種子激活改性設(shè)備中射頻電源的應(yīng)用研究

張波

摘 要：放電電源的選用對(duì)于種子激活改性設(shè)備的研制至關(guān)重要，敘述了射頻電源在等離子體種子激活改性設(shè)備中的重要性，在列舉了射頻電源應(yīng)用的懸浮電極和屏蔽電場(chǎng)兩項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了射頻電源非工作區(qū)的屏蔽。射頻電源將廣泛應(yīng)用于等離子體激活改性設(shè)備。

關(guān)鍵詞：電極；等離子體；放電；裝置

中圖分類(lèi)號(hào)：S330 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）10（c）-0000-00

利用等離子體高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)改性處理已越來(lái)越為人們所認(rèn)可[1]，研制和開(kāi)發(fā)等離子體改性的工業(yè)化設(shè)備也越來(lái)越受到重視。等離子體改性設(shè)備中的一個(gè)最重要的配件就是通過(guò)氣體放電產(chǎn)生等離子體的放電電源。

1 射頻電源在等離子體種子激活改性設(shè)備中的重要性

通常所用的電源按頻率分類(lèi)可分為：直流電源、低頻電源、射頻電源和微波等[2-4]。如果是采用直流電源，則為了防止電弧的形成而需要使用限流電阻器，對(duì)不同的氣體和不同的工作條件，都要改變限流電阻阻值，因此難以調(diào)控，而且限流電阻本身也消耗電功率；對(duì)于低頻電源：由于激發(fā)頻率低，交變周期長(zhǎng)，比等離子體存在的時(shí)間大，因而，在每半周期內(nèi)等離子體變暗或熄滅，極不穩(wěn)定；微波電源雖然頻率高，等離子體穩(wěn)定，反應(yīng)活性大，但對(duì)于大體積等離子體反應(yīng)室而言，不僅微波電源價(jià)格昂貴，而且難以獲得均勻的等離子體。所以在產(chǎn)生等離子體的低氣壓輝光放電中通常采用射頻電源[5]。

等離子體表面改性設(shè)備使用電源的原則是使等離子體中的活性粒子在電場(chǎng)作用下盡可能獲得更多的能量，相互進(jìn)行能量交換，尤其是發(fā)生非彈性碰撞。帶電粒子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)速率（U）和帶電粒子本身的遷移率（K）及電場(chǎng)強(qiáng)度（E）有關(guān)（U=KE），一般來(lái)說(shuō)，離子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的幾千倍，離子在電場(chǎng)方向的移動(dòng)距離非常小，所以常視為靜止，而主要是電子的運(yùn)動(dòng)。在低氣壓輝光放電的等離子體改性設(shè)備中通常使用的射頻電源的頻率是13.56 Mhz ，由于其頻率十分高，電子在快速的交變電場(chǎng)中往返振蕩，不斷的加速運(yùn)動(dòng)就會(huì)從電場(chǎng)中獲得更多的能量，并將其能量轉(zhuǎn)換給其他粒子，又產(chǎn)生新的粒子和光子等。在這樣高頻電場(chǎng)的作用下，等離子體中活性粒子的熄滅時(shí)間比激發(fā)的半周期時(shí)間大得多，因此等離子體非常穩(wěn)定，反應(yīng)活性也非常強(qiáng)。另外，引進(jìn)射頻電源的兩片電極，只是產(chǎn)生高速變化的交變強(qiáng)電場(chǎng)，提供電子在電場(chǎng)中獲取能量，而并非有傳導(dǎo)電流通過(guò)（甚至在玻璃反應(yīng)室的情況，還可以無(wú)極放電），因此，電極本身不會(huì)過(guò)度加熱。同時(shí)，不論等離子體反應(yīng)室體積大小，使用射頻電源都可以獲得均勻的等離子體工作區(qū)。但是等離子體改性設(shè)備使用射頻電源也有不利之處：（1）需要一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)射頻等離子體的入射功率和反射功率，使電源的阻抗與等離子體阻抗相匹配。（2）由于射頻電源的頻率十分高，因而電源開(kāi)啟時(shí)對(duì)其他部件的干擾十分強(qiáng)烈，或者在非工作區(qū)放電，以至于影響等離子體的改性效果，射頻的泄漏還會(huì)危害人體健康。

2 射頻電源應(yīng)用的兩項(xiàng)技術(shù)

（1）懸浮電極

射頻電源的輸出兩端連接在兩塊電極上，為使阻抗匹配更好，兩根引線盡可能等長(zhǎng)，并且反應(yīng)室內(nèi)所有導(dǎo)電部件不與外殼相連（一般情況下，外殼是與地相通的），如果有一電極與外殼相連，則存在兩個(gè)弊端：① 不僅是電極之間放電，而且電極還要與外殼放電，形成非工作區(qū)的放電，損耗電源功率。②由于一個(gè)電極與外殼相連，則與外殼相連的那個(gè)電極的導(dǎo)電表面積將大大地大于另一個(gè)電極，等離子體產(chǎn)生之后，在表面積上的等離子體鞘形成的負(fù)電位也將相差懸殊，形成巨大的自偏壓，從而使放電中的直流成分增加，影響等離子體處理效果。

