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等离子体 等离子体是和固体、液体、气体同一层次的一种物质存在形态，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，又被称为电浆。其最特出的特征是： Coulomb Van der Waals 。可以同时存在中性原子、分子或由更多分子集团组成的微粒（如尘埃微粒、 cluster、等）。

 等离子体的简介 含有足够数量的自由带电粒子,有较大的电导率,其运动主要受电磁力支配的 物质状态。等离子体由带正电的离子和带负电的电子，也可能还有一些中性的原 子和分子所组成。等离子体在宏观上一般是电中性的，即它所含有的正电荷和负 电荷几乎处处相等。由于带电粒子之间的作用主要是长程的库仑力，每个粒子都 同时和周围很多粒子发生作用，因此等离子体在运动过程中一般表现出明显的集 体行为。等离子体的性质不同于固体、液体和气体，常称为物质的第四态。

闪电、极光等是地球上的天然等离子体的辐射现象。电弧、日光灯中发光的 电离气体，以及实验室中的高温电离气体等是人造的等离子体。 在地球以外，如围绕地球的电离层、太阳及其他恒星、太阳风、很多种星际 物质，都是等离子体。天然的等离子体在地球上虽不多见，但在宇宙间却是物质 存在的主要形式，它占宇宙间物质总量的绝大部分。

 等离子体的获得方式 等离子体由自然产生的称为自然等离子体(如北极光和闪电)，由人工产生的称为实验室等离子体。实验室等离子体是在有限容积的等离子体发生器中产生的。如果环境温度较低，等离子体能够通过辐射和热传导等方式向壁面传递能量，因此，要在实验室内保持等离子体状态，发生器供给的能量必须大于等离子体损失的能量。不少人工产生等离子体的方法（如爆炸法、激波法等）产生的等离子体状态只能持续很短时间（10□～10□秒左右），而有工业应用价值的等离子体状态则要维持较长时间（几分钟至几十小时）。能产生后一种等离子体的方法主要有：直流弧光放电法、交流工频放电法、高频感应放电法、低气压放电法（例如辉光放电法）和燃烧法。前四种放电都用电学手段获得，而燃烧则利用化学手段获得。

 等离子体的条件 空间尺度要求 ：等离子体线度远大于德拜长度 lD<< L 时间尺度要求：等离子体碰撞时间、存在时间远大于特征响应时间 t >> tp 集合体要求：在德拜球中粒子数足够多，具有统计意义 ND ＝ ne (4 plD3 /3 ) >> 1  等离子体的分类 等离子体按其电子温度10000℃为界，分为高温等离子体和低温等离子体。 高温等离子体是高于10000℃的等离子体，如聚变、太阳核心 低温等离子体是低于10000℃的等离子体，分为： 冷等离子体Te≠Ti, Ta，如极光、日光灯 热等离子体Te＝Ti, Ta，如电弧、碘钨灯  等离子体的应用 1 冷等离子体应用 等离子体的化学过程：刻蚀、化学气相沉积（成膜） 等离子体材料处理：表面改性、表面冶金 光源：冷光源（节能） 典型应用： 特征类金刚石表面制造 实验室与日本原子力所先进科学研究中心合作，开展了非平衡薄膜表面制造的研究，成功第地制备了纳米尺度的针状表面、波纹表面，树枝状表面、正弦表面等表面结构，其中波纹表面，是应用薄膜生长过程的自组织过程中直接形成的。

毫米级厚金刚石片制备研究 应用PCVD方法开展金刚石模制备研究开展了多年，对制备过程中物理化学及工艺过程进行了系统研究。可以稳定地制备高质量毫米量级厚度的金刚石片，并用金刚石膜加工成金刚石电子热沉片，热导率高达7.6W/(k·cm)，可用于大功率电子器件。

2 热等离子体应用 高温加热：冶金、焊接、切割 材料合成、加工 陶瓷烧结、喷涂、三废处理 光源：强光源 3 等离子体军事及高技术应用 军事应用：等离子体天线、等离子体隐身、等离子体减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵 高技术：大功率微波器件、X射线激光、强流束技术、等离子体推进 溅射工艺是以一定能量的粒子（离子或中性原子、分子）轰击固体表面，使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面的工艺。溅射只能在一定的真空状态下进行。

以一定能量的粒子（离子或中性原子、分子）轰击固体表面，使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面的工艺。溅射只能在一定的真空状态下进行。 溅射用的轰击粒子通常是带正电荷的惰性气体离子，用得最多的是氩离子。氩电离后，氩离子在电场加速下获得动能轰击靶极。当氩离子能量低于5电子伏时,仅对靶极最外表层产生作用，主要使靶极表面原来吸附的杂质脱附。当氩离子能量达到靶极原子的结合能（约为靶极材料的升华热）时，引起靶极表面的原子迁移，产生表面损伤。轰击粒子的能量超过靶极材料升华热的四倍时，原子被推出晶格位置成为汽相逸出而产生溅射。对于大多数金属，溅射阈能约为10～25电子伏。 溅射产额，即单位入射离子轰击靶极溅出原子的平均数，与入射离子的能量有关。在阈能附近溅射，产额只有10-5～10-4个原子/离子，随着入射离子能量的增加，溅射产额按指数上升。当离子能量为103～104电子伏时，溅射产额达到一个稳定的极大值;能量超过104

