等离子体密度
等离子体性质的测量
等离子体性质的测量王玉萌06300190034（复旦大学物理学系上海）【摘要】：通过DH2005型直流辉光等离子体试验装置进行对等离子体性质的测量，包括直流辉光伏安特性的测量、帕邢定律的验证以及郎缪尔双探针法测等离子体参数。
根据实验结果，讨论各种因素对等离子体性质的影响。
【关键词】：等离子体性质一、引言等离子体技术是一个关系国家能源、环境、国防安全的重要技术，在国内关于等离子体技术的研究和教学远远落后于等离子体技术在工程中的应用，具体体现在很多领域如微电子、光学镀膜等领域。
直流辉光等离子体教学实验装置在经典直流放电管的基础上加以改进，工作气体、工作气压、电极距离等参数均可单独或组合调控，从而利用该装置可以系统研究等离子体的激发原理和影响因素。
二、实验原理1、直流低压放电原理气体低压放电课分为三个阶段：暗放电、辉光放电和电弧放电。
其中各个阶段的放电在不同的应用领域有广泛的应用。
这三个阶段的划分从现象上来看是放电强度的不同，从内在因素来看是其放电电压和放电电流之间存在着显著差异。
经典的直流低气压放电在正常的辉光放电区示意图如图：从左至右，其唯象结果如下：阴极区：包括阴极，Aston暗区，阴极辉区和克洛克斯暗区。
负辉光区：整个放电管中最亮的区域。
其中电场相当低。
几乎全部电流由电子运载，电子在阴极区被加速产生电离，在负辉光区产生强爆发。
法拉第暗区：在这个区域里，由于在负辉光区里的电离和激发作用，电子能量很低。
净空间电荷很低，轴向电场也很小。
正电柱：正电柱是准中性的，电场很小，一般是1v/cm。
这种电场的大小刚好足以在它的阴极端保持所需的电离度。
空气中正电柱等离子体是粉红色至蓝色。
正电柱是一个长的均匀的辉光，是等离子体最均匀的部分，也是本实验中探针放置的位置。
阳极辉光区：阳极辉光区是在正电柱的阳极端的亮区，比正电柱稍亮一点，在各种低气压辉光放电中并不总有。
它是阳极鞘层的边界。
阳极暗区：阳极暗区在阳极辉光和阳极本身之间，他是阳极鞘层，他有一个负的空间电荷，是在电子从正电柱向阳极运动中引起的，其电场高于正电柱的电场。
等离子体空气消毒机技术参数
等离子体空气消毒机(挂壁机)PT-100B技术参数一、技术指标1、该机集主动消毒与被动消毒与一体，具有杀菌与分解有害气体的双重功能，消毒净化因子为等离子体；2、使用寿命长，该机核心部份等离子发生器整体为不锈钢件加工而成，在使用中无损耗，降低了使用中的维护成本，其寿命为15000小时以上；可提供报告3、消毒指标：设备持续工作90分钟，可使20m3密闭房间空气中人工喷染的白色葡萄球菌的杀灭率达99.93%，可使100m3房间空气中的自然菌的消亡率≥90%以上，符合卫生部《医院室内空气消毒技术规范》；可提供省疾控检测报告4、净化指标：能净化去除空气中的甲醛、苯化合物等有害气体与异味，甲醛去除率（降解率）≥80% ,悬浮粒子数≤3500个/L（Φ≥0.5um)；5、带活性碳及除臭氧网去除臭氧味及异味，空气中的臭氧量：≤0.02mg/m3；可提供省疾控检测报告6、等离子体密度分布为：1.67*1017-2.77*1017m-3；可提供报告7、等离子发生器的高压输出电压：6000±200V；8、适用体积：≤100m3；9、循环风量：≥1000m3/h；10、噪声：≤45dB；11、采用低噪音、低能耗直流无刷电机；12、正常工作环境：温度范围：5℃～40℃湿度：≤90%；13、工作电源: 220V 50Hz、输入功率：≤35W；14、外型尺寸：1040mm×350mm×180mm；15、机壳采用平板式全塑壳制作，亚克力印花面板，方便日常清洁保养。
16、产品证件：卫生安全评价报告17、企业通过ISO9001及ISO13485质量体系认证二、功能指标1、等离子体净化消毒，绿色环保，可在人机共存的环境中使用，对人与物品无损害，对环境无二次污染，该机适用于医院II、III类环境，如诊疗室、病房、办公室、普通手术室等；2、负离子清新空气，有利于人体的健康；3、智能控制器具有过滤网累时提示，整机累计时间功能；4、等离子体故障自动报警，当主要杀菌因子失效时立即报警提醒，确保消毒效果的稳定可靠；当等离子体发生器短路和非正常放电时保护，防止安全事故；5、风机故障自动报警；6、该机具有手动、自动、定时三种工作模式以及五个风速档位供用户自由选择，7、智能控制：具有三个预设时段，每天可自动循环运行且掉电记忆；8、LCD高清液晶中文显示屏，触感式控制面板，远红外一键式遥控；9、数字化智能等离子高压发生器具有短路保护，精密调节、工作状态指示等功能。
