低温等离子体
低温等离子体物理篇
低温等离子体
三、低温等离子体
第一章国外研究工作的最新进展
低温等离子体物理与技术经历了一个由60年代初的空间等离子体研究向80年代和90年代以材料为导向研究领域的大转变，高速发展的微电子科学、环境科学、能源与材料科学等，为低温等离子体科学发展带来了新的机遇和挑战。
现在,低温等离子体物理与应用已经是一个具有全球影响的重要的科学与工程，对高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响。例如，1995年全球微电子工业的销售额达1400亿美元，而三分之一微电子器件设备采用等离子体技术。
科学家预测：二十一世纪低温等离子体科学与技术将会产生突破。据估计，低温等离子体技术在半导体工业、聚合物薄膜、材料防腐蚀、等离子体电子学、等离子体合成、等离子体冶金、等离子体煤化工、等离子体三废处理等领域的潜在市场每年达一千几百亿美元。
等离子体辅助加工被用来制造特种优良性能的新材料、研制新的化学物质和化学过程，加工、改造和精制材料及其表面，具有极其广泛的工业应用--从薄膜沉积、等离子体聚合、微电路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等离子体喷涂、等离子体冶金、等离子体化工、微波源。等离子体辅助加工已开辟的和潜在的应用领域包括：
●半导体集成电路及其它微电子设备的制造
●工具、模具及工程金属的硬化
●药品的生物相溶性包装材料的制备
●表面上防蚀及其它薄层的沉积
●特殊陶瓷（包括超导材料）
●新的化学物质及材料的制造
●金属的提炼
●聚合物薄膜的印刷和制备
●有害废物的处理
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●焊接
●磁记录材料和光学波导材料
●精细加工
●照明及显示
●电子电路及等离子体二极管开关
●等离子体化工(氢等离子体裂解煤制乙炔、等离子体煤
气化、等离子体裂解重烃、等离子体制炭黑、等离子体
制电石等)
对上述某些部分领域的目前潜在市场估计：
●半导体工业—260亿美元
●等离子体电子学—400亿美元
●工具及模具硬化—20亿美元
●作记录和医用聚合物薄膜领域—有几十亿美元的市场
对一些新的有活力的市场估计：
●金属腐蚀防护—500亿美元
●优质陶瓷——50亿美元
●在废物处理、金属提练、包装材料及制药业中的应用
—有几十亿美元市场。
低温等离子体物理与应用是一个具有全球性影响的重要的科学与工程，对全世界的高科技工业发展及许多传统工业的改造都有着直接的影响，二十一世纪初等离子体辅助加工会产生重要的突破，而这些突破对高科技产业的保护及提高其在市场中的地位将是极为重要的，例如近十年来，低温等离子体的物理研究和技术应用在很多方面有了突破性的进展，最有代表性的是微电子工业等离子体的应用。1995年的微电子工业的全球销售额已达1400亿美元，其中三分之一的微电子器件的设备是采取等离子体技术。以“奔腾”芯片为代表的半导体微处理器的复杂生产过程中，三分之一是与等离子体有关的。
1.1. 低温冷等离子体的进展
1.1.1 深亚微米和纳米的等离子体刻蚀
1997年全球半导体材料设备的市场销售额约为40多亿美元，据
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估计该数字每年以18%的速率增长。其中等离子体刻蚀设备的市场为24亿美元，预计到2000年将会达到53亿美元。由于刻蚀尺度要求已在100纳米或更小，按照美国SIA于1994年公布的半导体行业发展蓝图，1998年商业芯片最小特征尺寸为0.25微米，至2004、2007年最小特征尺寸将分别降至0.13、0.17微米。据中国科学报报导(1998.2.25)，IBM公司已推出了0.25微米线宽的电脑芯片。21世纪0.1微米线宽的芯片，已接近了硅半导体器件的物理极限，对各项微细加工技术提出了严峻挑战。在超大规模集成电路的生产中，掩模光刻和基底等离子体(反应离子)刻蚀是两个主要的工艺流程。作为重要工艺流程之一的等离子体刻蚀，0.1微米线宽加工的综合指标要求为：大面积均匀(200～300mm，不均匀性≤±3%)，高速率单片刻蚀(2～3分钟)，高各向异性(侧壁垂直角≥88°)，高纵横比(10∶1)，高刻蚀选择比(30∶1)，微观不均匀性小［Aspect Ratio Dependent Etching(ARDE)and Notching］，低电磁和能量损伤。
当刻蚀槽孔越来越小时，人们所遇到的问题是：1)等离子体刻蚀速率随槽孔的绝对尺寸减小而下降［size-dependent etching，(SDE)］；2)同一绝对尺寸的图形，刻蚀速率随图形密度增大而下降，即微负载效应［microloading effect.(ML)］，与过去普通的宏观负载效应相对应；3)同一绝对尺寸下的图形，其刻蚀速率随图形深宽比增加而下降［aspect ratio dependent etching (AREC)］；4)在图形和空区的刻蚀，存在局部旁刻(notching)。上述现象被称为刻蚀微观不均匀性，不同于刻蚀装置中等离子体及中性粒子参数空间不均匀性造成的刻蚀速率宏观不均匀性。其中ML的机理较为清晰且易消除，SDE在本质可归为ARDE。因而，ARDE和Notching成为近年来的研究热点。在0.1微米线宽加工中，降低电荷能量损伤以及微观不均匀性是两个至关重要的问题。有人提出了中性束刻蚀(Neutral Beam Etching，NBE)方法，以解决上述两个问题，但面临着提高中性束流强的刻蚀面积的难题。电子速辅助刻蚀(Electron Beam Assisted Etching EBAE)可以降低能量损伤，但在电荷损伤和微观不均匀性方面还存在着缺陷。而且，NBE和EBAE在结构和技术上相对复杂。从机理上讲，导致损伤的主要原因是轰击芯片的离子具有高能部分，导致ARDE的主要原因是离子成分含有易被电场偏转的低能部分。Notching产生的原因是刻蚀绝缘槽
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孔中的电荷分区积累得不到中和。这些除了与等离子体产生的方法有关外，还与等离子体和芯片表面的等离子体鞘层特性的调控有关。根据已有的基础研究，上述问题可以得到较好的解决。即采用新型低气压高密度等离子体源技术，将离子流的能量适当提高，再辅之以其它刻蚀工艺技术(掩膜、气体种类及组合等)条件的配合。因此等离子体刻蚀设备已是微电子工业的唯一选择。
等离子体离子源离子注入技术的发展为半导体器件的加工带来了新的希望，现在利用这种技术已制成了100nm以下P+/n结，其二级管理想因子(diode ideality factor)约为1.05，体漏电流密约2nA/cm2,利用BF等离子体等离子体源离子注入制作了0.15～0.25μm 金属氧化物半导体场效应晶休管。
微电子领域新材料的出现，为下个10年中等离子体刻蚀技术也提出了新的挑战。例如，铝的金属过程中出现的电迁移效应和应力空穴效应，使得铝不能用作下一代器件的更小尺寸的要求。到21世纪初，铜将成为布线的新材料。但是，由于没有现成的系统化的理论方法供其使用，长期以来，人们一直凭借经验进行摸索“寻找合适的反应气体，合适的工艺参数(能量气压、表面温度等)以及合适的反应器，以期找到可以足够快的速率、足够的高的各向异性、均匀性和选择性的刻蚀铜的工艺，为制造下一代超大规律集成电路进行技术准备。至今尚没有铜的产业化刻蚀工艺。
对于GaAs和ZnP之类的化合物半导体的刻蚀工艺已为人们所掌握，但是选择性、均匀性和损坏等问题仍未解决。通过对这些材料的刻蚀可以制备诸如二维量子线和一维量子阱一类的神奇器件。Ⅱ-Ⅵ族化合物如CdS和ZnSe等的刻蚀工艺还未引起人们的兴趣，但这些材料在下个世纪由于光电集成电路的出现而极其重要。化合物半导体刻蚀所要解决的问题之一就是防止其中的原子成分之一被选择性剥落，如在GaAs中只把As原子剥去了。这些问题要求对在载能粒子和反应性粒子轰击下表面化学变化过程有深刻的理解。
1.1.2 等离子体气相沉积合成新的微电子材料薄膜
微观结构上无缺陷，粘附力好的薄膜沉积，对微电子器件的制造是至关重要的。但器件结构对温度很敏感，高温沉积可能会造成麻烦。例如，掺杂原子被注入硅中，制成晶体管的源极和漏极之后，必须严格控制晶片在高温时的时间以避免掺杂物的扩散。当器
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件缩小，掺杂区域变得很薄，则晶片的热量积聚就要求更严格的限制。因此目前所使用的高温沉积方法在进入21世纪时，必将被低温等离子体方法所取代。
由于低压等离子体的非平衡特性，高温薄膜可以在低温下沉积出来，甚至可以沉积出即使在高温平衡条件下也不能得到的具有特定化学学成分和结晶形貌的薄膜,如表1。
在复杂的芯片上，通常与联结“布线”的电阻和电容的乘积相关的延时限制了电路的性能，电容可以通过使用介电常数低于二氧化硅的绝缘材料来减少。用等离子体方法沉积出来的重氟高聚物有机绝缘材料是作为层间介质的最好替代材料。由于现有知识基础还不完备，对于每一种新沉积工艺还是需要用实验为根据来发展。
表1 等离子体方法生长和沉积的新光电材料
材料应用方法a
氟高聚物夹层电介质PECVD
金刚石散热片、晶体管PECVD，TPCVD
碳化硅散热片、晶体管PECVD，TPCVD
高温超导体联结线，高速喷涂，溅射，TPCVD
化合物半导体光电子，高速PECVD
纳米晶数据存贮，光电子TPCVD，溅射，PECVD
钢b联结线PECVD
表注：a) PEVCD等离子体增强化学气相沉积(低气压)TPCVD热等离子体化学气相沉积(高气压)；b) 铜目前还没有应用于微电子器件中。
金刚石和碳化硅的热导率高，能隙大，作成微电子器件在高速、高温、抗辐射电子学方面的应用是很有希望的。可设想电子器件可以几百摄氏度下工作而无需冷却。低成本微电子等级的金刚石和碳化硅器件将使电子学系统设计发生一场革命。PECVD和TPCVD这两种方法都已用于沉积金刚石和碳化硅膜。PECVD对沉积用于微电子器件的均匀薄膜更具吸引力，而TPCVD则更适宜于高速率沉积用作散热片的厚膜。
化合物半导体的PECVD也是一个大有希望而且极其活跃的研究领域。这类技术可用于量子阱、超晶格以及许多下个世纪的电子器件制备上。等离子体方法虽然有快速，大面积的沉积能力，但沉积出的膜在性能上与化学气相沉积或分子束外延相比，至今得到的薄
