高电压新技术.ppt

高电压新技术——气体放电与应用华中科技大学电气学院夏胜国2010.12引言1.Coulomb（1785）：研究孤立绝缘导体上电荷的消失现象非自持放电现象2.Petrov（1803）：发现电极接触-分离法形成电弧3.Faraday（1831-1835）：发现低气压辉光放电，1Torr，1000V4.Crook and Thomson（19世纪末期到20世纪初）：阴极射线实验，电子e/m的测量，证实电子的存在引发原子结构的研究，导致现代物理学的建立5.Townsend（20世纪初）：建立气体放电汤生理论，标志着气体放电学科的建立6.大量的研究者进行大量的汤生放电实验工作，积累大量的电子-原子碰撞截面值，电子和离子的漂移速度值，电子-离子复合系数值等正式这些实验成果形成了气体放电物理学研究的基础7.Langmuir and Tonks（1928）：提出“等离子体”这一名词：Plasma从此与气体放电紧密相关的新的学科-等离子体科学登上了历史舞台8.Loeb and Meek：1940年建立流注放电理论进一步完善了气体放电理论9.迄止目前，越来越多的放电应用……第一部分 气体放电基础1.典型的气体放电2.气体放电理论模型3.气体放电物理基础——元过程典型的气体放电实验装置气体放电的全伏安特性直流放电的类型1.辉光放电辉光放电：低气压(1~10Torr)，外电路阻抗大，电流10-6～10-1A2.弧光放电：弧光放电：高气压(~1atm)，外电路阻抗小，电流>1A3.火花放电：火花放电：高气压(~1atm)，放电间隙较长(>10cm)4.电晕放电：电晕放电：强不均匀场中发生的特殊的放电汤生放电理论J.S.Townsend,1868~1957, 英国英国§αα作用－电子产生的电离倍增（电子雪崩）§γ作用－离子轰击阴极时二次电子的出射效应阴极阴极阳极阳极电场电场 E电子电子分子分子离子离子二次电子发射二次电子发射电离倍增作用电离倍增作用（（αα作用）作用）（（γγ 作用）作用）汤生自持放电条件汤生自持放电条件帕邢定律Paschen,1865~1947,德国德国帕邢定律的内容帕邢定律的内容：气体击穿电压由气体压强 p 和电极间距d的乘积( pd )所决定，并有极小值。

汤生理论对帕邢定律的解释汤生理论对帕邢定律的解释9流注气体放电理论n说说明明工工程程上上感感兴兴趣趣的的压压力力较较高高和和气气隙隙间间距距较较长长气气体体的的击击穿穿，，如如大大气气压压力力下下空空气气的的击击穿穿n特特点点：：认认为为电电子子碰碰控控电电离离及及空空间间光光电电离离是是维维持持自自持持放放电电的的主主要要因因素素，，并并强强调调了了空空间间电荷畸变电场的作用电荷畸变电场的作用 n流注理论的放电原理流注理论的放电原理 10流注理论的发展阶段n电子崩阶段电子崩阶段 空间电荷畸变外电场空间电荷畸变外电场 n流注阶段流注阶段 光电离形成二次电子崩，等离子体光电离形成二次电子崩，等离子体 111. 电子崩阶段n电子崩外形：电子崩外形：好似球头的锥体，空间电荷分布极不均匀好似球头的锥体，空间电荷分布极不均匀 例例如如，，正正常常大大气气条条件件下下，，若若E＝＝30kV／／cm，，则则   11cm-1，，计算得随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数计算得随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数12n空间电荷畸变外电场空间电荷畸变外电场 大大大大加加强强了了崩崩头头及及崩崩尾尾的的电电场场，，削削弱弱了了崩崩头头内内正正、、负负电荷区域之间的电场电荷区域之间的电场 电电子子崩崩头头部部：：电电场场明明显显增增强强，，有有利利于于发发生生分分子子和和离离子子的的激激励励现现象象，，当当它它们们回回复复到到正正常常状状态态时时，，放放射射出光子出光子崩崩头头内内部部正正、、负负电电荷荷区区域域：：电电场场大大大大削削弱弱，，有有助助于于发发生生复复合合过过程程，，发发射射出出光子光子132. 流注阶段n当当电电子子崩崩走走完完整整个个间间隙隙后后，，大大密密度度的的头头部部空空间间电电荷荷大大大大加加强强了了后后部部的的电电场场，，并并向向周周围围放放射射出出大量光子大量光子n光光子子引引起起空空间间光光电电离离，，在在受受到到畸畸变变而而加加强强了了的的电电场场中中，，造造成成了了新新的的电电子崩，称为二次电子崩子崩，称为二次电子崩 光电离、二次电子崩光电离、二次电子崩1—主电子崩 2—二次电子崩3—流注14正流注的形成n二二次次电电子子崩崩中中的的电电子子进进入入主主电电子子崩崩头头部部的的正正空空间间电电荷荷区区（（电电场场强强度度较较小小）），，大大多多形形成成负负离离子子。

