微放电的击穿特性和放电模式转换

Micro-discharge has been used widely in industrial applications and labs as micro-plasma. It is also one of the important sources of hazard in electronics. The breakdown characteristic and the transition of discharge modes are the fundamental problems of gas discharge as well as the key issue for applications. This project focuses on the pin-to-plane and wire-to-wire structures that are used extensively and investigate the breakdown condition and the discharge mode excited by DC power source under micro-dimensional electrodes and gaps, espeallcy above dielectric layer. The dependence of breakdown voltage upon the operating conditions including gas gap, electrode dimension, electrode geometry and property of dieletric layer will be tested by both experiment and numerical simulation. The mode transition between pre-discharge, glow and spark will be studied and the key factors including the electrode dimension and dielectric surface leading to instability will be drawed out. The performance of this project will be helpful for understanding the physis of micro-discharge plasma, designing the micro-discharge devices and improving the electrostatic-discharge protection of micro-electronics.

微放电等离子体在工业和实验室具有广泛用途，同时微放电也是微电子产品中存在的一个重要静电安全隐患。微放电的击穿特性和放电模式既是气体放电理论的基本问题，又是微放电应用工艺的核心问题之一。本项目将针对工业上常用的针-板（pin-to-plane）和线-线（wire-to-wire）结构，研究在微电极、微间隙条件下，直流电压激励的微放电的击穿机制和放电基本特性，特别是沿介质表面的直流微放电问题。通过实验测试和数值模拟的方法，研究微放电等离子体形成的条件和特点，揭示微结构放电的击穿规律，得到微放电的各种模式（即预放电、辉光放电、火花/电弧放电）之间的转换条件和规律，探索放电不稳定性的成因和关键影响因素，弄清微电极尺寸效应、介质表面效应对击穿和放电的影响。本项目的完成将对微放电等离子体的理解和应用、微电子工艺中的静电安全防护等具有重要参考价值。

微放电等离子体在工业和实验室具有广泛用途，微放电同时也是微电子产品中普遍存在的静电安全隐患。本项目以常用的针-板和线-线结构为基础，研究了在微电极、微间隙条件下，直流和脉冲电压激励的微结构的击穿机制和放电基本特性。研究表明，1）电晕放电只局限于阴极附近很小区域，击穿和放电特性几乎由阴极针尖附近的物理参数决定。2）负电晕Trichel脉冲可以发生在任何气体中，并不是传统教科书中所描述的只有在电负性气体中的特殊现象，本质上它是Townsend放电和辉光放电之间的模式转换，由二者稳定放电条件无法连续过渡所致。3）电晕放电可在电晕外区产生强烈的离子风。风速与过电压成正比，同时与电极曲率、电极间隙有关；一般正离子风高于负离子风。4）微间隙的击穿电压不在遵循经典Paschen定律。在10微米以下，电压随间隙减小出现平台、然后下降；其阴极二次电子发射从Townsend机制向场致发射机制过渡。大气压下微米以下间隙的击穿电压小于100V，低于目前电子行业的防静电标准。5）微腔结构的击穿电压随微腔高度减小而增大；这与器壁对电子的附着有关，它使空间种子电子减小，电子倍增速度减小，放电击穿变得困难。微腔击穿后很容易直接过渡到火花或电弧放电，稳定放电过程很短。这些结果有助于重新认识电晕放电及Trichel脉冲的物理本质；对微间隙击穿、毛细管放电、介质层对放电机制影响的理解，以及电晕风、离子源和静电安全防护等应用具有重要参考价值。