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膜质量要差一些。这种工艺的低温沉积得到的膜的表面形貌及污染状况不很理想。通过调整诸如离子流量和轰击能量等的等离子体参数，以及可能用脉冲等离子体技术克服这些问题。谁在这些问题上取得了突破，谁就可以在制造技术和专业方面占有领先地位。
微观器件上沉积无缺陷，附着力大的薄膜是微电子器件生产的关键工艺，就象刻蚀工艺一样，沉积工艺也是靠经验实现了工业化。在设计PECVD过程中要在使污染和损坏最小的前提下使膜的性能更好，眼下最缺乏的就是关于工艺参数和反应器设计结构与膜性质的关系知识。例如，芯片上的钝化膜就是用PECVD方法产生的Si3N4膜，常用的原料气为SiH4和NH3，虽然可以通过调整等离子体运行参数来达到，但是这种调整过程必须经过反复多次的失败尝试才能调整到较好状态，因为粒子轰击对钉扎率或是沉积材料在表面上的扩散过程有何影响一无所知。
1.1.3 等离子体清洗
微电子器件在制造过程中，晶片要反复清洗，部分原因是工艺的各道工序之间晶片暴露于空气和空气灰尘粒子之中，所以必须清洗，另外也是工艺本身会产生污染，可能会使器件成品率下降或降低器件的长期工作可靠性，因此也必须进行清洗。
虽然液体清洗工艺费用合理也很有效，但液体的滤清比气体困难，对于下一代电子器件来说是不太适用的，随着器件尺寸的缩小，液体工艺越来越难于有效地清洗亚微米结构的东西；也许更糟，一旦这些亚微米结构被弄湿了，就很难除去残存的潮气。这些残存潮气是制成品腐蚀的潜在根源，表现出严重的可靠性问题。
用干法清洗，可除去引起腐蚀的污染和防止水汽接触晶片表现，因此能减少或消除各工序之间和加工完成后晶片表面的腐蚀。毫无疑问，21世纪的加工将几乎不会暴露于空气中，晶片在真空或被控制的气氛中从一个处理室传送到另一个处理室。发展气体清洗工艺对实现这种集串(流水)工艺是至关重要的。因此，工业界正在努力尽量减少清洗工序并用气体清洗工艺来取代湿法工艺。
等离子体的非平衡特性可用来从器件晶片表面除去通常不挥发的残存物质。现在，等离子体工艺已用于清除沉积前的本体氧化物和刻蚀后的光刻胶。对于后者，等离子体剥胶工艺之后总是用湿法化学清洗以除去难熔金属和象钠、钾这样一些游离离子。密集离子
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注入光刻胶的等离子体有效剥离是特别困难的。虽然在实验室中已实现了等离子体方法消除污染，但对发展工业用的工艺所需的定量的基础知识仍是缺乏。为避免晶片受等离子体的过度辐照，确定清洗于何时完成的诊断是十分必要的。
1.1.4 低压等离子体反应器技术
1.1.4.1 新的机遇和挑战
等离子体反应器和等离子体工艺是十分紧密地联系在一起的。
进入21世纪，缩小器件尺寸、增加集成度将对等离子体处理及其优化过程提出越来越高的要求。到2000年，0.2μm结构希望得以投产，并开发对线宽损失具有更严格限制的0.1μnm结构。并能在直径为200～300mm的基片上进行刻蚀和沉积处理，而且应具有优于1%的均匀性，这一均匀度等于0.5μm厚的薄膜起伏约20个原子层。这表明刻蚀工艺要比今天的能力改进5 倍。
在实验室里，目前等离子体虽然已经用于200个原子宽的部件刻蚀，可是还没有达到控制这一刻蚀可重复生产的能力，更谈不上使上亿个部件在200mm直径的基片上，以小于100个原子的线宽损失被同时刻蚀。等离子体刻蚀中的中心任务是控制等离子体处理变量以使在大面积上获得高不对称性、高速率和高均匀性，而不至于牺牲选择性或产生不当的损伤。只有达到这样的控制才能实现高效、高产、低成本的工业生产。
1.1.4.2 发展趋势和特点
最近10年来，等离子体加工设备已发生了许多变化，这种变化趋势在未来10年还会继续，将来某一时期与基片脱耦的高密度等离子体将用于基片的处理，严密的工艺控制方法以及集团式处理工艺将开发成功，膜层间界面的晶格完整性将得到保护。
从90年代早期开始，等离子体加工从批量处理工艺逐步向大尺寸150mm的单基片处理工艺发展。到21世纪初，单片处理工艺将非常普遍(300mm为基片)。增加基片的尺寸是提高产量的必由途径。当单片工艺取代批量工艺后，要提高产量还必须提高沉积率和刻蚀率，这正是发展高密度等体源的主要动力之一。
为了全面开发利用单片工艺优点，人们必须掌握反应器设计的定标定律。否则，每改变一次基片大小，就必须进行仪器设备和工艺的重新开发设计，这是一种耗时昂贵的经验过程。但是目前人们
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还未有指导这种设计的等离子体物理基础。
单片工艺更易于实现基片操纵的自动化和工艺过程的控制。为了开发单片工艺的加工处理能力，人们需要有办法实时地显示和控制工艺过程的进度和状态。但目前，等离子体加工艺的实时控制方法几乎没有，只有极小的处理过程可以实现灵活控制。在许多等离子体加工过程中，设备的工作状态会从期望的最佳条件漂移出去，因此需要不停地反馈回调。一般地，在对工作状态进行准确测量之前就漂移到了边缘工作区，呈现次佳的状态进行，使得产量和成品率下降。
灵活的反馈控制对于提高工艺的可靠性和减少工艺的不重复性是十分必要的。
1.1.4.3 计算机辅助设计
等离子体反应器的几何尺寸和电磁场位形设计直接影响着器件晶片表面的化学性质，若能建立一套计算机辅助设计(CAD)技术，就不需要费时耗钱的试探方法来发展设备，但对此我们还缺乏足够的基础知识。倘若现在能够建立一个依据必要的诊断数据和先进数值方法的完整程序，到21世纪初我们就有可能有这些CAD技术。这些CAD技术有助于在微电子器件制造中的刻蚀、沉积、清洗和合成新型薄膜时利用非平衡等离子体特性。
1.1.4.4 新的等离子体源
随着集成电路特征尺寸不断减少，就会很快接近常规射频平行平板系统的极限。由于器件线宽越来越小，且膜层越来越薄，器件对高能离子的轰击，紫外辐射和颗粒污染引起的操作就更加敏感和只能容许更少的损伤。除了三极反应器外，常规的等离子体反应器不能把等离子体的产生与带电粒子的输运分离开来，并且不易独立地调节离子能量和在不影响速率、选择性、均匀性和各向异性的情况下使损伤降到最小。因此人们对高密度、低气压，有磁场的等离子体源有着相当大的兴趣。在这种等离子体源中，等离子体的产生是完全或部分地与加工区域分开来。独立的控制离子能量和等离子体密度使得有一个较宽的工艺优化范围，能够减少颗粒污染，并使离子、电子和光子引起的损伤降至最小。在应用于单一晶片加工时，需要有磁约束和共振模式来激发产生高密度的等离子体和反应粒子，磁场也会改变离子轰击能量，可用作优化工艺的另一个控制
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参数。但是，磁场的应用将使建立模型、设计和等离子体工艺的控制遇到更多的问题。
●低气压高密度等离子体的产生与特点
在国际上以螺旋波激励等离子体为代表的高密度等离子体源已经成为引人注目的令人激动的研究领域了，它们的主要优点是：
a)高密度、高效率、均匀、平稳；
b)低的中性粒子能量；与ECR相比磁场很低；
c)无内电极；电子和离子能量可控；
d)可遥控、好操作；基片直流自偏压。
●大气压非平衡态等离子体的产生与特点
近几年来随着非平衡态化学的发展，产生一种崭新的大气压下非平衡态等离子体源技术，其中以大气压辉光放电和介质阻挡放电等离子体为代表，它能非常有效地形成大量自由基分子、准分子，在环境除污、纳米级薄膜的形成、离分子材料表面改性、大面积紫外辐射源、大屏幕彩电显示器等领域有广阔的应用前景，常用的低气压非平衡等离子体技术需要庞大而复杂的真空系统和相应设备，使材料的加工处理只能分批量进行，而采用大气压非平衡态等离子体技术，可达到节约技术，节约设备费用，提高生产速度和进行连续生产的效果。目前产生大气压非平衡态等离子体的机理尚不清楚，在高气压下等离子体的输性特性研究也刚刚起步，但是正在形成新的研究热点。
●用于飞行器减阻和隐身的等离子体产生和特点
电磁波（包括微波和激光）与等离子体之间的相互作用，特别是电磁波穿过等离子体及其边界激波层的反射、折射与吸收问题是飞行器控制、探测及隐身的重要课题[1]。由于对等离子体隐身技术的普遍重视，在最近十年里这方面的研究工作有很大发展。俄罗斯克尔德什研究中心最近宣布其已研制出第三代等离子体隐身系统。而美国在这方面的研究也不甘人后。从90年代以来，不断有相关的研究报告和论文发表[2-6]。我国在这个领域里的研究也从去年开始起步。
飞行器表面等离子体的产生可以分为两种方式：通过端部等离子体发生器产生等离子体[7，8]、通过端部强激光束电离外界气体产生等离子体、超音速飞行器高速运动时的表面高温产生等离子
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体。后一种方式几乎不可能实现参数控制，所以一般表现为不利因素。而前两种方式产生的等离子体参数可以人为调节、控制。所产生的等离子体通过飞行器高速运动而迅速覆盖飞行器表面。一方面可以破坏表面湍流而形成层流结构（即所谓等离子体减阻[7，8]），另一方面在飞行器表面所形成的等离子体分布也提供了飞行器等离子体隐身的条件[2-6]。所以等离子体减阻与等离子体隐身是相互联系、相互影响的。而且由于表面等离子体层的存在、特别是超音速飞行条件下等离子体外缘形成的激波面对飞行器的通讯联络、飞行控制、隐身技术都会有很大的影响。
1.2 低温热等离子体的进展
低温热等离子体具有很多特点，如高温（3000～20000K），气氛可控制为氧化气氛、还原气氛、中性气氛，功率可高达10MW以上，甚至高达60MW，电弧的行为可以用磁场控制。因此，低温热等离子体在工业和技术领域具有广阔的应用远景。近几年来，等离子体科学技术得到迅速的发展。
1.2.1 应用领域的最新进展
传统的等离子体应用领域主要为：
●等离子体技术在机械加工领域中的应用（如切割、焊接、喷涂、致密化等）；
●等离子体技术在冶金工业中的应用（重熔、制备铁合金、提高高炉风温、连铸中间包加热等）；
●等离子体合成（制备氮化物、氧化物、碳化物及纯金属超细粉）；
●其他领域（如电弧加热风洞、磁流体发电、电弧开关等）。
近年来，在传统的应用领域，等离子体技术趋向成熟，并有所发展，与此同时又扩展了许多新的应用领域。
应用领域的新进展为：
●等离子体处理三废发展迅速