大大量量的的正正、、负负带带电电质质点点构构成成了了等等离离子子体体，，这这就就是是正流注正流注 n流流注注通通道道导导电电性性良良好好，，其其头头部部又又是是二二次次电电子子崩崩形形成成的的正正电电荷荷，，因因此此流流注注头头部部前前方方出出现现了了很很强强的电场的电场1—主电子崩2—二次电子崩3—流注15正流注向阴极推进n流流注注头头部部的的电电离离放放射射出出大大量量光光子子，，继继续续引引起起空空间间光光电电离离流流注注前前方方出出现现新新的的二二次次电电子子崩崩，，它它们们被被吸吸引引向向流流注注头头部部，，延延长长了了流流注注通通道道n流流注注不不断断向向阴阴极极报报进进，，且且随随着着流流注注接接近近阴阴极极，，其其头头部部电电场场越越来来越越强强，，因因而而其其发发展也越来越快展也越来越快n流流注注发发展展到到阴阴极极，，间间隙隙被被导导电电良良好好的的等等离离子子通通道道所所贯贯通通，，间间隙隙的的击击穿穿完完成成，，这这个电压就是击穿电压个电压就是击穿电压 16自持放电条件一一旦旦形形成成流流注注，，放放电电就就进进入入了了新新的的阶阶段段，，放放电电可可以以由由本本身身产产生生的的空空间间光光电电离离而而自自行行维维持持，，即即转转入入自自持持放放电电了了。

如如果果电电场场均均匀匀，，间间隙隙就就将将被被击击穿穿所所以以流流注注形形成成的的条条件件就就是是自自持持放放电电条条件件，，在在均均匀匀电电场场中中也也就就是是导导致致击击穿穿的条件的条件自持放电的条件：自持放电的条件：17流注理论对pd很大时放电现象的解释 1．放电外形．放电外形 Pd很大时，放电具有通道形式很大时，放电具有通道形式 当当某某个个流流注注由由于于偶偶然然原原因因发发展展更更快快时时，，将将抑抑制制其其它它流流注注的的形形成成和和发发展展，，并并且且随随着着流流注注向向前前推推进进而而越越来来越越强烈强烈 二二次次电电子子崩崩在在空空间间的的形形成成和和发发展展带带有有统统计计性性，，所所以以火花通道常是曲折的，并带有分枝火花通道常是曲折的，并带有分枝2．．放放电电时时间间 光光子子以以光光速速传传播播，，所所以以流流注注发发展展速速度度极极快快，，这就可以说明这就可以说明pd很大时放电时间特别短的现象很大时放电时间特别短的现象3．．阴阴极极材材料料的的影影响响 根根据据流流注注理理论论，，维维持持放放电电自自持持的的是是空空间间光光电电离离，，而而不不是是阴阴极极表表面面的的电电离离过过程程，，这这可可说说明明为何很大为何很大Pd下击穿电压和阴极材料基本无关了下击穿电压和阴极材料基本无关了18在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片正流注的发展速度约为正流注的发展速度约为1 108 2 108cm/s气体放电元过程1.参与气体放电的粒子参与气体放电的粒子：电子、离子（＋，－）、中性粒子（原子、分子）、光子2.粒子之间的碰撞粒子之间的碰撞：气体放电所表现出来的全部现象都不过是这些粒子之间的碰撞的结果。

