濺射的基本原理之輝光放電

濺射的基本原理——輝光放電濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時的濺射效應(yīng)，整個濺射過程都是建立在輝光放電的基礎(chǔ)上，即濺射離子都來源于氣體放電。放電方式：直流二極濺射——直流輝光放電三極濺射——熱陰極支持的輝光放電射頻濺射——射頻輝光放電磁控濺射——環(huán)狀磁場控制下的輝光放電★輝光放電直流輝光放電輝光放電是在真空度約10～1Pa的稀薄氣體中，兩個電極之間在一定電壓下產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。氣體放電時，兩電極之間的電壓和電流的關(guān)系復(fù)雜，不能用歐姆定律描述。濺射的基本原理——輝光放電無光放電區(qū)（AB）由于宇宙射線產(chǎn)生的游離離子和電子，當(dāng)在兩極間加上直流電壓，游離離子和電子在直流電壓作用下運動形成電流，10-16-10-14A。由于此區(qū)域?qū)щ姷话l(fā)光，因此稱為無光放電區(qū)。自然游離的離子和電子是有限的，所以隨電壓增加，電流變化很小。濺射的基本原理——輝光放電濺射的基本原理——輝光放電湯森放電區(qū)（BC）

隨電壓升高，電子運動速度逐漸加快，由于碰撞使氣體分子開始產(chǎn)生電離，電離為正離子和電子，再被電場加速，再電離，使電流平穩(wěn)地增加。于是在伏-安特性曲線出現(xiàn)湯森放電區(qū)。由于受到電源的高輸出阻抗限制，電壓呈一常數(shù)。電流可在電壓不變的情況下增大。上述兩種情況都以自然電離源為前提，且導(dǎo)電而不發(fā)光。因此，稱為非自持放電。濺射的基本原理——輝光放電過渡區(qū)CD過C點后，發(fā)生“雪崩點火”，離子轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子，二次電子與中性氣體分子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生更多的離子，離子再轟擊陰極，陰極產(chǎn)生更多的二次電子，大量的離子和電子產(chǎn)生后，放電達到自持，氣體被擊穿，開始起輝，兩極間電流劇增，電壓迅速降低，放電呈現(xiàn)負(fù)阻現(xiàn)象。濺射的基本原理——輝光放電正常輝光放電區(qū)（DE）繼續(xù)增加電源功率，在D點以后，電流平穩(wěn)增加，電壓維持不變，此時兩極板間出現(xiàn)輝光。DE區(qū)域叫做正常輝光放電區(qū)。在此區(qū)域，放電自動調(diào)整陰極轟擊面積。開始轟擊不均勻，主要集中在靠近陰極邊緣上，或在表面其他不規(guī)則處。隨著功率不斷增大，轟擊區(qū)逐漸擴大，直到陰極面上電流密度幾乎均勻為止。正常輝光放電區(qū)DE