近年来，美国、法国、瑞典、加拿大、日本等发达国家纷纷进行废液、废气、废渣、有毒废物及医院废弃物的等离子体处理研究。目前已经建成了日处理金属氧化物废物50吨的试验工厂。造纸
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厂废水的等离子体处理实验室研究已经基本完成。1995年在美国亚特兰大召开了第一届国际等离子体废物处理会议。
●H 2等离子体制备金刚石薄膜取得了较大的技术突破。
在优化了工艺参数后，已经制备出直径8英寸、厚度2mm 的金刚石片。
●等离子体冶金工艺，已经在一部分工厂投入应用
国外已经有多家钢厂在连铸中间包上安装了等离子体加热系统，而美国、英国的一些公司已经生产等离子体加热系统出售。 ●等离子体化工领域的研究非常活跃
在等离子体条件下用煤制乙炔、电石、煤气、裂解重烃、制炭黑的研究已经展开，并已取得部分成果。
1.2.2 研究领域的新进展
1.2.2.1 等离子体发生器
等离子体技术的进展，主要取决于等离子体发生器的水平，工业化装置要求等离子体发生器具有大功率、长寿命、高效率、能在各种气氛下工作的特点。Ar 、N 2为保护性气体，因而Ar 、N 2等离
子体发生器的技术难度较小，已经基本解决。而在含氧气氛（空气、氧气、工业普氮-含有少量的空气）中工作的空心电极发生器技术难度较大。近年来适用于含氧气氛的空心电极等离子体发生器的研究，在应用基础理论、实验研究数值模拟、诊断等领域都有所发展。
●数值模拟了等离子体发生器弧室中温度场、速度场、电弧弧根的位置、弧旋转速度与各种流动参数，几何参数的关系。为发生器的设计提供了参考。
●用光导纤维测量了空心电极等离子体发生器弧室内电弧弧根的位置。用光电系统和计算机图象分析技术，测量了空心电极等离子体发生器弧室中电弧旋转速度，为理论研究与数值模拟提供了检验标准。
●实验研究了空心电极等离子体发生器，并优化了发生器的流动参数、几何参数、运行参数。在应用基础研究的支持下，适用于含氧气氛的空心电极等离子体发生器，在技术上有较大的进展。现在在国际市场上已经有大功率空气等离子体发生器出售。
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1.2.2.2 等离子体发生器数值模拟
等离子体工艺在反应器中进行，为了使反应器装置能正常运行，并且具有较高的能量利用率，必须对反应器的基本过程进行研究。近年来，反应器的数值模拟有所发展，数值模拟了反应器装置中的温度场、速度场、等离子体与气态反应剂的湍流掺混、反应器中固体颗粒的传热与运动阻力，为反应器的设计提供了设计依据。
1.3 低温等离子体展望
1.3.1 低温冷等离子体展望
电子工业是民国经济的一个极其重要的组成部分，也是其国防一个主要部分。等离子体加工是这个工业的关键，在集成电路生产中，等离子体刻蚀是细微图案高保真转移的唯一经济可行的办法。同时，等离子体广泛应用于在足够低的温度下沉积绝缘膜和导电膜，以避免损害器件的性能。等离子体亦用来清洗和改善器件表面。
由于微电子器件尺寸在未来十年内将不断缩小，因此将会更频繁地应用等离子体加工。同时对等离子体加工也提出了更高的要求。未来新一代集成电路的生产将要求刻蚀在各向异性、选择性和均匀性方面有显著的改时，改善平坦化和沉积时的保形性，用新的材料以满足器件性能和可靠性要求，降低加工的损伤和污染等，为了迎接这些挑战，需要有新的工艺和新的反应器。
目前等离子体工艺是用直觉判断，经验和统计优化三者结合起来发展的。对于等离子体工艺，由于基础知识方面还有空白，尚不存在数值模拟代码或专家系统等设计方法。现在对等离子体加工提出了前所未有的要求，不大可能用传统的发展工艺的方法来不断满足我们的需求。必须把工艺变量和晶片属性联系起来，变更现有工艺和设计新的工艺。
等离子体反应器设计与等离子体加工直接相关，但我们又缺少计算机辅助设计方法来设计新的等离子体反应器。我们也没有能力把从一种等离子体反应器的工艺变换成另一种等离子体反应器的工艺，或把一个小的等离子体反应器的工艺扩大成一个大的等离子体反应器的工艺。在我们理解几何形状和电磁设计是如何影响材料性能之前，对于某一给定的工艺来说，如何来选择反应器，这还是不
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清楚的，缺乏物理基础知识来建立计算机辅助设计方法，能够提供必要指导的仅仅是根据费用昂贵的经验的和反复的探索性试验。
当特定设计、特定制作的芯片(特定用途集成电路，ASIC)拥有更大的市场份额时，未来的微电子市场将不依懒存贮器芯片占主要地位。但低价格的特定制作意味着ASIC生产厂商不可能承担对每份新订单的新工艺和新加工设备所需的大规模投资。未来ASIC市场将属于柔性生产厂商，它使用一套通用的工艺设备来生产许多种不同电路设计的集成电路。这种柔性加工只能产生于对工艺和反应器的真实理解。
1.3.2 低温热等离子体展望
根据热等离子体科学发展的历史及其自身发展规律，根据社会需要、技术可达性与投资的可能性，可以对未来热等离子体科学与技术的发展进行预测和展望。
●等离子体化工将会有快速发展,其中氢等离子体条件下煤制乙炔将会有所突破。等离子体煤气化会有较大发展。
●为了社会的可持续发展，环境保护是人类面临的最大问题。而等离子体发生器技术的突破又为“废弃物的等离子体处理”创造了条件，因而废弃物的等离子体处理将会得到较大的发展，并且在某些领域将会投入工业应用，形成产业。如有害废弃物处理、金属氧化物废弃物处理、废液处理等。
●氢等离子体制备金刚石薄膜将会快速发展，在相应的基础研究及工艺参数优化后，将会投入小规模生产。
●等离子体发生器中的基本过程应用基础研究将更加深入，与此同时，等离子体反应器的基础研究将会获得进展。
●由于等离子体发生器及等离子体反应器已经达到较高水平，因而等离子体冶金将在某些领域实现产业化。等离子体合成将会发展，某些品种超细粉末将会投入生产，并形成一定规模。
●其他的等离子体工业应用将会继续前进，也可能出现一些令人感兴趣的新领域。
参考文献：
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[7]戈尔杰耶夫等，“利用等离子体技术降低超声速飞行器气动阻力的可能性实验研究”。（内部报告）
[8]加尼涅夫等，“利用等离子体喷流减小气动阻力可能性的理论与试验研究”。（内部报告）
第二章我国低温等离子体研究的发展状况
2.1.我国低温冷等离子体发展状况
至今我们国家没有低温等离子体物理与技术的发展规划，更没有在大学或研究单位布点进行重点支持，使这一领域与国际上相比显得十分冷清。研究工作规模小，只有有限几个研究组规模的单位在认真地从事低温等离子体方面物理的工作，大学中只有大连理工大学和中国科大在近代物理系设有等离子体专门化，每年培养几十名等离子体方面的本科性，而几乎所有的理工科大学生都不知道这个占宇宙物质存在形式达百分之九十九的等离子体为何物。一些从
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事真空技术、材料科学和环保、能源方面的科技人员，在自己工作中往往只把等离子体当做一种手段，而不注重研究它们的性质去提高工作质量，因此造成低水平的重复，这样就使我国低温等离子物理与技术水平与国际上的差距逐渐加大。例如：自本世纪50年代中期开始几乎与日本同时，我国即对半导体工业、继而对微电子行业进行开发和投资，但初期由于力度不够，又没有注意先进技术的引进，进展不快。“六五”期间国家开始给予较大重视，迄今已投入很多资金进行技术引进，然而收效并不显著，与先进国家差距仍在加大。究其原因主要是因为我国虽然注意了技术的引进，投资也很大，但对基础研究重视不够。从事微电子研究的人员只把主要精力放在微电子工业本身如材料和加工工艺，而对作为微电子加工主要手段的低温等离子体技术则不太重视，对等离子体加工的机理则更少研究。另一方面从事微电子低温等离子体研究的人员又得不到足够的重视和支持，无从进行较为全面深入的等离子体加工机理的研究，难以发挥作用。长期以来这种状况使得我国等离子体微加工技术缺少自我发展的能力，实验室水平一直处于较为落后的地位。但尽管这样，我国的低温等离子体物理与技术的研究工作还是在近几年内取得不少成绩，在某些方面达到或接近世界先进水平。例如，在低温等离子体物理基础研究方面利用稳态和ECR等出子体放电装置在国际上首次观察到了等离子体中的三周期振荡、准周期振荡、临界引起的阵发振荡，并首次计算出它的关联维数。在phys.Rev.lett上发表多篇研究论文，在研究等离子体与表面相互作用和鞘层理论方面，有三十多篇论文被SCI收录，并受到国际上权威专家的高度评价。在等离子体制备新材料方面，我国利用等离子体化学气相沉积制备的β-C3N4膜、DBN膜、GN等膜的某些晶相纯、晶质特性以及ECR微波等离子体源离子渗氮的效果等方面都已处于世界先进水平。中科院合肥等离子体所1994年研制了微波ECR-RIE型刻蚀样机，通过了电子工业部主持的监定，获中科院科技进步二等奖。
利用PECVD已合成厚度大于0.5毫米的金刚石厚膜，经加工后制成了大小1031030.36mm3和热导率为10W/kcm的金刚石电子基板，已达到了实用要求。在国际上首次研制成功高能量密度的等离子体化学沉积系统和ECR等离子体源离子增强的物理化学沉积系统。
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2.2.我国低温热等离子体发展状况
●发展过程
60年代起步，建立了为航天服务的电弧加热风洞。
70年代除了个别单位进行少量研究外，基本上处于停滞阶段。
80年代国内有20多家研究单位及大学组织人力、物力投入等离子体科学与技术的研究，当时的研究重点是制备新材料。与
此同时等离子体喷涂与空气等离子体切割工艺得到了推
广，现在国内已经有多家工厂生产专用的等离子体喷涂设
备和等离子体切割设备。
90年代开辟了新的研究领域，其中有：等离子体冶金、造纸厂废水等离子体处理、烟气脱硫研究、氢等离子体制备金刚石
薄膜、等离子体制乙炔等。与此同时进行了相应的等离子
体发生器及等离子体反应器中基本过程应用基础研究，取
得了较好的结果。
●现状
2国内已有20多所研究院所及高校进行了研究，已经有一支研究队伍。
2凡是国外进行的主要研究领域，国内都有人在进行研究。
2在造纸厂废水处理、氢等离子体制备金刚石薄膜、大功率等离子体发生器（实心电极型和空心电极型）等领域取得了较好成果。2发生器及反应器基本过程研究及数值模拟取得了一定的进展。