等离子密度计算公式
等离子密度计算公式等离子体是一种由离子和电子组成的高温高能量状态的物质，它在自然界中广泛存在于恒星、闪电、太阳风等地方。
等离子体的密度是指单位体积内等离子体的离子和电子的数量，是等离子体性质的重要参数之一。
在实际应用中，我们需要通过一定的方法来计算等离子体的密度，其中最常用的方法之一就是使用等离子密度计算公式。
等离子密度计算公式是通过等离子体的基本参数来计算其密度的数学表达式。
在物理学中，等离子密度计算公式通常采用电子密度和离子密度来表示。
电子密度是指单位体积内的电子数量，而离子密度是指单位体积内的离子数量。
通过这两个参数，我们可以计算出等离子体的密度。
在理想气体状态方程中，等离子体的密度可以表示为：\[ n = \frac{P}{kT} \]其中，n表示等离子体的密度，P表示等离子体的压力，k表示玻尔兹曼常数，T表示等离子体的温度。
这个公式适用于低密度等离子体，即等离子体中的粒子之间的相互作用较弱的情况。
在高密度等离子体中，我们需要考虑等离子体中的离子和电子之间的相互作用。
在这种情况下，等离子密度计算公式可以表示为：\[ n = \frac{\rho}{m} \]其中，n表示等离子体的密度，ρ表示等离子体的密度，m表示等离子体中的粒子质量。
这个公式适用于高密度等离子体，即等离子体中的离子和电子之间的相互作用较强的情况。
在实际应用中，我们可以根据等离子体的具体情况选择合适的等离子密度计算公式来计算等离子体的密度。
通过计算等离子体的密度，我们可以更好地了解等离子体的性质，为等离子体的研究和应用提供重要参考。
除了上述的基本等离子密度计算公式之外，还有一些其他的等离子密度计算公式可以用于特定情况下的等离子体密度计算。
例如，在等离子体中存在磁场的情况下，我们可以使用磁场对等离子体密度的影响来修正等离子密度计算公式，以得到更精确的等离子体密度。
在实际应用中，等离子密度计算公式可以通过实验数据来验证和修正，以提高其计算的准确性和可靠性。
等离子体综述
等离子体综述摘要对等离子体、平均自由程、德拜长度等一些概念做了详细述说。
主要是分析了各种郎缪尔探针的优劣，及评价探针结构优劣的理论依据，最终得到最优化探针结构。
一、引言1.等离子体“等离子体”其本意是电离状态气体正负电荷大体相等，整体上处于电中性。
是气态下继续加热得到的一个状态。
我们知道，物质的温度实际上是用来描述其内部粒子运动的剧烈程度的，当气体温度很高时，气体的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，物质就变成由相互作用并自由运动的电子和正离子组成的混合物。
物质的这种存在状态被称为物质的第四态，即等离子体态。
等离子体中并不是所有的原子都会被离子化：工艺过程中用到的冷等离子体仅仅有1-10%被离子化，余下的气体仍然保持为中性原子或分子。
在更高的温度，例如热核研究，等离子体完全离化。
通常来说，粒子流是处于热平衡的，意味着原子或分子具有麦克斯韦速率分布f(v)=Ae−(12⁄mv2KT⁄)（1）A是标准因子，K是玻尔兹曼常数。
T是温度，它决定了分布宽度。
在等离子体中，离子、电子和中性粒子具有自己的温度：T i，T e，T n。
三种粒子能互相渗透，但不能充分地碰撞从而使三种粒子等温。
这是由于相对于大气压下的气体，等离子体密度非常低。
但是每种粒子能和自己充分碰撞从而获得麦氏分布。
非常热的等离子体可能不是麦氏分布了，这个时候需要“能动理论”解释。
为了方便，表示温度一般用电子电压（eV）。
典型低温等离子体电子温度是1~10eV，1eV=11,600K。
等离子体被普遍认为非常难理解，相对于流体动力学或电磁学来说确实是这样。
等离子体作为带电粒子流，既有粒子间的相互碰撞又会受到电场或磁场的长程力影响。
还有一个原因是，大部分的等离子体相当稀薄和热以至于不能视为连续的流体。
典型低温等离子体密度值是108-1012cm-3。
2.德拜长度和鞘层等离子体是带电粒子流，它以一种复杂的方式满足麦克斯韦方程组。
等离子体技术在各行业中的应用
等离子体技术在各行业中的应用摘要：随着科技的进步，等离子体技术得到了飞速的发展，同时也在各行业中得到了广泛的应用，且变得越来越重要。
本文对等离子体技术在各行各业中的应用进行了简要阐述，同时对一些应用中的存在的问题进行阐述和给出一些合理化建议。