3.在电场中电子优先获得能量在电场中电子优先获得能量4.电子碰撞的种类电子碰撞的种类：高能电子通过碰撞引起物理化学反应正是这些物理化学反应决定了气体放电的性质碰撞一般分为弹性碰撞、非弹性碰撞后者包括电离、激发、复合等1.辉光放电2.电弧放电3.电晕放电4.火花放电5.介质阻挡放电6.射频放电7.微波放电8.……第二部分 各种常用的气体放电辉光放电（压强约1Torr）辉光放电各部分发光颜色分布气体阴极区负辉光正柱区氦气红绿紫红氖气黄 橙红氮气粉红蓝红朗缪尔(Irving Langmuir,1932年Nobel化学奖)1928年朗缪尔在研究辉光放电时将正柱区中的电离气体取名为“等离子体”(Plasma)他的合作者Tonks在他的一篇论文(Am. J. Phys. ,35(1967), p. 857)中，这样生动地讲述了这个名称的由来：Langmuir came into my room in the General Electric Research Laboratory one day and said ” Say, Tonks, I’m looking for a word. In these gas discharges we call the region in the immediate neighborhood of the wall or an electrode a sheath, and that seems to be quite appropriate; but what should we call the main part of the discharge? …there is complete space-charge neutralization. I don’t want to invent a word, but it must be descriptive of this kind of region as distinct from a sheath. What do you suggest?”My reply was classic “ I’ll think about it, Dr. Langmuir.”The next day Langmuir breezed in and announced, “I know what we call it ! We’ll call it the plasma.” The image of blood plasma immediately came to mind: I think Langmuir even mentioned blood.1.冷阴极电子发射，主要依靠正离子轰击阴极产生二次发射电子2.阴极附近有正空间电荷层和一个较大的阴极势降3. 从负辉区流人阴极区域的正离子，受鞘层电场加速后与阴极碰撞，引起二次电子逸出(γ作用)。

这些二次电子又在鞘层电场的加速作用下向阳极方向运动，成为高能量的电子束，从而引发电离(α作用)也就是说，辉光放电是在鞘层电场的基础上由γ作用和α作用所共同维持的直流辉光放电的基本特征直流辉光放电的基本特征辉光放电的特性参数大气压辉光放电大气压下辉光放电的困难§辉光放电的实验表明：若保持电流不变，电流密度： 即：电流通道的横截面积将随着气压的增大而急剧减小§因此当大气压下气体间隙击穿时通常看到的是丝状放电（也称流注）及其进一步的发展－－电弧放电为了在高气压下不产生丝状放电，必须需控制电子雪崩地放大以免它增长过快高气压辉光放电均匀措施1) 预电离预电离一般要求预电离电子密度为104～108cm－32) 陡脉冲陡脉冲电弧放电 n减减小小外外回回路路中中的的阻阻抗抗，，则则电电流流增增大大，，电电流流增增大大到到一一定定值值后后，，放放电电通通道道收收细细，，且且越越来来越越明明亮亮，，管管端端电电压压则则更更加加降降低低，，说说明明通通道道的电导越来越大的电导越来越大n电电弧弧通通道道和和电电极极的的温温度度都都很很高高，，电电流流密密度度极大，电路具有短路的特征极大，电路具有短路的特征 电晕放电 n电电极极曲曲率率半半径径很很小小或或电电极极间间距距离离很很远远，，即即电电场场极极不不均均匀匀，，则则当当电电压压升升高高到到一一定定值值后后，，首首先先紧紧贴贴电电极极在在电电场场最最强强处处出出现现发发光光层层，，回回路路中中出出现现用用一一般般仪仪表表即即可可察察觉觉的的电电流流。