2从事等离子体研究的院所及高等学校都建立了等离子体装置，主要是直流系统。
2由于投资不足，因而基础研究较少，诊断技术研究几乎空白。
2研究人员老化，年轻的研究生大部分出国，后继乏人。
第三章关于我国低温等离子体研究发展的对策
3.1.低温冷等离子体领域
●在低温等离子体方面，应重点开展微电子工业的等离子体物理研究，为深亚微米和纳米的等离子体刻蚀以及新的微电子、光电子薄膜制备工艺奠定可靠的科学基础，以微电子工业的低温等离子体物理与工艺研究为龙头，有针对性的系统的开展低温等离子体物理基础和应用基础研究工作，并在总结国外研究工作和自己研
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究成果的基础上，争取在3～5年的时间形成较完整系统的理论与工艺体系。为此，我们认为在技术引进的同时，必须努力培养出一批自己的微电子低温等离子体研究专家，象技术先进的国家一样能在自己的实验室里不断拿出世界一流的研究成果，能自行设计、改进等等离子体装置、改进等离子体加工工艺和方法。只有这样我国才能逐步化被动为主动，做到自我装备，不断自我更新和自我发展，象日本六七十年代一样以较快速度赶上世界一流水平。
为扭转我国微电子工业长期落后状态，我们建议国家应当在等离子体微加工机理的研究方面进行较大的投入，在全国建立1-2个具有世界水平的低温等离子体研究中心，并制定国家级的等离子体微电子加工的计划，采取有效措施，鼓励和支持等离子体、微电子和材料等方面的专家进行合作来完成这项国家计划。
第四章某些关键科学问题
4.1 先进等离子体源的研制
●建立高密度等离子体源(ECR.ICP)特征参数控制和理论模型。
高密度等离子体源仍有许多需要解决的问题，我们拟解决的主要是大面积加工的非均匀性和不稳定性问题。等离子体均匀性是和功率沉积的均匀性密切相关的，因此必须在考虑等离子体输运情况下波与等离子体耦合的自洽理论，确定出电子、离子密度分布与波的功率沉积之间的关系，与等离子体源几何形状、电磁场位形之间接关系，寻求电子、离子密度和温度分布函数的控制方法，实现对等离子体精加工工艺的优化和控制；研究ECR等离子体、ICP等离子体中的湍流、多稳态以及在其附近产生的自振荡和不稳定性。给出稳定性判据，实现对发生这类不稳定性的预测和反馈控制。
●建立界面区域等离子体刻蚀和沉积的物理化学动力学模型。
实际上，构成界面区物理和化学反应及直接影响精加工质量的是等离子体鞘层的特性和参数，如电子密度、离子密度、电子温度、离子温度，特别是离子轰击表面的定向能量和通量，中间产物种类及密度分布，紫外光强度以及鞘层内电磁场特性等，以这些参数为依据所建立的定标关系才是正确的，为此我们必须研究在界面区域(或鞘层区)粒子和能量的非平衡输运理论，重点考察离子在鞘
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层里的能量分布、动量分布以及尘埃粒子对鞘层结构与输运过程的影响，并寻求对离子能量、动量分布的控制方法，研究离子能量分布、动量角分布和中性成份的时空分布对刻蚀速率、形状和薄膜微组织结构以及物性的关系，利用计算机计算技术跟踪原子的沉积过程及原子的聚集成膜过程，研究薄膜的生长速率、晶体结构、薄膜原子在界面与基体原子的混合程度等同等离子体鞘层参数及其非平衡输运特性之间关系，基于以上于理论、实验和计算机模拟的结果，给出等离子体精加工制备高品位微电子薄膜的定标关系以及指导和改进等离子体反应器的设计。
4.2 进行精加工理论的实验验证和高质量精加工的示范研究
精密的实验设计和准确的实数据是建立物理、数值模型和定标关系的基础，因此必须改进和完善专用的研究装置和测量系统，以低气压高密度等离子体源(ECR.ICP)做为用于薄膜沉积和刻蚀。研制测量系统和实验方法，重点用于监测等离子体与工件表面作用区内的等离子体参数，包括：在加工表面的鞘层里粒子分布，时空分布，能量及电位分布，稳定的稳态放电参数，电子和离子密度剖面、温度剖面、电磁场的空间位形，中性粒子成分与分布。在精加工的示范研究方面，将实现深亚微米、大面积均匀、高刻蚀率、选择性好、低损伤的刻蚀加工；发展先进的制膜工艺、将计算机薄膜设计与实验制备有机结合起来，能有效控制薄膜生长、改善薄膜品质，实验超薄、致密、大面积均匀和高附着力的薄膜工艺。
4.3 建立等离子体微电子精加工的数据库
收集整理等离子体精加工典型的原子、分子激发、去激发数据、电离与复合数据，各种基团attachment，detachment数据，带电粒子、紫外线和X射线辐照材料的损伤数据等。
4.4 拟解决的关键等离子体科学问题
对具有高度非线性介电响应的稠密等离子体，在考虑等离子体输运的前提下建立波与等离子体自洽的耦合理论。为先进等离子体的设计提供理论基础。
●在电场时空高度非均匀变化的鞘层区域研究粒子和能量的非平衡输运过程。研究ECR等离子体的模式跃变和ICP等等离子体破裂稳定性机理，给出稳定性判据和预测、反馈控制不稳定性，实现最
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佳等离子体位形的建立和监控。
●解决在等离子体与表面相互作用区里准确测试粒子成分、密度、能量的时空分布以及电磁场位形的测试手段与方法。以等离子体鞘层的特性和参数为依据，建立精加工的定标关系。
●以等离子体微电子精加工的理论指导微电子和光电薄膜材料的计算机设计。在原子、分子水平上研究等离子体纳米微电子加工机理。为等离子体纳米刻蚀和纳米薄膜合成工艺提供科学依据。
●大气辉光放电等离子体的产生与控制
从应用角度看，大气压下放电等离子体的稳定性是极为重要的，尤其是对大气压下辉光放电等离子体而言，因为它与前两种相比是难以产生和控制的。人们直到九十年代才利用特殊的电极结构获得了稳定的大气压下稳态辉光放电等离子体[1]，九十年代末，我们发现了在适当的条件下可将丝状的介质阻挡放电等离子体转交成大气下稳定的脉冲辉光放电等离子体[2-3]。目前对大气下辉光放电等离子体产生的基本物理化学过程及其主要特征的研究还处在起始阶段，特别是在空气（氧、氮和水气的混合介质）中的辉光放电研究更少，许多重要问题有待解决。这种状况严重地阻碍了对大气下辉光放电等离子体在环境和材料科学工程中的应用研究。因为没有一个合适的大气压下辉光放电等离子体的物理和数学模型，就不能描述实验。不能斟对一个具体的应用问题来优化放电参数，指导工艺设计。因此研制一种能有效产生大量化学活性粒种（电子、离子、激发态原子、官能团）的新型大气辉光等离子体发生器，并从理论和实验上得出等离子体产生及其主要特性的正确描述是一项非常有意义的工作[4]。
●电磁波穿过等离子体及其边界强激波层的反射、折射与吸收问题
从目前国内外所发表的研究结果和正在进行的研究计划来看，基本上侧重于电磁波在均匀或连续变化的等离子体中传播过程的反射、折射与吸收。这种近似模型对于低速飞行器还可以适用。但对于超音速飞行器，特别是飞行速度达到5马赫甚至更高的飞行器，等离子体外缘形成的强激波面上的表面反射和内反射可能成为对微波的反射与吸收、对制导激光的反射与折射的主导因素。这是我们
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研究超音速飞行器控制、隐身与制导所面临的挑战性课题，也是我们研究项目所要解决的关键问题。对于这个问题，国内外都没有现成的资料可供参考。
参考文献
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低温等离子体技术在表面改性中的应用
低温等离子体技术在表面改性中的应用低温等离子体中粒子的能量一般约为几个至几十电子伏特，大于聚合物材料的结合键能(几个至十几电子伏特)，完全可以破裂有机大分子的化学键而形成新键；但远低于高能放射性射线，只涉及材料表面，不影响基体的性能。处于非热力学平衡状态下的低温等离子体中，电子具有较高的能量，可以断裂材料表面分子的化学键，提高粒子的化学反应活性(大于热等离子体)，而中性粒子的温度接近室温，这些优点为热敏性高分子聚合物表面改性提供了适宜的条件。 1 形成装置及影响因素 选择适宜的放电方式可获得不同性质和应用特点的等离子体，通常，热等离子体是气体在大气压下电晕放电产生，冷等离子体由低压气体辉光放电形成。 热等离子体装置是利用带电体尖端(如刀状或针状尖端和狭缝式电极)造成不均匀电场，称电晕放电，使用电压和频率、电极间距、处理温度和时间对电晕处理效果都有影响。电压升高、电源频率增大，则处理强度大，处理效果好。但电源频率过高或电极间隙太宽，会引起电极间过多的离子碰撞，造成不必要的能量损耗；而电极间距太小，会有感应损失，也有能量损耗。处理温度较高时，表面特性的变化较快。处理时间延长，极性基团会增多；但时间过长，表面则可能产生分解物，形成新的弱界面层。 冷等离子体装置是在密封容器中设置两个电极形成电场，用真空泵实现一定的真空度，随着气体愈来愈稀薄，分子间距及分子或离子
的自由运动距离也愈来愈长，受电场作用，它们发生碰撞而形成等离子体，这时会发出辉光，故称为辉光放电处理。辉光放电时的气压大小对材料处理效果有很大影响，另外与放电功率，气体成分及流动速度、材料类型等因素有关。 不同的放电方式、工作物质状态及上述影响等离子体产生的因素，相互组合可形成各种低温等离子体处理设备。 2 在表面改性中的应用 低温等离子体技术具有工艺简单、操作方便、加工速度快、处理效果好、环境污染小、节能等优点，在表面改性中广泛的应用。 2.1 表面处理 通过低温等离子体表面处理，材料表面发生多种的物理、化学变化，或产生刻蚀而粗糙，或形成致密的交联层，或引入含氧极性基团，使亲水性、粘结性、可染色性、生物相容性及电性能分别得到改善。 用几种常用的等离子体对硅橡胶进行表面处理，结果表明N2、Ar、O2、CH4-O2及Ar-CH4-O2等离子体均能改善硅橡胶的亲水性，其中CH4-O2和Ar-CH4-O2的效果更佳，且不随时间发生退化［6］。英国派克制笔公司将等离子体技术用于控制墨水流量塑料元件的改性工艺中，提高了塑料的润湿率。 文献表明，用低温等离子体在适宜的工艺条件下处理PE、PP、PVF2、LDPE等材料，材料的表面形态发生的显著变化，引入了多种含氧基团，使表面由非极性、难粘性转为有一定极性、易粘性和亲水性，有利于粘结、涂覆和印刷。
等离子体的应用
等离子体技术与应用 学号 队别 专业 姓名