关键词：等离子体；应用1 引言等离子体是物质的第四态，在等离子体空间里含有丰富的离子、电子、光子、激发态的原子、分子及自由基等极活泼的反应性物种。
自20世纪70年代初以来,人们基于对等离子体中各种粒子化学活性的控制和利用，深入地探索物质在等离子体态进行化学反应的特征和规律性。
同时在化学合成、薄膜制备、表面处理、军事科学、精细化学品加工及环境污染治理等诸多领域，在原有工艺技术基础上巧妙而有效地引入等离子体技术，促成了一系列工艺革新和巨大的技术进步。
1.1等离子体定义等离子体(Plasma)是物质的一种部分电离的状态，是气体在加热或强电磁场作用下电离而产生的，主要由电子、离子、原子、分子、活性自由基及射线等组成。
被称为继“固、液、气”三态以外的新的物质聚集态，即物质第四态，因其中的正电荷总数和负电荷总数在数值上总是相等的故称其为等离子体[1]。
宇宙中99．9％的物质处于等离子体状态。
对于自然界中的等离子体有太阳、电离层、极光、雷电以及满天星斗等。
在人工生成等离子体的方法中，气体放电法比加热法更加简便高效，诸如荧光灯、霓虹灯、电弧焊等等。
图1.1给出了主要类型的等离子体的密度和温度的数值。
从密度为106个粒子/m3稀薄星际等离子体到密度为1025个粒子/m3的电弧放电等离子体，跨越近20个数量级。
其温度范围则从100K的低温到超高温核聚变等离子体的108～109K[2]。
1.1 各种等离子体的密度和温度1.2等离子体的分类等离子体可分为热力学平衡状态等离子体和非热力学平衡状态等离子体。
当电子温度Te与离子温度Ti及中性粒子温度Tn接近相等时，等离子体处于热力学平衡状态，称之为平衡等离子体(equilibrium plasma)或者热等离子体(thermal plasma)。
等离子密度单位
等离子密度单位
【原创版】
目录
1.等离子体简介
2.等离子密度的定义和单位
3.等离子密度的应用
4.总结
正文
一、等离子体简介
等离子体（Plasma）是一种由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的气体。
在等离子体中，电子和离子的数量几乎相等，因此整体上呈现出电中性。
等离子体在地球上的自然现象很常见，如闪电、太阳风等。
此外，等离子体在工业、医学和科研等领域也有广泛的应用。
二、等离子密度的定义和单位
等离子密度（Plasma Density）是指单位体积内等离子体中的离子数量。
其单位通常为“个/立方米”（个/m）或“个/升”（个/L）。
在等离子体物理学中，等离子密度是一个非常重要的参数，可以描述等离子体的性质和状态。
三、等离子密度的应用
1.工业领域：等离子密度在工业生产中具有广泛的应用，如等离子切割、等离子喷涂、等离子清洗等。
在这些应用中，等离子密度的大小直接影响到等离子体的导电性、能量传递和物质转移等性能。
2.医学领域：等离子体在医学领域也有许多应用，如等离子体凝血、等离子体灭菌、等离子体伤口愈合等。
这些应用中，等离子密度的精确控制对于疗效和安全性至关重要。
3.科研领域：在等离子体物理学研究中，等离子密度是一个关键参数，可以用来描述等离子体的动力学、热力学和输运过程等。
通过对等离子密度的研究，可以深入了解等离子体的基本性质和演化规律。
四、总结
等离子密度是描述等离子体中离子数量的一个重要参数，其单位通常为“个/立方米”或“个/升”。
等离子密度单位
等离子密度单位摘要：1.等离子密度概述2.等离子密度单位介绍3.常见等离子密度单位换算4.等离子密度在实际应用中的重要性5.总结正文：等离子体是具有高能量的带电粒子（如电子、离子）和中性粒子（如原子或分子）组成的物质。
在等离子体中，粒子之间的相互作用使得等离子体的物理性质与固体、液体和气体有很大不同。
等离子体密度是描述等离子体中粒子浓度的一个物理量，它在等离子体研究、制备和应用中具有重要作用。
等离子密度单位是描述等离子体中粒子数量的关键参数，它的单位通常采用米制单位（m^3）或者与国际单位制（IUPAC）推荐的单位（mol/m^3）相对应的物理量。
在实际应用中，等离子体密度的测量单位有多种，如粒子数密度、电子密度、离子密度等。
粒子数密度是指单位体积内粒子的数量，其单位为粒子数/立方米（particles/m^3）。
在等离子体物理中，粒子数密度通常用于描述等离子体的浓度。
例如，氢等离子体的粒子数密度可以达到10^23 particles/m^3。