随随着着电电压压升升高高，，发发光光层层扩扩大大，，放放电电电电流流也也逐渐增大逐渐增大n发发生生电电晕晕放放电电时时，，气气体体间间隙隙的的大大部部分分尚尚未未丧丧失失绝绝缘缘性性能能，，放放电电电电流流很很小小，，间间隙隙仍仍能能耐受电压的作用耐受电压的作用 刷状放电 n电电场场极极不不均均匀匀情情况况下下，，如如电电压压继继续续升升高高，，从从电电晕晕电电极极伸伸展展出出许许多多较较明明亮亮的的细细放放电电通通道，称为刷状放电道，称为刷状放电 n电电压压再再升升高高，，根根据据电电源源功功率率而而转转入入火火花花放放电或电弧放电，最后整个间隙被击穿电或电弧放电，最后整个间隙被击穿n如如电电场场稍稍不不均均匀匀，，则则可可能能不不出出现现刷刷状状放放电电，，而由电晕放电直接转入击穿而由电晕放电直接转入击穿 电晕放电火花放电n在在较较高高气气压压（（例例如如大大气气压压））下下，，击击穿穿后后总总是是形形成成收收细细的的发发光光放放电电通通道道，，而而不不再再扩扩散散于于间间隙隙中中的的整整个个空空间间当当外外回回路路中中阻阻抗抗很很大大，，限限制制了了放放电电电电流流时时，，电电极间出现贯通两极的极间出现贯通两极的断续断续断续断续的明亮细火花的明亮细火花 n火火花花放放电电的的特特征征是是具具有有收收细细的的通通道道形形式式，，并并且且放放电电过程不稳定过程不稳定 n火火花花间间断断的的原原因因：： 放放电电通通道道电电阻阻很很小小，，而而外外电电路路电电阻阻很很大大，，放放电电通通道道分分得得电电压压太太小小，，以以致致放放电电不不能能持持续续雷电介质阻挡放电平板电极体放电梳状电极表面放电同轴结构1.介质阻挡材料介质阻挡材料——玻璃、石英、陶瓷以及聚合物等，有时还采用一些具有保玻璃、石英、陶瓷以及聚合物等，有时还采用一些具有保护涂层或者其他功能涂层如驻极体材料等。

护涂层或者其他功能涂层如驻极体材料等2.频率过高则介质层将失去阻挡作用，因而介质阻挡放电驱动电压频率范围为频率过高则介质层将失去阻挡作用，因而介质阻挡放电驱动电压频率范围为50Hz～～10MHz3.放电电压范围为几百伏特到几千伏特放电电压范围为几百伏特到几千伏特4.根据不同的应用背景，放电间隙为根据不同的应用背景，放电间隙为0.1mm～几～几cm5.放电气体可以流动，也可以循环使用，也可静止放电气体可以流动，也可以循环使用，也可静止6.放电气体可以是惰性气体如放电气体可以是惰性气体如He、、Ne、、Ar，可以是分子气体如氮气、氧气、空，可以是分子气体如氮气、氧气、空气，也可以是其他反应性气体如气，也可以是其他反应性气体如CCl2F2, CClF3 and CHClF2DBD的一些基本特征高频放电和微波放电1.用甲烷等气体来进行直流放电的时候，电极表面上绝缘性薄膜的堆积会阻碍电流的流通，甚至会导致放电的中止不使用直流而采用工业上标准的13.56MHz的高频电磁波或2.45GHz的微波来进行放电，就能够维持这类气体放电约稳定的等离子体状态所以，使用高频放电或微波放电的等离子体应用比直流放电的多。