摘要 等离子体作为物质存在的一种基本形态，自18世纪中期被发现以来，对它的认识和利用不断深化。我们知道，普通化学反应和化工设备中所产生的温度只有二千多度。而在各种形式的气体放电所形成的低温等离子体中电子温度可达一万度以上，足以造成各种化学键的断裂，或使气体分子激发电离，产生许多在通常条件下不能发生的化学反应，获得通常条件下不能得到的化合物或化工产品，并且获得的化合物与化工产品不会产生热分解。目前，等离子体技术已被广泛的用于国防、工业、农业、环境、通信等一系列国民经济发展领域，极大地推动了信息产业的发展，促进了工业科技进步。 关键词等离子体微波放电隐身技术材料的表面改性微波等离子灯 引言 等离子体是由带电的正粒子、负粒子（其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等故称等离子体。他们在宏观上呈电中性的电离态气体（也有你液态、固态）。当温度足够高时，构成分子的原子也获得足够大的的动能，开始彼此分离，这一过程称为离解。在此基础上进一步提高温度，就会出现一种全新的现象，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚而成为自由电子，失去电子的原子变成带正电的离子，这个过程叫电离。等离子体指的就是这种电离气体，它通常由光子、电子、基态原子（或分子）、激发态原子（或分子）以及正离子和负离子六种基本粒子构成的集合体。因此，等离子体也被称为物质的第四态。 内容 一、等离子的性质 物质的第四态等离子体有着许多独特的物理、化学性质。只要表现如下： 1) 温度高、粒子动能大。 2) 作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能。等离子体从整体上看是一种导体电流体。 3) 化学性质活泼，容易发生化学反应。 4) 发光特性，可以作光源。 二、等离子技术的应用 2.1微波放电等离子体技术与应用 通常，低气压、低温等离子体是在1～100pa的气体中进行直流或射频放电产生的。直流辉光发电首先被研究和应用，但该等离子体是有极放电，而且密度低、电离度低、运行气压高，这就限制了其应用的广泛性。随后，射频放电技术逐步被发展起来，这是一种无极放电，且等离子体工作与控制参数比辉光放电有所提高，因而获得了较广泛的应用。但是其密度和电离度仍较低，应用范围依然受到限制。 微波放电初始阶段的物理过程如下。微波引入反应腔中建立起电磁场，反应气体中的电子在微波场作用下获得能量，与气体分子碰撞使其电离，从而得到更多的
科技成果——低温等离子体工业废气治理设备
科技成果——低温等离子体工业废气治理设备 技术开发单位中国船舶重工集团公司第七二三研究所 技术简介 低温等离子体废气治理技术是集光、电、化学氧化于一体的空气净化技术，是涉及高能物理、放电物理、放电化学、反应工程学、高压脉冲技术等领域的一门交叉学科。该设备使用电晕放电形式产生低温等离子体，可有效处理工业烟气和挥发性有机污染物（VOCs），如甲醛、有机氯化物等，单台处理风量可达20000m3/h，综合有效处理效率不小于80%，同时该设备针对大气量废气处理需求，研发大功率高频高压电源技术（30kW），采取高压闪络因子检测控制技术，将闪络因子控制在10次/分钟内，提高电源可靠性；自适应控制技术，同时提高能量利用效率；现已完成两套低温等离子体废气治理设备生产销售。 低温等离子体设备是一个电子放电系统，通过将超高频、超高压电流施加到一个与六边形金属管同轴的细金属线上，引起电晕放电（corona discharge），产生大量高能电子，高能电子与周围的气体分子发生碰撞，产生化学上活跃的基团，从而形成低温等离子体。 电晕放电产生大量的高能电子通过非弹性碰撞将能量转化为周围气体分子的内能或动能，这些获得能量的分子被激发或发生电离形成离子和活性基团，包括氮基粒子（-Nx+，N2+，NO-）、氧基粒子（-Ox+，O3+）以及氧化性极强的羟基自由基OH和臭氧O3等活性粒子，这些物种直接与污染物气体分子（如甲醛、萘等）碰撞，使其分子化学键
断裂，直接破坏其分子结构，发生氧化还原反应，将污染物分子分解成无害的小分子物质如H2O、CO2等。 低温等离子体技术能有效处理恶臭气体、挥发性有机物等污染物。对甲醇，甲醛和多种有机污染物、恶臭气体有良好的处理效果，除臭效果非常显著，并可处理PM1-PM10尘粒径范围的粉尘。 技术指标 1、输入 额定输入电压：三相四线制，380V±10%；额定输入频率：50Hz/60Hz±5%；最大输入功率：30kW。 2、输出 输出电压：0到-50kV连续可调；输出电流：不大于600mA；单台设备最大处理风量：20000m3/h；风压：不大于300Pa； 3、风速：不大于7m/s； 4、可靠性及维修性：MTBF2000h；MTTR0.5h； 5、工作环境 工作温度：-10℃到40℃；存放温度：-15℃到55℃； 相对湿度：25℃时≤95%；45℃时≤80%； 6、体积和重量 设备占地：50m2；重量：不大于4.5T； 7、安全及保护性要求 最大输出闪络次数：10次/分；具有智能故障逻辑判断高压重启功能；具有抽风、水冷、发生器门未锁等安全联锁高压保护功能；具
低温等离子体表面处理技术
低温等离子体表面处 理技术
Plasma and first wall Introduction Today I will talk about something about my study on the first wall in the tokamak. Firstly, I will show you that what the plasma is in our life thought the following pictures such as: Fig.1 Lighning Fig.2 Aurora Fig.3 Astrospace Just as the pictures mentioned above , they are all consist of plasma. But, what does have in the plasma, now our scientist had given a definition that the plasma state is often referred to as the fourth state of matter and contains enough free charged particles（negative ions 、positive ions）and electronics. Like the photo below. Fig.4 Plasma production Plasma production In our research, we produce the plasma through an ICP (inductively coupled plasma)
低温等离子体介绍
低温等离子体介绍 基本概念 等离子体是物质存在的第四种状态。它由电离的导电气体组成，其中包括六种典型的粒子，即电子、正离子、负离子、激发态的原子或分子、基态的原子或分子以及光子。 事实上等离子体就是由上述大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一种准中性气体，也就是高度电离的气体。无论是部分电离还是完全电离，其中的负电荷总数等于正电荷总数，所以叫等离子体。 等离子体的分类 1、按等离子体焰温度分： （1）高温等离子体：温度相当于108~109 K完全电离的等离子体，如太阳、受控热核聚变等离子体。 （2）低温等离子体： 热等离子体：稠密高压（1大气压以上），温度103~105K，如电弧、高频和燃烧等离子体。 冷等离子体：电子温度高（103~104K）、气体温度低，如稀薄低压辉光放电等离子体、电晕放电等离子体、DBD介质阻挡放电等离子体、索梯放电等离子体等。 2、按等离子体所处的状态： （1）平衡等离子体：气体压力较高，电子温度与气体温度大致相等的等离子体。如常压下的电弧放电等离子体和高频感应等离子体。 （2）非平衡等离子体：低气压下或常压下，电子温度远远大于气体温度的等离子体。如低气压下DC辉光放电和高频感应辉光放电，大气压下DBD介质阻挡放电等产生的冷等离子体。 什么是低温（冷）等离子体？ 冰升温至0℃会变成水，如继续使温度升至100℃，那么水就会沸腾成为水蒸气。随着温度的上升，物质的存在状态一般会呈现出固态→液态→气态三种物态的转化过程，我们把这三种基本形态称为物质的三态。那么对于气态物质，温度升至几千度时，将会有什么新变化呢? 由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组
低温等离子废气处理工艺
低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，当达到气体的放电电压时，气体被击穿，放电过程中整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体，目前这种技术主要应用于废气处理工业中，有些小伙伴对于整个处理工艺和流程比感兴趣，下面就来一起学习一下。 低温等离子体的工艺技术原理： 异味气体从气体收集系统收集后首先进入除水器中进行水气分离，然后再排入等离子体反应器单元，在该区域由于高能电子的作用，使异味分子受激发，带电粒子或分子间的化学键被打断，产生自由基等活性粒子，这些活性粒子和O2反应达到消除异味目的。同时空气中的水和氧气在高能电子轰击下也会产生OH 自由基、活性氧等强氧化性物质，这些强氧化性物质也会与异味分子反应，使其分解，从而促进异味消除。净化后的气体经排气筒高空排放。 低温等离子处理工艺主要是利用放电来产生很多的高能粒子，然后对分子进行降解、氧化、裂解以及电离。近年来，低温等离子处理工艺成为国内外重视的
一个重点问题。将低温等离子处理工艺应用到低浓度、大风量有机废气处理中，具有处理量大、低能耗等优点。但是，这种处理工艺在应用的过程中会产生很多副产物，不能够完全将有机废气降解为水和二氧化碳。 低温等离子废气处理工艺，低温等离子废气处理技术采用双介质阻挡放电形式产生等离子体，所产生等离子体的密度是其他技术产生等离子体密度的1500倍，初用于氟利昂类、哈隆类物质的分解处理，后延伸恶臭、异味、有毒有害气体处理。该技术节能、环保，应用范围广，所有化工生产环节产生的恶臭异味几乎都可以处理，并对二恶英有良好的分解效果。 低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到降解污染物的目的。
