Typy elektrických výbojů generující plazma

Elektrický výboj je jev vznikající při průchodu elektrického proudu plynem.

Podmínkou vzniku výboje je: existence volných nosičů náboje (elektronů a iontů) a

elektrická energie dodávaná do plynu (elektrickou energii lze do plynu ve výbojce dodávat různými způsoby)

Výboje lze dělit na základě různých kritérií: délky jeho trvání, tlaku, typu buzení, přítomnosti ionizačního činidla. Pokud je nutná přítomnost ionizátoru, mluvíme o nesamostatném elektrickém výboji (výboj zanikne, když ionizátor přestane působit).

V opačném případě jde o samostatný elektrický výboj (výboj se udrží vlastní ionizací).

/11/

Jiskrový výboj je krátkodobý samostatný výboj vznikající při vysokém napětí mezi dvěma vodiči za atmosférického tlaku. Tento výboj je doprovázen zvukovými a světelnými efekty. Jiskra má podobu jasně svítících rozvětvujících se kanálků, ve kterých dochází k ionizaci při teplotě až 30 000 K. Nejtypičtějším př. jiskrového výboje je blesk. /9/

Obloukový výboj. Jedná se o samostatný výboj mezi elektrodami, charakteristický vysokými proudy a teplotami v řádech tisíců kelvinů. Probíhá nejčastěji za atmosférického tlaku a používá se např. při obloukovém sváření kovů. /9/

Doutnavý výboj je samostatný výboj s viditelnou složkou, který lze pozorovat ve výbojkách za snížených tlaků. Probíhá při malých proudech (řádově miliampéry), teplota výbojky i elektrod je nízká. Doutnavý výboj ve výbojkách a zářivkách je úsporným zdrojem světla (oproti klasickým žárovkám je světlo výbojek při stejném příkonu 5krát intenzivnější). Tento výboj lze vytvořit několika způsoby a jeho vlastnosti jsou značně odlišné v závislosti na účelu využití. Lze ho použít buď pro plnění plynového laseru a to jako pulzní výboj s amplitudou proudu až několik ampér anebo pro plazmové zpracování ve formě prostorového výboje, kdy naopak nemá pulzní charakter a jsou používány proudy v rozsahu desetin miliampér.

Doutnavý výboj vzniká při rovnoměrném homogenním elektrickém poli při nízkých tlacích. Stabilizace tohoto výboje je složitější než u koróny. Pro udržení stabilního výboje je nutná vhodná atmosféra (např. helium) a frekvence vyšší než 1kHz.

Pro vytvoření tohoto výboje musí být alespoň jedna elektroda pokryta dielektrikem.

Hlavní výhodou tohoto výboje je vyšší hustota energie než u koróny. Hlavní nevýhodou jsou vyšší nároky na stabilizaci a udržení výboje. /9/

Stejnosměrný výboj. V mikroskopickém měřítku je popisována tvorba tohoto výboje tak, že kladný iont vytvořený srážkou elektronu s molekulou nebo atomem plynu v oblasti „katodové vrstvy“ je urychlován napěťovým spádem (elektrickým polem), směrem k záporné elektrodě. Po následné kolizi iontu s elektrodou jsou z elektrody vyraženy tzv. „sekundární elektrony“, které jsou urychlovány ve zpětném směru napěťovým spádem o stejné velikosti. Tyto elektrony pak předají největší část své energie opět v oblasti „katodové vrstvy“.

Tento výboj je zejména využíván pro leptací operace a depozice tenkých filmů.

Procesní tlaky se pohybují v rozmezí 10^-1 - 10 Pa. Při využití dodatečného magnetického pole (magnetrony), dojde ke zvýšení ionizačního stupně výboje. /18/

Radiofrekvenční výboj disponuje dvěma hlavními výhodami. Díky měnící se polaritě může operovat s izolujícími materiály a z hlediska konstrukčního může pracovat v tzv.

bezelektrodovém uspořádání (elektrody jsou vně plazmové nádoby). Nejčastěji využívané frekvence jsou v rozsahu f = 1 - 100 MHz, což odpovídá vlnové délce záření λ = 300 - 3 m.

