概述

氣體等離子體占我們宇宙的99％，主要存在于恒星中。雖然地球上很少見(jiàn)，但天然等離子體包括閃電，北極光和圣埃爾莫的火焰。表40.1列出了某些等離子體，并通過(guò)粒子密度和溫度來(lái)表征它們。

等離子體可以通過(guò)用足夠功率的電磁場(chǎng)電離氣體來(lái)生產(chǎn)和控制。氣體等離子體的一種有用形式是通過(guò)將氣體引入到反應(yīng)室中，保持壓力在0.1和10托之間，然后施加射頻（rf）能量來(lái)制造的。一旦電離，被激發(fā)的氣體與放置在輝光放電中的材料表面發(fā)生反應(yīng)。

等離子體的物理和化學(xué)性質(zhì)取決于許多變量;化學(xué)，流量，分布，溫度和氣體壓力。此外，射頻激發(fā)頻率，功率水平，反應(yīng)器幾何形狀和電極設(shè)計(jì)也同樣重要。當(dāng)?shù)入x子體的電源關(guān)閉時(shí)，分解的氣體分子迅速重新結(jié)合到它們的自然狀態(tài)。

等離子體的類型

等離子體在寬范圍的溫度和壓力下發(fā)生，然而，所有等離子體具有大致相等的正和負(fù)電荷載流子濃度，以使它們的凈空間電荷接近零。

一般來(lái)說(shuō)，所有等離子體都屬于三種分類之一。高壓等離子體元素，也稱為熱等離子體，處于熱平衡狀態(tài)（通常能量> 10,000°C）。表40.1所示的例子1包括恒星內(nèi)部和熱核等離子體?；旌系入x子體在中溫氣體（?100至1000℃）中具有高溫電子并且在大氣壓下形成。電弧焊機(jī)和電暈表面處理系統(tǒng)使用混合等離子體。本章重點(diǎn)討論的冷等離子體不處于熱平衡狀態(tài)。當(dāng)大量氣體處于室溫時(shí)，離子化氣體中自由電子的溫度（動(dòng)能）可以高出10至100倍（高達(dá)10,000℃），從而產(chǎn)生一種不尋常的，極其化學(xué)反應(yīng)性的環(huán)境環(huán)境溫度。

有兩種類型的冷等離子體，由電極配置決定。 初級(jí)等離子體直接由反應(yīng)室電極之間的射頻能量產(chǎn)生。 次級(jí)等離子體存在于能量場(chǎng)的下游，由氣流和擴(kuò)散攜帶。 次級(jí)等離子體對(duì)表面改性不太理想，因?yàn)樵趓f場(chǎng)下游的待處理部件越遠(yuǎn)，等離子體反應(yīng)越少。 一部分可能會(huì)屏蔽另一部分，造成不均勻性，并且在所有活性物質(zhì)局部耗盡之前可以處理較少的表面積，從而降低較大負(fù)載下的有效性。

典型的等離子體處理周期

現(xiàn)代等離子處理設(shè)備完全自動(dòng)化。典型的連續(xù)處理設(shè)備如圖40.1所示。

為了準(zhǔn)備治療，過(guò)程工程師將設(shè)定點(diǎn)輸入微處理器控制器。該過(guò)程的條件先前已確定為對(duì)特定應(yīng)用有效。鑰匙開關(guān)鎖定設(shè)定點(diǎn)，以便操作員不會(huì)無(wú)意中修改過(guò)程。一個(gè)過(guò)程可以由單個(gè)或多個(gè)過(guò)程步驟組成，每個(gè)步驟包含一個(gè)完整的等離子體循環(huán)。

裝載腔室時(shí)，機(jī)器操作員將部件放置在電極/擱架上。關(guān)門后，操作員通過(guò)按下開始按鈕啟動(dòng)過(guò)程?？刂破鞅O(jiān)控和控制過(guò)程，直至完成。

控制器采取的第一步是通過(guò)打開真空泵的隔離閥來(lái)排空反應(yīng)室。在預(yù)定的基礎(chǔ)壓力下，工藝氣體進(jìn)入腔室。延遲使反應(yīng)室的壓力穩(wěn)定，然后打開電源，產(chǎn)生等離子體。控制器開始進(jìn)程計(jì)時(shí)器。只要射頻功率開啟，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)就會(huì)不斷自動(dòng)地*小化發(fā)生器和腔室之間的功率失配。

該步驟在處理時(shí)間結(jié)束后或者在達(dá)到可選的溫度設(shè)定點(diǎn)之后結(jié)束，此時(shí)射頻功率和處理氣體被關(guān)閉。真空泵從腔室中排出工藝氣體和副產(chǎn)品，系統(tǒng)重復(fù)整個(gè)循環(huán)以進(jìn)行下一步驟。如果*后一步已經(jīng)完成，則腔室排放到大氣中，并且控制器向操作員警告過(guò)程完成。

等離子化學(xué)

冷等離子體的三種性質(zhì) - 化學(xué)離解，離子加速動(dòng)能和光化學(xué) - 使這種獨(dú)特的環(huán)境對(duì)表面處理有效。

將氣體暴露于足夠的電磁能量會(huì)使其分解，形成化學(xué)反應(yīng)氣體，從而快速修改暴露的表面。在原子級(jí)別，等離子體包含許多不同能級(jí)的離子，電子和各種中性物質(zhì)。形成的激發(fā)物種之一是自由基，其可以直接與有機(jī)材料表面反應(yīng)，導(dǎo)致其化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的顯著改變。當(dāng)轟擊表面的離子和電子從變化的電磁場(chǎng)獲得足夠的動(dòng)能以從表面敲擊原子或原子團(tuán)時(shí)，也會(huì)發(fā)生修飾位點(diǎn)。此外，氣相碰撞傳遞能量 - 形成更多的自由基，原子和離子。

離解的物質(zhì)組合在光子回到基態(tài)時(shí)發(fā)出光子。這種輝光放電的光譜包括高能量的紫外光子，這些紫外光子將被吸收到基底的頂層表面，從而產(chǎn)生更多的活性位點(diǎn)。輝光放電的顏色取決于等離子體的化學(xué)性質(zhì)，其強(qiáng)度取決于處理變量。

等離子體工藝僅改變幾個(gè)分子層，因此外觀和整體性質(zhì)通常不受影響。另外，等離子體通過(guò)切斷（分子長(zhǎng)度減小），分支和交聯(lián)有機(jī)材料來(lái)改變表面層的分子量。等離子體的化學(xué)性質(zhì)決定了它對(duì)聚合物的影響。

等離子表面處理方法

表面處理適用于許多聚合物工藝，等離子體是一種化學(xué)工藝。 在處理聚合物中使用三種冷等離子體處理：

1.激活等離子體使用與產(chǎn)物反應(yīng)的氣體或氣體來(lái)改變其化學(xué)性質(zhì)。 這樣的等離子體使用氧氣，氨氣，空氣，鹵素和其他氣體來(lái)清潔表面污染物，對(duì)表面進(jìn)行微結(jié)合，并將各種化學(xué)基團(tuán)取代到聚合物鏈上。

以下討論激活等離子體。

2.接枝等離子體處理首先通過(guò)暴露于化學(xué)惰性等離子體來(lái)激活表面，然后將表面浸入不飽和單體的蒸氣中（不產(chǎn)生等離子體）。 先前在聚合物表面形成的自由基引發(fā)與反應(yīng)性單體的接枝反應(yīng)。

3.等離子體聚合利用等離子體能量引發(fā)氣相聚合反應(yīng)，導(dǎo)致有機(jī)物沉積在等離子體室內(nèi)的表面上。