关于射频真空等离子表面处理设备阳极鞘层的小知识点

射频真空等离子表面处理设备已被广泛应用于工业各大领域，包括等离子材料表面改性、等离子聚合、等离子刻蚀等工艺。关于射频真空等离子表面处理设备的阳极鞘层，是比较重要的专业知识点，可能对大多数朋友来讲还是比较陌生的，今天我们普乐斯将整理的一些内容分享给大家。

为了方便大家理解，我们统一下概念，这里讲的阳极，对于射频真空等离子表面处理设备就是接地电极；而阴极，则是接射频的馈入电极。

1 射频真空等离子表面处理设备阳极鞘层的结构

射频真空等离子表面处理设备阳极鞘层主要是由过渡区和德拜屏蔽层构成的。

1-1除鞘电压的大小之外，阳极鞘层本质上与浮置基板前的等离子体鞘相同。进入鞘层的离子必须要有kTe/e的能量，因此也有一个准中性的过渡区。

1-2阳极鞘层比阴极鞘层约小1个数量级，厚度很薄，但比按德拜屏蔽求出的德拜长度要大。在阳极鞘中基本上不发生碰撞，特别是不发生电离，这一点与阴极鞘层有所不同，尽管阴极鞘层中电离也很少。此外由于阳极的鞘电压相当低，只有约10~15V，因此电子密度并不等于零，也就没有阴极鞘层中那样的空间电荷限制电流区。

2 射频真空等离子表面处理设备的二次电子发射

2-1阳极鞘层与理想模型的区别在于，阳极也可发射二次电子。通常阳极鞘层的极性是等离子体电位高于阳极电位。在这种情况下，发射的二次电子便成为负辉区的电子源和能量源；但进入负辉区后又被逆向加速。

2-2撞击阳极的粒子中，虽然大部分是在负辉区产生的离子、电子和光子，但也有阴极鞘层中产生的高速电子。这些高速电子在穿越负辉区时并未发生多次碰撞，因而能以相当大的能量撞击阳极，成了阳极的一种重要的输入功率。

2-3负辉区产生的低速电子也同高速电子一起到达阳极。而且一般来说，电子撞击阳极时的二次电子发射系数 δ 比离子撞击时的二次电子发射系数 γi大。

3 射频真空等离子表面处理设备空间电荷限制的阳极电流

在阴极鞘层中考虑限制电流量的空间电荷效应时，假定只存在一种载流子是允许的，因为那里的电子密度已小到可忽略不计；但是在阳极鞘中情况就不同了，电子密度不一定能够忽略。特别是存在阳极二次电子发射时更不能忽略，因此无碰撞条件下的Child-Langmuir方程在此不适用，需要建立适合二种载流子的模型。然而这类模型的实验验证却相当困难，问题在于鞘电压和鞘厚均很小，测定起来误差太大。

4 射频真空等离子表面处理设备阳极鞘层的极性

一般情况下，阳极鞘层的极性较之负辉区等离子体来说处于低电位，在以上的一些讨论中通常也都是这样假定的。但实际上并非总是如此，若遇下列情况之一阳极的极性便会发生逆转。

4-1当阳极二次电子发射系数很大时。

4-2当阳极尺寸太小时，阳极鞘中电流形成机制自身调适就会发生极性逆转。当阳极面积小到一定程度时，阳极电位达到与负辉区等离子体等电位；这时电子电流密度增大到饱和值。至此，如果阳极面积再减小的话，鞘层极性便发生逆转。随之离子电流减小而净电子电流进一步增大。

5 射频真空等离子表面处理设备阳极鞘层的主要作用

在通常情况下，即阳极电位低于负辉区的等离子体电位时，可使阳极发射的二次电子加速进入负辉区，同时使从负辉区来的离子加速到达阳极或置于阳极的基片表面。由此可见，虽然阳极鞘层薄，其中不会产生显著电离，但被鞘电压加速的二次电子可作为负辉区的电子源和能量源；而负辉区又是阳极鞘层的离子源。

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