真空（低压）等离子放电原理
金徕等离子陈工
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真空等离子放电在低于大气压的环境中进行，通常在1-1000 Pa的气压范围内。低压环境使电子自由程增长，电子能够在电场中积累足够能量以引发电离，同时避免高气压下容易形成的电弧放电。真空等离子处理机主要采用直流辉光放电、射频容性耦合、射频感性耦合以及微波电子回旋共振四种技术路线。
3.1.1 直流辉光放电（DC Glow）
直流辉光放电是最经典的等离子体产生方式，在两个平行电极之间施加直流高压（几百至几千伏），在适当气压下产生自持放电。
放电结构：正常辉光放电呈现明暗相间的分层结构（从阴极到阳极依次为）：阿斯顿暗区（紧贴阴极，二次电子初速低，能量不足，不发光）；阴极辉光区（电子能量达到激发阈值，气体原子发光）；阴极暗区（克鲁克斯暗区，电子能量过高，以电离为主，激发减少）；负辉区（电子能量降低，激发增加，最亮区域）；法拉第暗区（电子能量过低）；正柱区（电场均匀，电子密度稳定，发光均匀）；阳极暗区与阳极辉光。
阴极位降区：阴极附近的高电场区域（阴极暗区与阴极辉光）是维持放电的关键区域。大部分电压降集中于此，正离子在此加速轰击阴极产生二次电子。
工业应用限制：阴极材料会被溅射消耗，污染工件；不适合绝缘材料处理（电荷积累导致放电终止）；主要用于金属溅射镀膜、气体激光器等。
3.1.2 容性耦合射频放电（CCP / RF Plasma）
容性耦合射频放电是等离子表面处理机最常用的技术，工作频率通常为13.56 MHz（国际通用ISM频段）。
工作原理：两个平行金属电极构成电容结构，射频功率通过匹配网络施加到电极上；射频电场在电极间振荡，电子跟随电场运动并与气体分子碰撞；由于电子质量小，可快速响应射频场，离子质量大基本静止；电子快速运动到电极表面，导致电极附近形成正离子鞘层。
鞘层动力学：在射频周期内，鞘层厚度随电场方向变化：正半周电子被推向电极，鞘层变薄；负半周电子被推离电极，鞘层变厚；时间平均鞘层始终为正离子富集区。离子在鞘层中获得定向能量，轰击工件表面。通过调节射频功率，可控制离子能量（通常50-500 eV）。
功率耦合机制：欧姆加热（电子与中性粒子碰撞产生的焦耳热）；随机加热（电子在振荡鞘层边界处被反射获得能量，主要加热机制）。
CCP特点：
| 优点 | 缺点 |
| 结构简单，均匀性好 | 电子密度较低（10^9-10^11 cm^-3） |
| 离子能量可控 | 离子能量与离子流密度耦合 |
| 适合大面积处理 | 处理速率相对较慢 |
| 工艺成熟，成本低 | 高气压下易向电弧过渡 |
3.1.3 感性耦合射频放电（ICP）
感性耦合等离子体通过线圈产生的交变磁场来加热电子，而非直接施加电场。
工作原理：射频电流通过螺旋线圈，产生轴向交变磁场；根据法拉第电磁感应定律，交变磁场感应出环形电场；电子在环形电场中加速，形成闭合电流回路；电子与气体分子碰撞，维持等离子体。
ICP特点：
| 优点 | 缺点 |
| 电子密度高（10^11-10^12 cm^-3） | 结构较复杂 |
| 离子能量与功率可独立控制 | 均匀性控制难度较大 |
| 处理速率高 | 设备成本较高 |
| 可产生高密度等离子体 | 需要较好的真空条件 |
3.1.4 微波电子回旋共振（ECR）
ECR是一种高能量耦合效率的微波放电技术，需要外加磁场。
共振条件：当微波频率等于电子回旋频率时，电子发生共振吸收。在875高斯的磁场中，2.45 GHz微波能量可被电子高效吸收，产生高密度等离子体（10^11-10^13 cm^-3）。电子回旋频率公式：fce = eB / (2πme) ≈ 28 GHz/T。
ECR特点：能量耦合效率极高，可在低气压下产生高密度等离子体；离子能量低（小于50 eV），对表面损伤小；需要精密磁场控制，设备复杂；主要用于半导体超精细刻蚀、薄膜沉积等。