电子密度是指单位体积内电子的数量，其单位为电子数/立方米（electrons/m^3）。
电子密度在等离子体诊断中具有重要意义，因为它与等离子体的电导率、电场强度等物理量密切相关。
例如，在低温等离子体中，电子密度可以达到10^18 electrons/m^3。
离子密度是指单位体积内离子的数量，其单位为离子数/立方米（ions/m^3）。
离子密度在等离子体化学和能源领域具有重要作用，如在燃料电池、电解水制氢等领域，离子密度会影响到反应速率和能量转换效率。
等离子体密度单位换算关系如下：1 mol/m^3 = 1000 mmol/m^31 mmol/m^3 = 1000 μmol/m^31 μmol/m^3 = 1000 nmol/m^3在实际应用中，等离子体密度测量和计算对于掌握等离子体的性质和变化规律具有重要意义。
例如，在等离子体炬、等离子体喷涂、等离子体炬焊接等领域，正确测量和调整等离子体密度可以帮助优化工艺参数，提高生产效率和产品质量。
1 等离子体概述
将 Boltzman 应用到电子密度：
′ = n∞ exp[eφ s /Te ] ne (1.26)
φs 是相对于无穷远处（ ∞ ）等离子体的固体电位。
由于电位的存在，离子被吸引流向负电位，假定 ni′ ~ n∞ ( Z i = 1) 。 [这 个假设仅仅近似正确。] 因此等离子体的整体电流密度为： 1 1 ′ve j = qi ni′vi + qe ne 4 4
(1.18)
这是因为每个电子（不考虑速度）具有一个电势能 −eφ 。结果导致了
一个相关性的自洽循环发生（图 1.5） 。 上述是等离子体一般理论的一个基本例子，需要关于电动力学的 Maxwell 方程组自洽解法和等离子体的质点动力学。
图 1.5 相关性的自洽循环
1.2.3 德拜屏蔽
与前面讨论的准中性稍稍有点不同，下面要介绍一个重要的物理特征 量：德拜长度。 假设我们将一个平板栅格放入等离子体，使它保持一个电位： φg 。
可知系统中总共有 g1 个微观状态，但是对应每个特定的能量 E1 ，我们要弄 清楚的是，对应于 S1 系统中的一个微观状态，复合系统中存在多少个微观 状态。 显然它等于系统 2 中的微观状态个数。因此，为了表示 S1 系统中两个 微观状态的能量值， 我们来比较能量值 E A 和 EB ， 作为复合系统 S1 A 和 S1B 中 微观状态个数的比例：
这是一个难解的非线性方程，但是在远离栅格处 | eφ /Te | << 1 ，因此 我们可以运用泰勒表达式： exp
eφ eφ 1 + 。所以： Te Te (1.23)
e 2 n∞ d 2φ en∞ e = φ = φ ε 0 Te ε 0Te dx 2
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目前一些半导体设备制造公司已经研制出或正在 研制这种等离子体刻蚀设备，如： 1）美国的Lam（泛林）公司 2)美国Applied Materials公司 3)日本Tokyo Electron 4)中微(上海)半导体设备制造有限公司(AMEC )
DF-CCP sources
SCCM-TE (TEL)
备。
1）半导体芯片加工 2）微电机系统（MEMS)加工 3）平板显示器的加工 4）衍射光栅的制备
微结构
微齿轮
等离子体刻蚀工艺的趋势
集成电路发展趋势:
•加工晶圆的面积更大 •特征尺寸越来越小 •集成度越来越高
对等离子体源的要求:
高的刻蚀率 •高度的均匀性 •高度的各向异性 •高度的选择性 •较低的介质损伤
27MH/1MHz, 27MH/2MHz，60MHz/2MHz？ 2）两个电源的施加方式，
施加在同一个电极，还是分别在两个电极？ 3）高频电源的频率到达多高为好？
驻波效应？如何匹配电源的频率和腔室的半径？
Typical operating conditions for dielectric etching on 200-300 mm silicon wafers are:
Method for suppressing standing-wave nonuniformity
Exelan-CFE (Lam)
Enalber (AMT)
D92 SAC Etcher
~ 60MHz
D92 SiN mask Etcher
-
CCP 4.5cm, 30mT
▶ Uniformity : - Dual cathode