等离子体及其在微电子封装领域的应用
等离子体及其在微电子封装领域的应用 在微电子元件制造过程中, 封装是一个重要步骤。优良的封装技术可以提高微电子产品的寿命，可靠性和降低环境对产品性能的影响。在微电子封装工艺中，常见的问题是芯片粘接中的空隙, 引线键合中较低的键合强度, 塑料封装后的界面剥离等等。所有这些问题均与材料的表面特性有关。 未经表面处理的材料通常不具备符合粘结的物理和化学特性而需要表面活化。表面上沉积的污染物影响了表面粘结能力而需要表面清洗。等离子工艺提供了有效的表面清洗和活化方法。在保证整体材料性质不变的情况下，等离子工艺能够实现固体表面几个分子层的物理或化学改性。 等离子体介绍 等离子体是部分电离的电中性的气体,是常见的固态，液态，气态以外的第四态。等离子体由电子，离子，自由基，光子，及其它中性粒子组成。由于等离子体中电子, 离子和自由基等活泼粒子的存在, 因而很容易与固体表面发生反应。这种反应可分为物理溅射和化学反应。物理溅射是指等离子体中的正离子在电场中获得能量去撞击表面。这种碰撞能移去表面分子片段和原子，因而使污染物从表面去除。另一方面，物理溅射能够改变表面的微观形态，使表面在分子级范围内变得更加"粗糙"，从而改善表面的粘结性能。 等离子体表面化学清洗是通过等离子体自由基参与的化学反应来完成。因为等离子体产生的自由基具有很强的化学活性而降低了反应的活化能，从而有利于化学反应的进行。反应中产生的易挥发产物(主要是气体) 会脱离表面, 因而表面污染物被清除。反应的有效性, 即表面改性的有效性取决于等离子体气源, 等离子系统的组合, 及等离子工艺操作参数。 等离子体表面清洗及活化工艺具有诸多优点。主要表现为: 1. 等离子工艺是有利于环境保护的工艺。等离子清洗过程中仅使用微量气体，没有污染物排放。 2. 等离子清洗工艺成本较低, 容易使用。可以处理拥有各种表面的材料, 并具有良好的均匀性和重复性。 3. 维护及保养费用较低。 4. 适合于高级封装及其它需要表面改性的工艺。 随着电子电路集成化的提高, 芯片尺寸变得越来越小, 表面清洗的要求越来越高。等离子体表面清洗工艺已经成为最好的选择之一。 等离子体应用 集成电路封装工艺包括芯片粘结, 引线键合及塑料封装。由于表面氧化物和有机污染物的存在, 导致了不完全有效的芯片粘结, 不良的引线键合强度, 以及封装后微电子装置中的剥离现象。所有形式的表面污染降低了集成电路封装中的可靠性和产率. 等离子体清洗可应用于芯片粘结工艺之前。等离子清洗和活化后的表面将改善芯片的粘结能力并减少可能产生的空隙。这种良好的粘结性能改善了封装的热消散能力。当共晶焊锡在芯片粘结中被用作粘结材料时, 表面的氧化会影响芯片粘结。等离子工艺能有效去除表面的金属氧化物, 从而确保无空隙的芯片粘结。 金属焊盘上污染物的存在会降低引线的键合能力。在高级封装工业中, 日益缩小的焊盘限制了键合表面尺寸, 从而增加对无污染表面的要求。在引线键合之前, 等离子体被用于去除焊盘上的污染物和氧化物, 增加键合可靠性和能力。研究发现, 经等离子体清洗后的表面, 引线键合力平均增加24.3%。 在BGA封装中, 由于封装化合物和各种材料界面之间存在不良的粘结能力, 易于产生界面剥离。通过增加BGA产品的表面能, 等离子体工艺能极大地改善材料界面的粘结能力,
低温等离子体废气处理
有机、无机废气和恶臭处理技术 市场拓展人员培训教程 （宋文国，男，1968年出生，高级工程师，从事于节能环保项目多年。邮箱：,手机：） 一、行业废气概况 煤化工废气 煤制焦过程废气 焦化废气主要来源于装煤、炼焦、化产回收等过程。装煤初期，煤料在高温条件下与空气接触，形成大量黑烟及烟尘、荒煤气及对人体健康有害的多环芳烃。炼焦时，废气一方面来自化学转化过程中未完全炭化的细煤粉及其析出的挥发组分、焦油、飞灰和泄漏的粗煤气，另一方面来自出焦时灼热的焦炭与空气接触生成的CO、CO2、NOx等,主要污染物包括苯系物（如苯并芘）、酚、氰、硫氧化物以及碳氢化合物等。 煤制气过程废气 煤制气废气的来源主要是气化炉开车过程中由于炉内结渣、火层倾斜等非正常停车而产生的逸散，另外，还有炉内的排空气形成部分废气、固定床气化炉的卸压废气、粗煤气净化工序中的部分尾气、硫和酚类物质回收装置的尾气及酸性气体、氨回收吸
收塔的排放气。这些废气的主要成分包括碳氧化物、硫氧化物、氨气、苯并芘、CO、CH4等，有些还夹杂了煤中的砷、镉、汞、铅等有害物质，对环境及人体健康有较大的危害。 煤制油过程废气 煤的液化可分为直接液化和间接液化。煤直接液化时，经过加氢反应，所有异质原子基本被脱除，也无颗粒物，回收的硫可以获得元素硫，氮大多转化为氨。煤间接液化时，催化合成过程中的排放物不多，未反应的尾气（主要是CO）可以在燃烧器中燃烧，排放的废气中CO2和硫很少，也没有颗粒物的生成。煤液化过程对环境造成的影响较小，主要的污染物是液化残渣，这是一种高碳、高灰和高硫物质，在某些工艺中占到液化原料煤总量的40％左右，需进一步处理。 煤燃烧过程废气 煤燃烧过程主要污染物有粉尘与烟雾、SO2为主的硫化物、N2O、NO、NO2、N2O3、 N2O4等氮氧化物、Hg、Cd、Pb、Cr、As、Se、F等有害微量元素、产生温室效应的CO2等。煤直接燃烧的能量利用率低，环境污染严重。 石油化工厂废气 化工厂在生产过程中会产生大量的废气，比如：氨、三甲胺、硫化氢、二氧化硫、甲硫氢、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳和硫化氢等无机废气；还有VOC类：苯、甲苯、二甲苯、丙
精简的低温等离子体灭菌器的原理和过程
低温等离子体灭菌概述 一、概述及灭菌原理 消毒：消毒（disinfection）从医院除污染的意义上是指用化学的或物理的方法杀灭或消除传播媒介上的病原微生物，使之达到无传播感染水平的处理即不再有传播感染的危险。杀灭或清除医院内环境中和传播媒介上的病原微生物称之为“医院消毒”。 灭菌：灭菌是指杀灭或去除外环境中一切微生物的过程。包括致病性微生物和不致病的微生物，如细菌（含芽胞）、病毒、真菌（含孢子）等，一般认为不包括原虫和寄生虫卵，以及藻类。 灭菌是个绝对的概念，意为完全杀灭所处理微生物，经过灭菌处理的物品可以直接进入人体无菌组织内而不会引起感染，因此，灭菌是最彻底的消毒。然而事实上要达到这样的程度是困难的，因此国际上通用方法规定，灭菌过程必须使物品污染的微生物的存活概率减少到10-6 (灭菌保证水平)，换句话说，要将目标微生物杀灭率达到99.9999%。 1、概述 等离子体（Plasma）是物质的第四态，它是正、负带电粒子、中性原子、他子所形成的一团物质。就像云一样的存在状态，具
有能量密度高、化学活性成分丰富的特点。利用待离子体这样的特点进行灭菌，效果非常明显。而且速度快。等离子体灭菌的关键技术是：灭菌腔体中等离子体必须均匀，不存在死角。有一定的能量要求。 2、等离子体的形成： 等离子体属于物理概念，是自然界中存在的一种物质状态(即固体、液体和气体之外的第四态)。低温等离子体的产生通常是在几帕到几百帕的真空环境下，利用特定电磁电场作用，使某些中性气体的分子产生连续不断的电离，形成带负电荷和等量带正电荷的离子相互共存的物质状态，当电离率与复合率达到平衡时，这种稳定存在的物质形态就称之为等离子体。 同一种物质的不同状态，表示这种物质中粒子所具有不同的能量，例如固体冰获得能量融化成水，水获得能量汽化成水蒸汽，水蒸汽在特定的物理条件下又可形成等离子体，由此可知等离子体是一种能量更高的物质聚集态。组成等离子体的不仅有分子和原子，还有许多带电粒子，其粒子的能量约从几eV（电子福特）到几千eV不等，因而，其具有特殊的理化性能，在与物质的相互作用中会产生许多特殊的物理和化学效应。例如：过氧化氢（双氧水）是普通的临床消毒液，但需要将器械完全浸泡2小时以上，才能达到高级消毒水平；而等离子体灭菌器将极少量双氧水（2～5ml/次）激发成过氧化氢等离子体，可在几十秒钟的时间内、35～45℃条件下将106cpu/片的枯草杆菌芽孢全部杀灭，达到
低温等离子体技术介绍
技术介绍 --低温等离子体 低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质的第四态，当外加电压达到气体的着火电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体。低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到分解污染物的目的。 “QHDD-Ⅱ”低温等离子体工业废气处理成套设备和技术作为一种新型的气态污染物的治理技术是一个集物理学、化学、生物学和环境科学于一体的交叉综合性电子化学技术，由于能很容易使污染物分子高效分解且处理能耗低等特点，是目前国内外大气污染治理中最富有前景、最行之有效的技术方法之一，其使用和推广前景广阔，为工业领域VOC类有机废气及恶臭气体的治理开辟了一条新的思路。 低温等离子体废气处理技术与其他废气治理方法优缺点对比 表1-2 几种废气处理工艺的适用范围及优缺点 工艺名称原理适用范围优点缺点 掩蔽法采用更强烈的芳香气味与臭气掺和，以掩蔽臭气，使之能被人接收适用于需立即、暂时地消除低浓度恶臭气体影响地场合，恶臭强度左右，无组织排放源可尽快消除恶臭影响，灵活性大，费用低恶臭成分并没有被去除，麻痹了对原有污染物的感知 热力燃烧法在高温下恶臭物质与燃料气充分混和，实现完全燃烧适用于处理高浓度、小气量的可燃性气体净化效率高，恶臭物质被彻底氧化分解设备易腐蚀，消耗燃料，处理成本高，易形成二次污染，催化剂中毒 催化燃烧法