2.在实际应用等离子体时，首先根据用途需要选择最合适的等离子体实际的工业应用中如LSI制作工艺中为了实现超微细、大面积、高速加工，经常要求等离子体具有低气压（～1Pa）、大口径（～0.4m）、高密度（～1017m－3）等特性3.在气压降低时，等离子体扩散加快，而电离频率降低，因而低气压条件下生成大口径、高密度低温等离子体并不容易4.提高放电功率，可以增大等离子体密度，但是若功率不能有效地用于产生电离（如直流辉光放电），那么等离子体密度也不能增大5.采用后面要讲述的给线圈通高频电流的方法(感应耦合等离子体）或激励等离子体波动的方法(表面波等离子体、ECR等离子体、螺旋波等离子体)，由于可以在保持较低的等离子体与电极间的电位差的状态下提供高功率，那么在低气压时也可以高效率地生成等离子体，并且其高密度化也将成为可能用于放电的三种天线耦合方式利用用静电场来加速电子，又称电容耦合高频放电或微波放电是由天线(电极)从外部得到功率，通过电磁场对电子的加速作用来维持等离子体的利用感应电场来供给等离子体能量利用电磁波来供给等离子体能量平行板加RF电压——电容耦合等离子体§典型的放电条件是：压强10～1000 Pa，电极间距1～5cm，高频功率20～200 W， 放 电 频 率 通 常 为13.56MHz。

§等离子体密度虽然不是那么高(约在1016m－3),但这种方法的优点是容易生成大口径等离子体§放电的发光分布，在低气压时整体上基本是均匀发光但随着压强的增高．中心部分变暗，只有两个电极附近部分才发亮线圈通RF电流——感应耦合等离子体1.无外加磁场时的高频放电可分为电场型放电(E放电)和磁场型放电(H放电)2.前者是天线表面电荷产生的静电场导致的放电，电容耦合等离子体是其中有代表性的例子3.后者是天线电流产生的磁场H导致的放电这里磁场随时间变化引起感应电场(法拉第电磁感应定律)，利用这个电场来加速电子从而可以维持等离子体如此生成的等离子体叫做感应耦合等离子体强电波照射——表面波等离子体1.无磁场时通过电磁波照射高密度等离子体可以激励起沿等离子体表面传播的波，用强微波照射可以产生这种表面波，从而生成大口径、高密度的等离子体，这种等离子体叫做表面波等离子体2.图中，2.45GHz、1kW的微波从大气一侧通过石英板直径（～30 cm）照射等离子体，在2～200Pa压强下就可以得到1017～1018m－3的高密度等离子体(图中虽然没有画出，但有时在石英板的上面或下面设有开槽的金属天线)这时，在石英板与等离子体的界面上会出现表面波，在这个波的电场的作用下电子被加速，等离子体就被提供了能量。