（2）屏蔽電場(chǎng)

放電電極即使不與外殼相連，由于射頻電源感應(yīng)效應(yīng)，電極也可能與外殼局部放電，產(chǎn)生等離子體非工作區(qū)，為此，在電極與外殼之間設(shè)置一懸浮的金屬板，從而阻斷其產(chǎn)生電場(chǎng)的可能，起了屏蔽電場(chǎng)的作用，達(dá)到預(yù)定的效果。

3 射頻電源非工作區(qū)屏蔽

當(dāng)外加頻率足夠高時(shí)，振蕩周期將可以與電子或離子（特別是離子）跨越等離子體和電極間的鞘層所需的時(shí)間相比擬，在這樣的射頻下（RF），注入功率與等離子體的互作用幾乎完全受位移電流而不是實(shí)在電流支配，因而物理過(guò)程就完全不同了。射頻電源最重要的優(yōu)點(diǎn)之一是：它與等離子體的互作用是通過(guò)位移電流而不是傳導(dǎo)電流，因而無(wú)需電極與等離子體相接觸即可實(shí)現(xiàn)互作用，特別是產(chǎn)純度的控制是一重要因素時(shí)，電極引起的污染是一嚴(yán)重的缺點(diǎn)，沒(méi)有攜帶電流的電極與等離子體相接觸，還可改善其可靠性，生產(chǎn)重復(fù)性，等離子體反應(yīng)器本身壽命及產(chǎn)品質(zhì)量。

沉積在等離子體內(nèi)的RF功率轉(zhuǎn)換為位移電流，不是真的電流。這意味著更少的電子和離子轟擊電極；通過(guò)真空室壁功率耦合較少；電極加熱較少；沒(méi)有或者弱得多的直流電弧電極噴注；較低的損失和壁復(fù)合，這些都是因?yàn)閺牡入x子體中丟失電子和離子的減少機(jī)制。

通常，已經(jīng)證實(shí)RF產(chǎn)生的等離子體比等效DC或AC等離子體可更穩(wěn)定地運(yùn)行，特別是電極效應(yīng)方面和它可以在沒(méi)有某些DC或AC放電中出現(xiàn)的那種放電模式的躍變。RF等離子體可提供比具有相同電子密度的等效DC或 AC等離子體源更高的電子動(dòng)力學(xué)溫度，這將有利于需要增加自由基的場(chǎng)合，如等離子體化學(xué)反應(yīng)或分解，以及電離反應(yīng)。RF產(chǎn)生的等離子體常常比具有相同體積和密度的等效 DC或AC等離子體有更高的電氣效率，部分原因是它們有更低的電極損失。鑒于以上的這種優(yōu)點(diǎn)，研制的大型冷等離子體改性設(shè)備就采用射頻（RF）電源作為工作電源。但是，對(duì)設(shè)備外殼采用金屬時(shí)，就必須對(duì)殼體進(jìn)行接地屏蔽，防止射頻（RF）泄漏而對(duì)人體產(chǎn)生危害。這就勢(shì)必帶來(lái)工作電極對(duì)地（即非工作區(qū)）放電問(wèn)題。

因?yàn)樵谏漕l（RF）輸出端為電感耦合，其原邊的一端為地，因?yàn)轳詈系脑恚梢钥隙ǖ恼f(shuō)，其副邊的兩端都會(huì)對(duì)地放電。即使采用后的絕緣層隔離，都很難阻止極板對(duì)地的放電現(xiàn)象。這就造成了很大的功耗，使工作區(qū)的工作體無(wú)法正常被加工。而且，由于極板的對(duì)地放電，造成兩板的不平衡（在瞬間可以視作地加電極對(duì)另一電極）則兩極面積不對(duì)稱(chēng)而產(chǎn)生自偏壓。這對(duì)等離子體化學(xué)反應(yīng)或分解以及電離是極為不利的。為此，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，找到了克服這種現(xiàn)象的根本措施——懸浮屏蔽法。所謂懸浮屏蔽法就是在電極和地之間采用金屬板隔離，（該金屬板為懸浮狀態(tài)）阻斷其產(chǎn)生交變電場(chǎng)的可能。這樣，在電極之間產(chǎn)生的正常的輝光放電，自偏壓亦很低（≤80V），各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能達(dá)到預(yù)期的要求。

4 總結(jié)

通過(guò)與直流電源、低頻電源和微波電源應(yīng)用對(duì)比分析，低氣壓輝光放電等離子體采用射頻電源優(yōu)勢(shì)明顯。通過(guò)射頻電源應(yīng)用是懸浮電極和屏蔽電場(chǎng)二項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，將擴(kuò)展射頻電源在各類(lèi)等離子體激活改性設(shè)備中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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