水吸收法利用臭气中某些物质易溶于水的特性，使臭气成分直接与水接触，从而溶解于水达到脱臭目的水溶性、有组织排放源的恶臭气体工艺简单，管理方便，设备运转费用低产生二次污染，需对洗涤液进行处理；净化效率低，应与其他技术联合使用，对水溶性差的物质等处理效果差 药液吸收法利用臭气中某些物质和药液产生化学反应的特性，去除某些臭气成分适用于处理大气量、高中浓度的臭气能够有针对性处理某些臭气成分，工艺较成熟净化效率不高，消耗吸收剂，易形成而二次污染 吸附法利用吸附剂的吸附功能使恶臭物质由气相转移至固相适用于处理低浓度，高净化要求的恶臭气体净化效率很高，可以处理多组分恶臭气体吸附剂费用昂贵，再生较困难，要求待处理的恶臭气体有较低的温度和含尘量 生物滤池恶臭气体经过除尘增湿或降温等预处理工艺后，从滤床底部由下向上穿过由滤料组成的滤床，恶臭气体由气相转移至水—微生物混和相，通过固着于滤料上的微生物代谢作用而被分解掉目前研究最多，工艺最成熟，在实际中也最常用的生物脱臭方法,又可细分为土壤脱臭法、堆肥脱臭法、泥炭脱臭法等。净化效率高，处理费用低占地面积大，易堵塞，填料需定期更换，脱臭过程很难控制，受温度和湿度的影响大，生物菌培训需要较长时间，遭到破坏后恢复时间较长。 生物滴滤池原理同生物滤池式类似，不过使用的滤料是诸如聚丙烯小球、陶瓷、木炭、塑料等不能提供营养物的惰性材料。只有针对某些恶臭物质而降解的微生物附着在填料上，而不会出现生物滤池中混和微生物群同时消耗滤料有机质的情况池内微生物数量大，能承受比生物滤池大的污染负荷，惰性滤料可以不用更换，造成压力损失小，而且操作条件极易控制占地面积大，需不断投加营养物质，而且操作复杂，受温度和湿度的影响大，生物菌培训需要较长时间，遭到破坏后恢复时间较长。 洗涤式活性污泥脱臭法将恶臭物质和含悬浮物泥浆的混和液充分接触，使之在吸收器中从臭气中去除掉，洗涤液再送到反应器中，通过悬浮生长的微生物代谢活动降解溶解的恶臭物质有较大的适用范围可以处理大气量的臭气，同时操作条件易于控制，占地面积小设备费用大，操作复杂而且需要投加营养物质 曝气式活性污泥脱臭法将恶臭物质以曝气形式分散到含活性污泥的混和液中，通过悬浮生长的微生物降解恶臭物质适用范围广，目前日本已用于粪便处理场、污水处理厂的臭气处理活性污泥经过驯化后，对不超过极限负荷量的恶臭成分，去除率可达%以上。受到曝气强度的限制，该法的应用还有一定局限
低温等离子体的产生方法
辉光放电电晕放电介质阻挡放电射频放电滑动电弧放电射流放电大气压辉光放电次大气压辉光放电 辉光放电(Glow Discharge) 辉光放电属于低气压放电(low pressure discharge)，工作压力一般都低于 10mbar，其构造是在封闭的容器內放置两个平行的电极板，利用电子将中性原子和分子激发，当粒子由激发态(excited state)降回至基态(ground state)时会以光的形式释放出能量。电源可以为直流电源也可以是交流电源。每种气体都有其典型的辉光放电颜色(如下表所示)，荧光灯的发光即为辉光放电。因此，实验时若发现等离子的颜色有误，通常代表气体的纯度有问题，一般为漏气所至。辉光放电是化学等离子体实验的重要工具，但因其受低气压的限制，工业应用难于连续化生产且应用成本高昂，而无法广泛应用于工业制造中。目前的应用范围仅局限于实验室、灯光照明产品和半导体工业等。 部分气体辉光放电的颜色 Gas He Ne(neon) Ar Kr Xe H2N2O2 Air Cathode Layer red yellow pink --
red-brown pink red pink Negative Glow pink orange dark-blue green orange-green thin-blue blue yellow-white blue Positive Column Red-pink red-brown dark-red blue-purple white-green pink red-yellow red-yellow red-yellow 次大气压下辉光放电(HAPGD)产生低温等离子体 由于大气压辉光放电技术目前虽有报道但技术还不成熟，没有见到可用于工业生产的设备。而次大气压辉光放电技术则已经成熟并被应用于工业化的生产中。次大气压辉光放电可以处理各种材料，成本低、处理的时间短、加入各种气体的气氛含量高、功率密度大、处理效率高。可应用于表面聚合、表面接枝、金属渗氮、冶金、表面催化、化学合成及各种粉、粒、片材料的表面改性和纺织品的表面处理。次大气压下辉光放电的视觉特征呈现均匀的雾状放电；放电时电极两端的电压低而功率密度大；处理纺织品和碳纤维等材料时不会出
低温等离子体技术在有机净化废气中的应用与进展
低温等离子体技术在有机净化废气 中的应用与进展 姓名：xxx 专业：环境工程 班级：xxx 指导老师：xxx 2015年12月xx日
低温等离子体技术在净化有机废气中的应用与进展 摘要 随着现代工业的快速发展，工业三废的排放量与日俱增，尤其是挥发性有机废气(VOCs)的排放，挥发性有机废气种类繁多、毒性强、扩散面广，是继颗粒物、二氧化硫、氮氧化合物之后又一类不容忽视的大气污染物。传统的有机废气处理方法存在流程复杂、运行成本高、处理效率低下、易产生二次污染等问题。低温等离子体技术利用自由基、高能电子等活性粒子与有机废气分子发生一系列理化反应，使有害气体在短时间内迅速催化降解为CO2和H2O以及其他小分子化合物。低温等离子体技术工艺流程简单、开停方便、运行费用低、去除效率高，在治理上具有明显优势,是国内外目前的研究热点之一。本文综述了低温等离子体在催化剂处理挥发性有机废气方面的技术研究进展，并展望了等离子体技术在废气处理领域的发展方向。 关键词：低温等离子体；有机挥发性废气(VOCs)；催化降解
1 引言 工农业生产过程不可避免地要排放挥发性有机废气(VOCs)，这是污染环境、危害人类健康的重要来源[1-2]。挥发性有机废气排放到大气中会引起光化学烟雾、臭氧层破坏等环境问题；大部分的VOCs 还具有毒性、刺激性、甚至致癌作用，对人体健康造成严重的危害[3]。为了应对(VOCs)对环境的破坏以及对人体健康的威胁，挥发性有机废气处理技术迅速成为国内外的研究热点之一。 2 常用有机废气处理技术 目前国内外有多种技术用于处理挥发性有机废气，其中较为常见的方法有：燃烧法、冷凝法、吸收法、吸附法、生物法、低温等离子体法等。 2.1 燃烧法 通过燃烧将VOCs转化为无害物质的过程称为燃烧法[4]。燃烧法的原理是燃烧氧化作用及在高温下的热分解。因此，燃烧法只适用于处理可燃的或在高温下易分解的VOCs。 2.2 冷凝法 冷凝法处理VOCs是利用废气中的各组分饱和蒸汽压不同这一特点，采用降温、升压等方法，将气态的VOCs液化分离[5]，但冷凝法不适用于低浓度废气的处理。 2.3 吸收法 吸收法的原理是吸收质（VOCs）与吸收剂（水、酸溶液、碱溶液等）发生化学反应从而达到吸收去除效果。当VOCs成分复杂需多段净化时，该方法便不再适用，并且该法设备易腐蚀，易形成二次污染[6]。 2.4 吸附法 吸附法是用多孔性固体活性炭、分子筛、交换树脂、硅胶、飞灰等吸附去除废气。吸附法对大部分VOCs均适用，一般作为其他方法的后续处理[7]。但是吸附法也有它的缺点投资高、吸附剂用量大、再生困难、能耗大、占地面积大等缺点。
等离子体及其技术的应用
等离子体及其技术的应用 摘要: 随着等离子体技术的迅速发展，逐渐形成了一个新兴的等离子体化工体系。我们知道，普通化学反应和化工设备中所产生的温度只有二千多度。而在各种形式的气体放电所形成的低温等离子体中电子温度可达一万度以上，足以造成各种化学键的断裂，或使气体分子激发电离，产生许多在通常条件下不能发生的化学反应，获得通常条件下不能得到的化合物或化工产品，并且获得的化合物与化工产品不会产生热分解。这势必会造就很多性能优良的新物质，其也将会有广泛的应用前景。 关键词：等离子体；喷涂；焊接；尾气处理；隐身技术
Plasma and its technical application ABSTRACT With the rapid development of plasma technology, and gradually formed a new plasma chemical system.We know, the common chemical reaction and chemical engineering equipments only produce two thousand degrees temperature.The temperatures that in low temperature plasma electronic produced by all forms of gas discharge up to ten thousand degrees or above,more enough to fracture all sorts of the chemical bonds, or make the gas molecule ionization, produce many chemical reactions that can't happened in usual conditions , get compound or chemical products that can't achieved in usual conditions , and the products won't occur thermal decomposition.It will produce a lot of new substances that performance excellent ,and have a broad application prospect. keywords:plasma；flame plating；soldering；tail gas treatment；invisible technology
低温等离子体消毒
低温等离子体消毒 1.消毒灭菌的定义 2.低温等离子体灭菌技术 3.低温等离子体的消毒机理 4.低温等离子灭菌的优缺点 5.低温等离子体杀菌消毒技术的应用 消毒灭菌的定义 消毒：消毒是指用化学的或物理的方法杀灭或消除传播媒介上的病原微生物，使之达到无传播感染水平的处理即不再有传播感染的危险。灭菌：灭菌是指杀灭或去除外界环境中一切微生物的过程。包括致病性微生物和不致病的微生物，如细菌（含芽胞）、病毒、真菌（含孢子）等，一般认为不包括原虫和寄生虫卵，以及藻类。灭菌是获得纯培养的必要条件，也是食品工业和医药领域中必需的技术。 灭菌是个绝对的概念，意为完全杀灭所处理微生物，经过灭菌处理的物品可以直接进入人体无菌组织而不会引起感染，因此，灭菌是最彻底的消毒。然而事实上要达到这样的程度是困难的，因此国际上通用方法规定，灭菌过程必须使物品污染的微生物的存活概率减少到E-6 (灭菌保证水平)，换句话说，要将目标微生物杀灭率达到99.9999%。在当前面对如此严苛的灭菌要求，理想的灭菌器应该具有如下的特点和性能： ( 1 )灭菌速度应尽量快，时间要短； ( 2 )灭菌温度应该低于 5 5℃左右，对器械、物品损伤尽量小；