使用磁场中的波——ECR等离子体和螺旋波等离子体1.电电子子回回旋旋共共振振（（ECR））——当有磁场存在时，电子会在洛仑兹力作用下作环绕磁力线的回旋运动其频率ωc由磁场决定如果从外部施加同一频率的振荡电场，那么作回旋运动的电子会受到同相位电场的作用而被“直流式”地持续加速，电子由此获得较高的动能，这种现象成为ECR2.利用这个原理的ECR等离子体装置，由于吸收了微波能量的高速电子频繁地引起电离，所以即使在低气压下也可获得高密度的等离子体例如，在0.1T量级的磁场中一1kW左右的微波（2.45GHz）从真空窗入射，在0.05～0.5Pa的低气压下也可生成高密度（1017m－3）的等离子体1.在磁场中，给天线通以频率远低于电子回旋频率(ωc)的高频电流，即使在低气压下也可以容易地生成高密度的等离子体这样生成的等离子体叫做螺螺旋旋波波等等离离子子体体2.图中，天线部分直径0.1m左右，在0.01T的弱磁场中对天线输入13.56MHz、1kW的高频信号后就可以在1～5Pa的压强下得到密度为1018～1019m－3的强电离等离子体第三部分 气体放电等离子体的应用§等离子体电离气体具有热效应等离子体电离气体具有热效应相关应用：等离子体弧焊、等离子体切割、等离子体热喷涂、烧结、生成微粒材料、等离子体熔炼、城市垃圾焚烧、金属材料表面处理§等离子体电离气体具有良好的化学活性等离子体电离气体具有良好的化学活性相关应用：材料表面改性、等离子体化学气相沉积、等离子体刻蚀（太阳能电池、LCD、LSI、及DRAM等制造工艺）、臭氧发生器、燃烧废气处理、汽车尾气处理§气体放电具有强烈的可见辐射和非可见辐射气体放电具有强烈的可见辐射和非可见辐射相关应用：照明用放电管、霓虹灯、气体激光器、等离子体显示、紫外线光源、X射线源§等离子体电离气体具有良好的导电性，可作为优良的流动导体等离子体电离气体具有良好的导电性，可作为优良的流动导体MHD发电、核聚变发电、闸流管、引燃管、静电除尘§力学效应力学效应相关应用：溅射、离子注入、火箭推进等离子体热喷涂1等离子喷涂技术的应用等离子喷涂技术的应用机床制造电机制造机车车辆制造冶金工业汽车制造宇航工业等离子喷涂Surface coating for engine housing Plasma spray for shielding tilesReal metal design on black granite and ceramic 等离子体对高聚物表面处理的应用等离子体刻蚀与LSI制造工艺等离子体刻蚀技术，1969年已开始引进到半导体加工中来了。

这种技术是为了解决过去采用化学湿法刻蚀中出现的一些问题化学湿法刻蚀在工件上会有腐蚀性剩留液，会影响器件可靠性和寿命另外，湿法刻蚀过程很难控制，刻蚀工件有严重的钻蚀现象，一般刻蚀线宽大于5μm左右，是提高器件集成度的一个工艺障碍等离子体干法刻蚀，不存在剩留腐蚀性溶液的问题，刻蚀线宽可减小到亚微米量级，可以提高器件的集成度对于现代的大规模集成电路LSI而言，其制造工艺中最重要的是微细加工所能达到的程度批量生产设备的最小加工尺寸在1997年是0.25μm，2001年达到0.1μm，在2012年之前达到0.05μmLSI制造1.准备单晶硅切片基板，在基板上形成金属(Al)或电介质(SiO2)薄膜2.形成感光膜(光刻胶也称光致抗蚀剂)，其成分是碳水化合物的聚合膜(CnHm)3.把预先用计算机等制作好的巨大的图纸(电路)缩小，制成掩膜板(负片)然后让紫外线照射掩膜板进行爆光4.再把感光部分用专用的显影液冲洗这样完成了电路的转印5.在高活性的等离子体氛围里，对没有覆盖光刻胶的薄膜进行刻蚀6.用氧等离子体除掉抗蚀剂，进行灰化等离子体焊接和切割电弧的压缩效应1.热力学压缩2.机械压缩3.箍缩效应气体放电光源1. 全世界所有的照明灯有一半以上是放电灯。

2. 放电灯一般包括有荧光灯、高气压汞灯、低气压和高气压钠灯，以及金属卤化物灯等等离子体电视 体外冲击波碎石术是高压强脉冲放电技术在医疗领域中的一项成功的应用它的基本原理是利用在水中发生高压强脉冲放电时形成“液电效应”而产生冲击波，以及冲击波可以被聚焦这一物理现象和特性当冲击波从人体外部传入人体内部并在人体内部的结石处聚焦时，处于冲击波焦点范围内的结石在聚焦后的强烈冲击波反复冲击下逐渐碎裂破碎后的结石粉末和小颗粒随尿液自行排出体外，从而使结石患者的结石症得到治愈，并免受传统的外科手术之苦体外冲击波碎石核聚变－TokamakITER。