大气压射频均匀辉光放电的条件

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海出版传媒研究院上海出版印刷高等专科学校 作者:李 森

  大气压放电应用在很多领域时,其放电的均匀性显得十分重要。本文通过实验得出影响大气压射频放电的均匀性的条件。实验中研究的影响因素有介质阻挡、放电电压、放电气体组成以及放电间隙。实验采用单反照相机以及ICCD照相机对放电进行拍照,观察不同参数放电下的放电模式。通过放电现象发现对维持大面积均匀辉光放电影响最大的因素是采用介质阻挡和放电气体的组成,影响较小的是放电电压。放电间隙在可维持放电的间隙范围内对放电模式影响很小。实验得出,改变这些条件会使均匀辉光放电中出现放电丝,或完全转变为丝状放电甚至熄灭。

  气体放电是产生等离子体的一种最重要途径,它在薄膜生长和材料表面改性等方面有广泛的应用。然而大部分气体放电都是在低气压下进行的,要将等离子体工艺应用于大规模的生产中,低气压等离子体还存在不少致命缺陷:放电必须在封闭的低压空间中维持,因而设备成本、维护成本以及时间成本很高。显然,大气压下的低温等离子体更适合工业生产。为了对材料能够进行均匀的处理,人们希望获得均匀的大气压等离子体辉光放电,而非丝状放电。自从日本的Okazak等在1988年报道了在大气压条件获得的惰性气体的稳定辉光放电,各国在这个课题上开展了更多的研究工作。Michael G Kong等对大气压射频介质阻挡放电的模式转换和放电机理进行了大量研究工作。国内董丽芳等对大气压中频介质阻挡放电的斑图进行了研究,张增辉等对大气压介质阻挡辉光放电进行了仿真研究。目前,采用射频介质阻挡被认为是获得稳定的大气压辉光放电的有效方式,而对大气压射频辉光放电的条件真空技术网(http://www.chvacuum.com/)还没发现有人全面地进行总结。本文从大量的实验结果中总结了影响大气压射频均匀辉光放电形成的因素,实验中改变的参数有介质的存在、放电气体成分、放电电压以及放电间隙。

1、实验设备

  实验装置如图1所示,采用电容耦合射频放电系统,电极分为铜电极和水电极。下电极铜电极连接射频电源,面积为100mm×100mm;上电极水电极为注满自来水的石英盒,内置接地铜圈,面积比铜电极略大。上下电极均使用循环水进行冷却。文中部分实验上下电极均使用相同的铜电极。放电介质采用石英介质(尺寸为140mm×140mm×1mm),根据实验需要覆盖在电极表面。放电的间距使用夹在上下电极边缘之间的石英片来调节。电极的左侧是混气室,当使用掺杂的气体放电时,气体在这里混合,然后经筛板均匀进入放电空间。射频电源频率为13.56MHz,最大功率2kW。放电的电压和电流分别由电压探头(Tektronix P6015A)和电流探头(Tektronix 6021AC)获得,示波器(Tektronix DPO4104)用来采集探头信号;实验中照片由单反相机(Nikon D90)以及ICCD照相机(Princeton Instruments公司的PI-MAX2)获得。

实验装置示意图

图1 实验装置示意图

2、结果与分析

  2.1、氩气放电

  2.1.1、裸电极

  氩气放电使用的上下电极均为铜电极,无介质覆盖在电极表面。通过调节放电功率和改变放电间隙,实验获得了裸电极氩气均匀辉光放电,如图2(a)所示。但是发现,这种辉光放无法在较大面积和大间距的尺度下维持。首先,在实验设备条件下,能够击穿的最大气体间隙为1.5mm,并且为辉光放电。若此时增大放电功率,辉光放电会转变为如图2(b)所示的收缩的放电通道;若此时不增加放电功率,放电模式也很容易在一段时间后发生同样的模式转换,这主要是由于电极温度上升所造成的。而在可实现辉光放电的间隙范围内,更大间隙的等离子体表现出更大的阻抗。

裸电极放电照片

图2 裸电极放电照片

  因此从实验结果可以得出,裸电极可获得均匀辉光放电,但是对放电功率和电极温度比较敏感,容易转变为收缩的放电模式。

  2.1.2、介质阻挡氩气放电

  使用射频介质阻挡放电获得均匀辉光放电的结果已经有报导,本文利用ICCD照相机对放电模式进行更准确的判断。两块电极均使用铜电极,石英片作为介质覆盖在铜电极上。放电间隙定位4.4mm,氩气的气流速度为2L/min(标准状态),在逐渐增加放电功率至气体击穿后,逐渐增加电源功率同时记录电流电压值。

  图3所示为实验中双介质氩气放电功率最小和最大时的照片,对应的电压为550和1070V,可以看出等离子体既没有发生收缩,也没有出现放电丝,一直表现为均匀的辉光放电。这里需要说明的是,在α模式下整个等离子的发光是均匀的,在γ模式下明显介质表面要更亮,这是由于介质表面有大量的二次电子。但是我们同样认为这是一种均匀放电,因为它对于二维的介质表面是均匀一致的;这对于材料的处理不会像丝状放电一样产生不一致的影响。不同的放电间隙对实验的结果影响较小,更大间隙的等离子体表现出更大的阻抗,且均未出现放电丝。