2MHz
~ 13.56MHz
▶ Narrow Dual-CCP : 2.0cm, 40mT
量分布。
感应耦合等离子体(ICP)源的特点
特点
解决的问题
•工作气压低( < 2Pa )
•提高各向异性刻蚀
•等离子体密度高(1011 cm-3~1012cm-3)
•提高离子流密度 •提高刻蚀率
•产生等离子体的射 频源与基片台射频源 独立控制
•提高刻蚀的选择性 •降低晶圆介质损伤
问题： 1）适于刻蚀金属、半导体材料； 2）产生大面积的均匀性等离子体比较困难。
均匀性
刻蚀的均匀性包含两层意思： 1）宏观的不均匀性：在晶片的径向上造成的刻蚀率和刻蚀剖 面的不均匀 性。 2）微观不均匀性：在每个微槽的底部和侧面造成的刻蚀不均匀性。
等离子体密度
0
R
为了适应纳电子器件的制备工艺，必须要： 1）提出大面积、高密度、均匀等离子体的新方法； 2）提出优化刻蚀工艺的新方法。
▶ PR Selectivity : Heated top electrode
▶ VHF Dual-CCP : Very High Freq. 3.2cm, 30mT
▶ High E/R & PR Sel. :
目前对这种双频CCP放电的物理过程和相应的刻蚀 机理，仍有很多问题需要研究, 如： 1）两个电源的频率匹配问题，
500-3000 W discharge pressure p ~30-300 mTorr
驻波效应：
在超高频情况下，电磁波的波长l可以与放电装置的反应腔 室（或电极半径）R相当，从而可以在等离子体腔室内部激 发一个径向传播的电磁波，即驻波，引起等离子体密度径向 不均匀性。这对芯片刻蚀的均匀性影响很大。
根据熟知的定标关系可知：等离子体密度正比于驱 动电源频率的平方和施加的偏压，即
n 2Vrf
当电源频率w一定时, 要提高等离子体密度，唯一 的途径是增加施加偏压。但增加施加的射频偏压时， 轰击到晶片上的离子能量也随着增加。太高的离子能 量，将对晶片造成不必要的介质损伤。
早期使用的都是单一频率射频电源（13.56MHz)驱 动放电的CCP源，很难实现对等离子体密度（正比于 刻蚀率）和入射到晶片上离子的能量分布的独立控制。
实验 (或工艺) 研究 计算机仿真模拟
二、几种有代表性的等离子体刻蚀源
1、平板式是射频容性耦合等离子体(CCP)源
进气
开始于上个世纪70年
代，主要用于反应性
等离子体刻蚀工艺。
介质
plasma
抽气
电极
RF power 13.56MHz
单频CCP源的主要优点： 1.工作气压比较低（mTorr) 2.能够产生比较均匀的plasma 3.结构简单，造价低 .
4、双频电容耦合等离子体（DF-CCP)源
Upper electrode
Plasma
lower electrode
LF source
HF source
DF-CCP 源
（2000年---）
1）高频电源控制等离子 体密度、低频电源控制 离子的能量。
2）产生高密度、大面积 均匀等离子体；
3)实现对绝缘体SiO2的刻 蚀。
内容
一、等离子体刻蚀技术的发展趋势及存在的问题 二、几种有代表性的等离子体源 三、描述 DF-CCP物理过程的解析模型 四、描述 DF-CCP物理过程的混合模型 五、直流偏压效应 六、有关实验工作进展
一、等离子体刻蚀技术的发展趋势及问题
低温等离子体刻蚀技术在微纳制造工艺中得到广泛地应 用，如超大规模集成电路、微机械系统、微光学系统的制
2、微波电子回旋共振(ECR)/RF偏压等离子体刻蚀源
3、射频感应耦合等离子体( ICP)/RF偏压刻蚀源
平面线圈感应耦合等离子体源
coil
wafer
RF biased electrode Insulating plate
主电源（连接在线圈）控制等离子体的状态； 偏压电源（施加在芯片台上）控制离子轰击晶片上的能
discharge radius: R~15-25 cm plate separation l~1-5cm high frequency fh ~27.1-160 MHz low frequency fl ~ 2-13.6 MHz high-frequency voltage amplitude |Vh| ~250-1000 V low-frequency voltage amplitude |Vl| ~500-3000 V powers for both low- and high-frequency sources: