間電荷層，稱為電子鞘。此時(shí)流向電極的電子流較大，如圖2所示
3 電極近旁的鞘
等離子清洗機(jī)電極的電位為Vs，改變它使其與等離子體之間有一個(gè)電位差，在電極有電流的情況下，電極相對(duì)于等離子體的電位可正可負(fù)。由于有外電勢(shì)作用于等離子體，等離子體因此必然對(duì)此做出反應(yīng)。結(jié)果，等離子體將不再保持原來的狀態(tài)。
若Vs>Vp（即電極相對(duì)于等離子體電勢(shì)為正值），電極附近的電場(chǎng)將吸引電子而排斥正離子，使電子密度超過離子密度（ne>ni），最終在電極近旁形成電子空間電荷層，稱為電子鞘。此時(shí)流向電極的電子流較大，如圖2所示
反之，若Vs<Vp（即電極相對(duì)等離子體電勢(shì)為負(fù)值），電極附近的電場(chǎng)吸引離子而排斥電子，使離子密度超過電子密度（ni>ne），最終形成正離子空間電荷層，稱為離子鞘。此時(shí)，流向電極的離子流較大，如圖3所示，在放電等離子體中，通常陰極附近的離子鞘更為重要。
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