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等離子體是不同于固體、液體和氣體的物質(zhì)第四態(tài),即部分電離化的氣體,其呈現(xiàn)出高度激發(fā)的不穩(wěn)定態(tài),等離子體由離子、電子和未電離的中性粒子組成,在整體上呈電中性。

如圖1所示為平行板電極等離子體輝光放電系統(tǒng)的示意圖。射頻電源通過電容耦合輸入陰極端,陽極端接地。陰極和陽極之間產(chǎn)生射頻電場,在射頻作用下,空間中初始的自由電子被加速并與氣體原子碰撞,使其電離,從而產(chǎn)生了“雪崩效應(yīng)”,空間中的離子越來越多,隨著大量氣體分子的電離,氣體從絕緣態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電態(tài),有電流通過,并在陰極與陽極間形成電場。然而自由電子會與氣體離子碰撞復(fù)合,最終達(dá)到電離-復(fù)合平衡態(tài),從而在空間內(nèi)形成等離子體。當(dāng)氣體離子恢復(fù)到原子狀態(tài)時,會以光子形式釋放能量并產(chǎn)生輝光。因此,這個過程也被稱為輝光放電(glowdischarge)過程。

圖1 平板電極輝光電極放電系統(tǒng)示意圖 

在等離子體空間,離子與電子數(shù)目相同,因此是等電位區(qū)。但在陰極和陽極周圍,由于電子質(zhì)量輕且運(yùn)動速度快,電子先抵達(dá)電極表面并形成負(fù)電荷積累。在陰極和陽極表面均形成了一個負(fù)電場。由于陰極未接地,陰極表面電子積累形成的負(fù)電場電荷較高,因此陰極表面的負(fù)電場能夠?qū)﹄x子加速,從而對電極表面產(chǎn)生轟擊。如果將待刻蝕樣品放置于陰極表面,則樣品將受到強(qiáng)烈的離子轟擊作用,從而對樣品產(chǎn)生刻蝕作用;而當(dāng)樣品放置于陽極表面時,樣品在氧等離子體的作用下發(fā)生反應(yīng)但不存在任何離子轟擊效應(yīng),主要為化學(xué)作用,因此,陽極表面附近的反應(yīng)較為溫和,對樣品的損傷較小。

盡管等離子體作用過程十分復(fù)雜,但陽極表面附近的等離子體作用可以分為同時發(fā)生的三個反應(yīng)過程,如圖2所示。

圖2 陽極表面附近的等離子體反應(yīng)示意圖

(1) 離子反應(yīng):等離子體中的活性離子直接與樣品表面原子進(jìn)行反應(yīng),并生成揮發(fā)性產(chǎn)物被真空系統(tǒng)排出。

(2) 產(chǎn)生自由基:樣品表面吸附的化學(xué)活性分子被人射離子分解成為自由基。

(3) 自由基反應(yīng):(2)反應(yīng)產(chǎn)生的自由基可在樣品表面遷移,并與樣品表面原子反應(yīng)生成揮發(fā)性產(chǎn)物被真空系統(tǒng)排出。