( 3 )灭菌时对整个环境无影响，灭菌残留物是无害的； ( 4 )能够满足多种物品的灭菌要求； ( 5 )使用耗材价格不能过高。 现如今所使用的灭菌方法多为热力灭菌、辐射灭菌、环氧乙烷灭菌、低温甲醛蒸汽灭菌以及使用各种灭菌剂如戊二醛、二氧化氯、过氧乙酸和过氧化氢等长时间浸泡的方法。 这些灭菌方法存在着许多限制条件，如会对环境造成危害、灭菌时间过长、灭菌温度过高致使器械损伤较大、食品营养流失等 随着对消毒、灭菌的处理要求越来越高。传统灭菌方法的局限性正在促使新的灭菌技术的产生和发展。 低温等离子体灭菌技术 等离子体灭菌技术是新一代的高科技灭菌技术，它能克服现有灭菌方法的一些局限性和不足之处，提高消毒灭菌效果。 例如对于不适宜用高温蒸汽法和红外法消毒处理的塑胶、光纤、人工晶体及光学玻璃材料、不适合用微波法处理的金属物品，以及不易达到消毒效果的缝隙角落等地方，采用本技术，能在低温下很好地达到消菌灭菌处理而不会对被处理物品造成损坏。本技术采用的等离子体工作物质无毒无害。本技术还可应用到生产流水线上对产品进行消毒灭菌处理。 在环境问题越来越受到人们关注的今天，常压低温等离子体消毒作为一种清洁的消毒方法将会有一个广阔的应用前景。等离子体灭菌是医疗卫生、制药、生物工程食品行业灭菌技术的未来发展方向。
2.2和2.3气体放电等离子体及其应用
电容耦合射频放电 为了维持直流辉光放电，电极必须是可导电的。如果其中一端或两端电极都不可导电，如当辉光放电用于绝缘材料的光谱化学分析或介质薄膜的沉积，此时电极表面附着绝缘材料，电极因正负电荷的积累而充电，辉光放电熄灭。为了解 决这个问题，可以在电极间加交流电压，这样，每个电极都可以充当阳极和阴极，在电压正半周期时积累的部分电荷将会在电压负半周期时被抵消。 通常，电压频率为射频范围（1kHz-310kHz ，常见频率为13.56MHz ）。严格的说，在其他电压频率时，也会产生电容耦合放电，所以称其为交流放电更合适。另外，频率应该很高，这样半个周期才会比绝缘体充满电的时间短。否则，电极将会相继呈相反极性，引起短暂放电，而不是持续放电。由计算可得，当所加电压频率大于100kHz 时，放电能持续。实际上，很多射频辉光放电过程产生于13.56MHz 。因为该频率是国际通信局规定的，其在传播一定能量的时候不会对通信产生干扰。 此时需要强调，所谓电容耦合，指的是将输入功率耦合为放电一种方式，也就是说，利用两个电极及其鞘层形成一个电容。后面会讲到，射频功率也可以利用其它方法耦合放电。 在典型射频频率下，电子和离子的行为完全不同，这可通过它们不同的质量解释。电子质量小，可以跟得上射频电压产生的时变电场的变化。实际上，电子的固有频率，或所谓的电子等离子体频率为：;02εe e pe m e n w = e pe n f 9000=（Hz ） （1） e n 用3-cm 表示。当电子密度从1010变化到 31310-cm 时，等离子体频率由9×810变化至3× 1010Hz ，比13.56MHz 大很多。如果电压频率小于 离子等离子体频率，离子可以跟得上鞘层内的电 场的变化。由于离子等离子体频率与质量呈反 比，电子可以跟的上典型射频时电场的变化，而 离子只能跟得上随时间均匀变化的电场。 电容耦合射频放电的另一个重要的方面是， 自给偏压现象，也是由电子和离子质量的不同引 起的。当两电极大小不同时，或当射频电源与电 极之间形成耦合电容时，或电极是绝缘的（因为可以把它当作电容），自给偏压也称直流偏压便会形成。当在由电极形成的电容上施加一方波（见图3）时，等离子体电压值将达到所加电压的值。当所加电压刚开始为正时，如图3，电子将加速向电极运动。因此，电容将通过电子电流迅速充电，等离子体电压下降。半个周期后，所加电压极性改变时，等离子体电压改变相同的数值（即施加电压幅值的2倍）。电容此时通过离子电流已充电完成，等离子体电压将下降，但比先前下降的少，因为离子的迁移率较低，导致离子流通量较小。又经过半个周期时，电压极性改变，同样等离子体电压极性也改变。此时，等离子体电压下降更快，因为电容因电子流又充满了电。此过程周而复始，直到电容最终充满足够的阴极电荷，此时电子和离子在一个射频周期内流量相同。最终在射频功率电极间形成一个随时间均匀变化的负直流偏压（图3中的虚线表示）。需要说明的是，该现象也会发生在地极中，但影响很小。图4为一典型的正弦电压，其频率为13.56MHz ，以及其所对应的直流偏压。
低温等离子体对材料的表面改性
低温等离子体对材料的表面改性 张 波 冷等离子体对材料的表面改性,通过放电等离子体来优化材料的表面结构,是一种非常先进的材料表面改性方法。冷等离子体的特殊性能可以对金属、半导体、高分子等材料进行表面改性,该技术已广泛应用于电子、机械、纺织等工程领域。 等离子体是 物质的第四态 ,它是由许多可流动的带电粒子组成的体系。等离子体的状态主要取决于它的化学成分、粒子密度和粒子温度等物理化学参量,其中粒子的密度和温度是等离子体的两个最基本参量。实验室中采用气体放电方式产生的等离子体主要由电子、离子、中性粒子或粒子团组成。描述等离子体的密度参数和温度参数主要有:电子温度T e、电子密度n e、离子温度T i、离子密度n i、中性粒子温度T g、中性粒子密度n g。在一般情况下,等离子体呈现宏观电中性,当等离子体处在平衡状态时,n e n i=n g。可以用物理参量电离度 =n e/ (n e+n g)来描述等离子体的电离程度,低气压放电产生的等离子体是弱电离的等离子体( 1), =1时,为完全电离等离子体。 等离子体按照其组成粒子的能量大小及热力学性质,可分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体中带电粒子的温度可达到绝对温度几千万度到上亿度,如太阳上的核聚变及地球上的热核聚变反应等。低温等离子体又分为热等离子体(热力学平衡)和冷等离子体(非热力学平衡),其中热等离子体中粒子的能量特别高,通常用于需要高温作业的领域,如磁流体发电,等离子体焊接、切割,等离子体冶炼,等离子体喷涂,等离子体制备超细粉等。实验室中采用低气压放电产生的等离子体,电子温度T e约为1~10eV(1eV=11600K),而离子温度T i只有数百开尔文,基本上等于中性粒子的温度,所以这种等离子体称为冷等离子体。正因为冷等离子体的宏观温度与室温相差无几,所以有着重要应用价值,如用于材料的表面改性以及光源等。 对于冷等离子体对高分子材料表面改性的作用机理,一般认为冷等离子体中含有大量电子、离子,激发态的分子和原子、自由基及紫外光等活性粒子,这些粒子的能量大多在0~20eV之间,而高分子材料大多是由C、H、O、N四种元素组成,这些分子之间的键能也多在l~10eV之间,如C-H(4 3eV)、C-N(2 9eV)、C-C(3 4eV)、C=C(6 leV)等,恰恰在等离子体的能量作用范围之内,因而等离子体对高分子材料表面改性十分有效,可改变其表面的化学组分和化学结构。冷等离子体对高分子材料的表面改性可分为三类:第一种是非聚合性气体的等离子体表面处理,这是通过非聚合性气体(如O2、N2、NH3等)在等离子体的气氛下使材料表面化学组分和结构发生变化;第二种是聚合性气体的等离子体聚合,这是用有机物、有机硅化合物或金属有机化合物等在材料表面生成聚合物薄膜;第三种是等离子体接枝,即在被等离子体激活的材料表面引进化学基团。总之,由于冷等离子体中含有大量电子、离子,激发态的原子、分子和自由基等活性粒子,这些活性粒子和材料相互作用使材料表面发生氧化、还原、裂解、交联和聚合等各种物理和化学反应,从而优化材料表面性能,增加材料表面的吸湿性(或疏水性)、可染性、粘接性、抗静电性及生物相容性等。 冷等离子体发生装置与 真空紫外光对材料改性的影响 冷等离子体装置,在密封容器中设置特定的电极形成电场,用真空泵实现一定的真空度,随着气体愈来愈稀薄,分子间距及分子或离子的自由运动距离也愈来愈长,它们在电场作用下发生碰撞而形成等离子体;因这时会发出辉光,故称为辉光放电。辉光放电时的气压大小对材料处理效果有很大影响,其他影响因素还有放电功率、气体成分、材料类型等。电源作为等离子体发生装置的主要部件,功率范围一般在50~500W之间,根据电源频率的不同可分为直流、低频(50Hz~50kHz)、射频(指定频率13 56MH z)、微波(常用2450MHz)。图1~图3分别是各种辉光放电装置示意图。 冷等离子体对材料表面改性的原理研究,过去一般停留在等离子体(电子、离子等)对材料表面的作用,这里介绍表面改性机制的新进展 真空紫外光(VUV)对材料的表面改性。一般认为,材料表面改性的机制,主要是自由基化学反应,但自由基扩
等离子体及其技术应用
等离子体及其技术应用 生化系化学教育姓名：蒋敏学号：20101420 摘要：通过介绍等离子体的概念、分类、特性、原理及其在化学工业、材料工业、电子工业、能源方面和机械工业、国防工业、生物医学及环境保护方面的技术应用。 关键词：等离子体、概念、特性、原理、应用 前言：等离子体是宇宙中物质存在的一种状态。物质除固、液、气三态外，还有第四种状态即等离子态。所谓等离子体就是气体在外力作用下发生电离，产生电荷相反、数量相等的电子和正离子以及游离基(电子、离子和游离基之间又可复合成原子和分子)，由于在宏观上呈中性，故称之为等离子体。处于等离于态的各种物质微粒具有较强的化学活性，在一定的条件下可获得较完全的化学反应，物质的各态之间是可以相互转化的。 1. 等离子体 等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、微料等)组成的, 宏观上呈现准中性, 且具有集体效应的混合气体。所谓准中性是指在等离子体中的正负离子数目基本相等, 系统在宏观上呈现中性, 但在小尺度上则呈现出电磁性, 而集体效应则突出地反映了等离子体与中性气体的区别。 1.1等离子体的含义 由电子、离子和中性粒子三种成分组成。其中电子和离子的电荷总数基本相等，因而作为整体是电中性的。等离子体是由大量带电粒子组成的有宏观空间尺度和时间尺度的体系。 1.2等离子体的产生 对液体加热使之温度升高，可以使它转化为气体。在通常的气体中，物质的最小单元是分子。如果对气体再加热使气体温度升高时，分子会分解成单个原子，这种以原子为基本单元而组成的气体叫做原子气体。使原子气体的温度再升高，原子运动的速度增大。通过相互碰撞使之电离出自由电子和阳离子，当许多原子被电离之后，会形成一个电离过程、电离成的离子与电子复合成中性微粒过程之间的动态平衡，因此