D點之后，電流與電壓無關(guān)，即增大電源功率時，電壓不變，電流平穩(wěn)增加，此時兩極板間出現(xiàn)輝光。在此區(qū)域，放電自動調(diào)整陰極轟擊面積。最初轟擊不均勻，主要集中在靠近陰極邊緣處，或在表面其它不規(guī)則處。隨著電源功率增大，轟擊面積逐漸擴大，直到陰極面上電流密度幾乎均勻為止。這時電子和正離子來源于電子的碰撞和正離子的轟擊，即使自然游離源=不存在，導(dǎo)電也能繼續(xù)。電流與電壓無關(guān)（與輝光覆蓋面積有關(guān)）電流密度的大小與陰極材料、氣體壓強和種類，陰極的形狀有關(guān)。電流密度不高（濺射選擇非正常放電區(qū)）濺射的基本原理——輝光放電異常輝光放電區(qū)（EF）當(dāng)轟擊覆蓋住整個陰極表面之后，進一步增加功率，放電電壓和電流同時增加，進入非正常輝光放電。特點：電流增大時，放電電極間電壓升高，且陰極電壓降與電流密度和氣體壓強有關(guān)。陰極表面情況：此時輝光布滿整個陰極，離子層已無法向四周擴散，正離子層向陰極靠攏，距離縮短。此時若想提高電流密度，必須增加陰極壓降，使正離子有更大的能量轟擊陰極，使陰極更多的二次電子才行。濺射的基本原理——輝光放電弧光放電區(qū)(FG)

異常輝光放電時，常有可能轉(zhuǎn)變?yōu)榛」夥烹姷奈ｋU。極間電壓陡降，電流突然增大，相當(dāng)于極間短路；放電集中在陰極局部，常使陰極燒毀；損害電源。起輝電壓V由巴邢定律知，在氣體成分和電極材料一定的情況下，氣會電壓V只與氣體壓強P和電極距離d的乘積有關(guān)。Vmin濺射的基本原理——輝光放電在正常輝光放電區(qū)，陰極有效放電面積隨電流增加而增大，從而使有效區(qū)內(nèi)電流密度保持恒定。當(dāng)整個陰極均成為有效放電區(qū)域后，只有增加陰極電流密度，才能增大電流，形成均勻而穩(wěn)定的“異常輝光放電”，并均勻覆蓋基片，這個放電區(qū)就是濺射區(qū)域。正常輝光與異常輝光放電在濺射區(qū)：濺射電壓，電流密度和氣體壓強遵守以下關(guān)系式中，和是取決于電極材料、尺寸和氣體種類的常數(shù)。濺射的基本原理——輝光放電進入異常輝光放電區(qū)后，繼續(xù)增加電壓，有更多的正離子轟擊陰極產(chǎn)生大量的電子發(fā)射陰極暗區(qū)收縮式中，為暗區(qū)寬度，、為常數(shù)。當(dāng)電流密度達到約0.1A/cm2時，電壓開始急劇降低，出現(xiàn)低壓弧光放電。濺射的基本原理——輝光放電濺射的基本原理——輝光放電通過測量電流和電壓來確定是否出現(xiàn)輝光放電往往是不必要的。因為輝光放電過程完全可以由是否產(chǎn)生輝光來判定。輝光的產(chǎn)生：眾多的電子、原子碰撞導(dǎo)致原子中的軌道電子受激躍遷到高能態(tài)，而后又衰變到基態(tài)并發(fā)射光子，大量的光子形成輝光。當(dāng)電源功率增加，形成輝光放電時，陰陽兩極間明暗光區(qū)的分布情況，以及暗區(qū)和亮區(qū)對應(yīng)的電位、場強、空間電荷和光強分布，如下圖所示。阿斯頓暗區(qū)冷陰極發(fā)射的電子能量很低，約1eV左右，很難與氣體發(fā)生碰撞電離，所以在陰極附近形成一個黑暗的區(qū)域，稱為阿斯頓暗區(qū)。使用氬、氖之類氣體時這個暗區(qū)很明顯。對于其它氣體，這個暗區(qū)很窄，難以觀察到。陰極輝光區(qū)電子通過阿斯頓暗區(qū)后，在電場的作用下獲得了足夠的能量，與氣體發(fā)生碰撞并使之電離，理化后的離子與電子復(fù)合湮滅產(chǎn)生光子形成陰極輝光區(qū)?？唆斂怂拱祬^(qū)穿過陰極輝光區(qū)的電子，不具有足夠的能量與氣體分子碰撞并使之電離，從而形成又一個暗區(qū)，叫做克魯克斯暗區(qū)。暗區(qū)的寬度與電子的平均自由程有關(guān)。