电子伏时，由于出现明显的离子注入现象而导致溅射产额下降。溅射产额还与靶极材料、原子结合能、晶格结构和晶体取向等有关。一般说来，单金属的溅射产额高于它的合金；在绝缘材料中，非晶体溅射产额最高，单晶其次，复合晶体最低。 溅射工艺主要用于溅射刻蚀和薄膜淀积两个方面。溅射刻蚀时，被刻蚀的材料置于靶极位置，受氩离子的轰击进行刻蚀。刻蚀速率与靶极材料的溅射产额、离子流密度和溅射室的真空度等因素有关。溅射刻蚀时，应尽可能从溅射室中除去溅出的靶极原子。常用的方法是引入反应气体，使之与溅出的靶极原子反应生成挥发性气体，通过真空系统从溅射室中排出。 淀积薄膜时，溅射源置于靶极，受氩离子轰击后发生溅射。如果靶材是单质的，则在衬底上生成靶极物质的单质薄膜；若在溅射室内有意识地引入反应气体，使之与溅出的靶材原子发生化学反应而淀积于衬底，便可形成靶极材料的化合物薄膜。通常，制取化合物或合金薄膜是用化合物或合金靶直接进行溅射而得。在溅射中，溅出的原子是与具有数千电子伏的高能离子交换能量后飞溅出来的，其能量较高，往往比蒸发原子高出1～2个数量级，因而用溅射法形成的薄膜与衬底的粘附性较蒸发为佳。若在溅射时衬底加适当的偏压，可以兼顾衬底的清洁处理，这对生成薄膜的台阶覆盖也有好处。另外，用溅射法可以制备不能用蒸发工艺制备的高熔点、低蒸气压物质膜，便于制备化合物或合金的薄膜。溅射主要有离子束溅射和等离子体溅射两种方法。离子束溅射装置中，由离子枪提供一定能量的定向离子束轰击靶极产生溅射（图1）。离子枪可以兼作衬底的清洁处理(位置1)和对靶极的溅射(位置2)。为避免在绝缘的固体表面产生电荷堆积，可采用荷能中性束的溅射。中性束是荷能正离子在脱离离子枪之前由电子中和所致。离子束溅射广泛应用于表面分析仪器中，对样品进行清洁处理或剥层处理。由于束斑大小有限，用于大面积衬底的快速薄膜淀积尚有困难。

溅射工艺 等离子体溅射也称辉光放电溅射。产生溅射所需的正离子来源于辉光放电中的等离子区。靶极表面必须是一个高的负电位，正离子被此电场加速后获得动能轰击靶极产生溅射，同时不可避免地发生电子对衬底的轰击。 二极溅射是最简单的等离子体溅射装置。两个平行板电极间加上一个直流高电压：阴极为靶极，阳极为衬底。为使这种自持辉光放电保持稳定，除两极板间须保持一定电压外，极板间距和气体压强的大小也很重要。在两极板间距为数厘米的正常溅射间距下，放电气压一般高达10帕。在这样的气压下，粒子的平均自由程很短，对溅射不利。为保持更低气压下的溅射，可采用非自持放电，常用的是热电子激发法。直流四极溅射就是在原有的二极溅射设备上附加一对热灯丝和阳极组成的。从灯丝发出的强大电子流在流向阳极的途中，使处于低气压的氩气分子大量电离，从而提供足够的离子。这可使溅射在10-1～10-2帕的低气压下进行。外加磁场可使电子电离气体的效率增加。 对于绝缘体靶的溅射，必须采用高频溅射方法。在靶极上施加高频电压，气体击穿后等离子体中的电子和离子将在靶极高频电场的作用下交替地向靶极迁移。电子的迁移率比离子高得多。频率很高时，离子向靶极的迁移就会跟不上高频信号的频率变化。因为靶是绝缘的，靶极回路净电流必须保持为零。为此，必须在靶极表面维持一个负电势,用以抑制电子向靶极的迁移,同时加速正离子的迁移，使流向靶极的电子数与离子数相等。正是这一负电势加速氩离子，使绝缘靶的溅射得到维持。为使这一负电势保持足够的数值，靶上的高频电压的频率必须足够高。频率过高，高频损耗增大且难于匹配。常用的频率约为13.56兆赫。 等离子体溅射突出的问题是溅射速率低、衬底温度升高。从靶极发出的溅射原子流为E＝Sj+。式中S为溅射产额,j+为轰击靶极的离子流密度。在S 确定以后,提高溅射速率必须增加离子流密度。另外,降低衬底温升,必须防止高能二次电子对衬底的轰击。磁控溅射能解决这两个问题。磁控溅射利用高频磁控管的原理，在溅射室中引入一个与电场方向正交的磁场。在此磁场的控制下，电子局限于靶极附近并沿螺旋形轨道运动，大大提高电子对氩原子的电离效率，增加轰击靶极的离子流密度j+，实现快速的大电流溅射。同时，又能避免电子直接向衬底加速，降低衬底的温升。磁控溅射有直流和高频两类。按结构又有同轴型、平面型和S枪等多种类型。图2为一平面型磁控溅射装置，图中虚线表示磁场方向。靶极上出现不均匀侵蚀，会使磁控溅射靶材利用率降低。