 大气压射频均匀辉光放电的条件

图3 氩气4.4mm介质阻挡放电ICCD照片,曝光时间100μs

  单介质氩气放电的情况与双介质却截然不同,放电照片如图3(c)和(d)所示,对应的电压为550和650V。上电极为裸露的铜电极,下电极为覆盖有石英片的铜电极。从放电的照片可以看出,外加电压较低时,放电是比较均匀的,没有放电丝出现。而电压达到650V后,等离子体中出现了明显的放电细丝。随着放电功率的增大,放电细丝的数量越来越多,放电丝直径变大。这是辉光放电和丝状放电共存的一种放电模式。

  从氩气放电结果可以得出,介质阻挡和电压是影响放电模式的重要因素,双介质阻挡可以保证放电维持大功率、大面积以及较大间隙的氩气均匀辉光放电。在单介质阻挡放电中,较低的电压可以维持均匀辉光放电。

  2.2、氩气掺杂氮气放电

  2.2.1、双介质放电

  除了电压和介质阻挡外,本文也研究了放电气体对放电模式的影响,由于空气是最方便且最廉价的气体来源,因此实验在氩气中掺入空气中含量最高的氮气进行研究。为了更清楚观察放电现象,这里上电极使用水电极,下电极为铜电极。实验采用4.4mm双介质放电,放电输入功率固定为400W。实验开始时,采用氩气放电。待放电稳定后,逐渐增加氮气流量,同时减少氩气的流量,而混合气体的总流量保持2L/min不变。图4为氮气的流量为0,50,200和1000mL/min的放电照片。从图中可以明显看出,400W 输入功率下的氩气放电为均匀辉光放电,当氮气流量上升到50mL/min后,放电面积明显发生了收缩,但是放电仍然为辉光放电,没有出现放电丝。而氮气的流量继续增加到500mL/min时,放电完全转变为了丝状放电。继续增加氮气流量至1000mL/min时,放电仍然为丝状放电,但是放电丝的数量大幅度减少,放电丝的颜色也由暗红色变为深紫色。如果继续增加氮气的比例,则放电不能维持。

大气压射频均匀辉光放电的条件

图4 3.3mm双介质氩气掺杂氮气放电照片

  2.2.2、单介质放电

  纯氩气放电的实验得出了单介质放电容易出现放电丝的结论。在氩气掺杂氮气单介质放电的实验中,对于氮气的比例对放电模式的影响也进行了研究,上电极仍为水电极,结果如图5所示。放电功率保持为400W 不变,总气流为2L/min。

  由图5可以看出,纯氩气的放电很均匀,没有放电丝。氮气流量加至50mL/min时明显地出现了一些放电细丝,但整体上还是均匀的放电。氮气达到500mL/min时,放电出现了在铜电极表面收缩,在介质表面扩展的放电通道。这种放电通道与双介质氩气掺杂氮气放电的放电丝,除了尺寸上的区别外,这种放电通道的位置比较稳定,会固定存在于电极的某个位置。而双介质放电中的放电丝稳定性比较差。从氮气流量为500mL/min时的放电照片可以明显看出有两种等离子体的存在,一种是在铜电极表面收缩,在介质表面扩展的放电通道;另一种就是均匀弥散的等离子体。当氮气的流量提高至1000mL/min时,等离子体的形式完全转变为一边收缩,另一边扩展的放电通道。

大气压射频均匀辉光放电的条件

图5 3.3mm单介质氩气掺杂氮气放电照片

  通过对混合气体中氮气的比例对放电模式的影响的研究可以得出,在双介质氩气掺杂氮气放电中,氮气比例的提高会使放电面积收缩,放电模式进而发生改变;氮气比例较高时放电无法维持。这也是为什么普遍大家都采用惰性气体来获得等离子体,如氩气和氦气。从单介质氩气掺杂氮气实验也可以得出类似的结论。但从其放电通道可以看出,在裸电极表面放电通道更易收缩,这与之前氩气放电的结果也是吻合的。

3、结论

  通过实验结果得出,要获得大面积、大间隙的大气压射频均匀辉光放电,重要的条件有放电气体、放电电压以及介质阻挡。裸电极的氩气放电可以获得小间隙的均匀辉光放电,但是放电对功率和电极温度很敏感,很容易转变为收缩的放电模式。采用介质阻挡后,可以获得大间隙的均匀辉光放电。双介质阻挡可以保证放电维持大功率、大面积以及较大间隙的氩气均匀辉光放电。在单介质阻挡放电中,较低的电压可以维持均匀辉光放电,这说明介质可以防止放电丝的形成。最后,通过在氩气中掺入氮气,得出使用惰性气体放电也是获得均匀辉光放电的重要条件,但掺入少量的氮气也可以获得均匀辉光放电。同时,辉光放电和丝状放电的机理还有待进一步研究。

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