Tyto výboje jsou rozdělovány pomocí mnoha parametrů, jimiž jsou např.:

umístění elektrod s ohledem k plazmové nádobě (vnitřní, vnější elektrody); dle druhu zapojení elektrod (symetrické, nesymetrické zapojení), ale také dle druhu zapojení výkonu a to na kapacitně vázaný výboj a induktivně vázaný výboj. /18/

Mikrovlnný výboj. Charakteristickou vlastností tohoto typu výboje je vlnová délka, která odpovídá u většiny běžně používaných zařízení λ = 12,24 cm při f = 2,24 GHz.

Hodnota ionizačního stupně mikrovlnné plazmy odpovídá radiofrekvenčnímu induktivně vázanému výboji. Tím je dána i vyšší koncentrace vysoko-energetických elektronů. Důsledkem toho má výboj i zvýšenou celkovou teplotu. Pokud tedy chceme využít tento výboj pro polymerní anebo tepelně citlivé materiály, musíme většinou využít tzv. „downstreamové“ uspořádání, tj. umístění substrátu mimo hlavní zónu výboje. /18/

Korónový výboj je běžným jevem při atmosférickém tlaku. V přírodě vzniká např.

při bouřce na ostrých hranách listů nebo špičkách stromů, kde se projevuje

světélkováním. Rovněž v blízkosti vysokého vedení může dojít k vytvoření dostatečně silného elektrického pole nutného ke vzniku koronového výboje. /16/

Korónový výboj je nízkoenergetický bodový výboj. Napětí potřebná pro vznik koronového výboje se pohybují v oblasti několika kilovolt. Korónový výboj se v současné době již běžně průmyslově využívá. Jeho hlavní nevýhodou je malá rychlost zpracování daná nízkou energetickou hustotou. Další nevýhodou je daná vzdálenost výboje od zpracovávaného materiálu a tomu odpovídající nižší hustota aktivních částic.

/17/

Dielektrický bariérový výboj (též nazývaný jako tichý výboj). Jeho hlavním znakem je filamentární (vláknitý) charakter. Při atmosférickém tlaku se vytvoří spousta velice tenkých „vláken“ s poloměrem přibližně l00µm, které se v dolní části rozšiřují na povrchový výboj s poloměrem cca 0,5cm. Tato „vlákna“ jsou náhodně rozmístěna po zpracovávaném povrchu a navzájem se neovlivňují. Výboj lze stabilně udržet od frekvence 50Hz. Alespoň jedna z elektrod musí být pokryta dielektrikem.

Vlastnostmi dielektrika je zároveň omezeno množství energie ve výboji. Hlavní výhodou tohoto výboje je snadná stabilizace a technická jednoduchost zařízení. /9, 10/

Koplanární výboj. Jedná se o typ dielektrického bariérového výboje. Tyto výboje generují nerovnovážnou plazmu při atmosférickém tlaku. Elektrody koplanárního výboje jsou tvořené kovovými pásky nacházejícími se v dielektriku blízko jeho povrchu. Po přivedení napětí mezi kovové pásky se na povrchu dielektrika (nejčastěji keramiky) rozhoří mikrovýboje. Takto generovaná plazma je makroskopicky homogenní a tvoří na povrchu dielektrika vrstvu hlubokou několik desetin milimetru.

Výhodou tohoto typu výboje je, že při zvyšovaní výkonu dodávaného do výboje nedochází k zvyšování nehomogenity výboje, ale dokonce dochází k jeho homogenizaci. V porovnaní s povrchovým bariérovým výbojem je jeho výhodou neomezená životnost, protože plazma není v kontaktu s elektrodami. /10, 11/