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，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，并通過粒子密度和溫度來表征它們。

等離子體可以通過用足夠功率的電磁場電離氣體來生產和控制。氣體等離子體的一種有用形式是通過將氣體引入到反應室中，保持壓力在0.1和10托之間，然后施加射頻（rf）能量來制造的。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。

等離子體的物理和化學性質取決于許多變量;化學，流量，分布，溫度和氣體壓力。此外，射頻激發(fā)頻率，功率水平，反應器幾何形狀和電極設計也同樣重要。當等離子體的電源關閉時，分解的氣體分子迅速重新結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電荷載流子濃度，以使它們的凈空間電荷接近零。

一般來說，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包括恒星內部和熱核等離子體。混合等離子體在中溫氣體（?100至1000℃）中具有高溫電子并且在大氣壓下形成。電弧焊機和電暈表面處理系統使用混合等離子體。本章重點討論的冷等離子體不處于熱平衡狀態(tài)。當大量氣體處于室溫時，離子化氣體中自由電子的溫度（動能）可以高出10至100倍（高達10,000℃），從而產生一種不尋常的，極其化學反應性的環(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。 初級等離子體直接由反應室電極之間的射頻能量產生。 次級等離子體存在于能量場的下游，由氣流和擴散攜帶。 次級等離子體對表面改性不太理想，因為在rf場下游的待處理部件越遠，等離子體反應越少。 一部分可能會屏蔽另一部分，造成不均勻性，并且在所有活性物質局部耗盡之前可以處理較少的表面積，從而降低較大負載下的有效性。

典型的等離子體處理周期

現代等離子處理設備完全自動化。典型的連續(xù)處理設備如圖40.1所示。

為了準備治療，過程工程師將設定點輸入微處理器控制器。該過程的條件先前已確定為對特定應用有效。鑰匙開關鎖定設定點，以便操作員不會無意中修改過程。一個過程可以由單個或多個過程步驟組成，每個步驟包含一個完整的等離子體循環(huán)。

裝載腔室時，機器操作員將部件放置在電極/擱架上。關門后，操作員通過按下開始按鈕啟動過程?？刂破鞅O(jiān)控和控制過程，直至完成。

控制器采取的第一步是通過打開真空泵的隔離閥來排空反應室。在預定的基礎壓力下，工藝氣體進入腔室。延遲使反應室的壓力穩(wěn)定，然后打開電源，產生等離子體。控制器開始進程計時器。只要射頻功率開啟，阻抗匹配網絡就會不斷自動地*小化發(fā)生器和腔室之間的功率失配。

該步驟在處理時間結束后或者在達到可選的溫度設定點之后結束，此時射頻功率和處理氣體被關閉。真空泵從腔室中排出工藝氣體和副產品，系統重復整個循環(huán)以進行下一步驟。如果*后一步已經完成，則腔室排放到大氣中，并且控制器向操作員警告過程完成。

等離子化學

冷等離子體的三種性質 - 化學離解，離子加速動能和光化學 - 使這種獨特的環(huán)境對表面處理有效。

將氣體暴露于足夠的電磁能量會使其分解，形成化學反應氣體，從而快速修改暴露的表面。在原子級別，等離子體包含許多不同能級的離子，電子和各種中性物質。形成的激發(fā)物種之一是自由基，其可以直接與有機材料表面反應，導致其化學結構和性質的顯著改變。當轟擊表面的離子和電子從變化的電磁場獲得足夠的動能以從表面敲擊原子或原子團時，也會發(fā)生修飾位點。此外，氣相碰撞傳遞能量 - 形成更多的自由基，原子和離子。

離解的物質組合在光子回到基態(tài)時發(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，從而產生更多的活性位點。輝光放電的顏色取決于等離子體的化學性質，其強度取決于處理變量。

等離子體工藝僅改變幾個分子層，因此外觀和整體性質通常不受影響。另外，等離子體通過切斷（分子長度減?。种Ш徒宦撚袡C材料來改變表面層的分子量。等離子體的化學性質決定了它對聚合物的影響。

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物反應的氣體或氣體來改變其化學性質。 這樣的等離子體使用氧氣，氨氣，空氣，鹵素和其他氣體來清潔表面污染物，對表面進行微結合，并將各種化學基團取代到聚合物鏈上。

以下討論激活等離子體。

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

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