負(fù)輝光區(qū)隨著電子速度增大，很快獲得了足以引起電離的能量，于是離開陰極暗區(qū)后使大量氣體電離，產(chǎn)生大量的正離子。正離子移動速度慢，產(chǎn)生積聚，電位升高；與陰極之間的電位差成為陰極壓降。電子在高濃度正離子積聚區(qū)經(jīng)過碰撞速度降低，復(fù)合幾率增加，形成明亮的負(fù)輝光區(qū)。法拉第暗區(qū)經(jīng)過負(fù)輝光區(qū)后，少數(shù)電子穿過負(fù)輝光區(qū)，形成暗區(qū)。正離子柱法拉第暗區(qū)過后，少數(shù)電子逐漸加速，并使氣體電離；由于電子較少，產(chǎn)生的正離子不會形成密集的空間電荷。此區(qū)域電壓降很小，類似一個良導(dǎo)體。輝光放電陰極附近的分子狀態(tài)濺射的基本原理——輝光放電從陰極發(fā)射的低能電子不能與氣體分子碰撞電離，形成靠近陰極的阿斯頓暗區(qū)。電子經(jīng)過阿斯頓暗區(qū)被加速后，使氣體分子激發(fā)，激發(fā)的氣體分子發(fā)出固有頻率的光，成為陰極輝光。電子進一步加速，使氣體電離產(chǎn)生大量的離子和低速自由電子，該區(qū)域不發(fā)光，為克魯克斯暗區(qū)。所形成的低速電子加速后，又激發(fā)氣體分子使之發(fā)光，形成負(fù)輝光區(qū)。與濺射現(xiàn)象有關(guān)的問題：在克魯克斯暗區(qū)周圍形成的正離子沖擊陰極；電壓不變而改變電極間距時，主要發(fā)生變化的是陽極光柱的長度，而從陰極到負(fù)輝光區(qū)的距離幾乎不變。其主要原因是兩電極之間電壓的下降幾乎都發(fā)生在陰極到負(fù)輝光區(qū)之間。濺射鍍膜裝置中，陰極和陽極之間距離至少要大于陰極于負(fù)輝光區(qū)的距離。濺射的基本原理——輝光放電低頻輝光放電在低于50kHz的交流電壓條件下，離子有足夠的時間在每個半周期內(nèi)，在各個電極上建立直流輝光放電，稱為低頻直流輝光放電?；驹砼c特性與直流輝光放電相同。濺射的基本原理——輝光放電射頻輝光放電射頻輝光放電的重要特征：在輝光放電空間產(chǎn)生的電子可以獲得足夠的能量，足以產(chǎn)生碰撞電離；由于減少了放電對二次電子的依賴，降低了擊穿電壓；射頻電壓可以通過各種阻抗偶合，所以電極可以是非金屬材料。電壓變化周期小于電離或消電離所需時間。離子濃度來不及變化，電子在場內(nèi)作振蕩運動。濺射的基本原理——輝光放電在5-30MHz的射頻濺射頻率下將產(chǎn)生射頻放電。在此頻率下電離和消電離的時間比外加電壓的變化周期長，等離子體濃度來不及變化。電子的質(zhì)量小，會隨著外電場從射頻場中吸收能量而在場內(nèi)作振蕩運動。增加了與氣體分子的碰撞幾率，并使電離能力顯著提高，從而使擊穿電壓和維持放電的工作電壓均降低（僅為直流輝光放電的十分之一）；射頻輝光放電可以在較低的氣壓下進行，直流輝光放電常在10-1-10-2Pa運行。正離子的質(zhì)量大，運行速度低，跟不上電源極性的改變，可認(rèn)為正離子在空間不動，并形成更強的正空間電荷，對放電起增強作用。耦合特性：電極表面電位自動偏置為負(fù)極性二極管整流器有效電流為零濺射的基本原理——輝光放電靶基片濺射的基本原理——輝光放電濺射靶與基片對稱配置，不能成膜。濺射靶絕緣，并通過電容耦合到射頻電源上；另一電極為直接耦合電極（真空室壁，接地電極）Vc為輝光放電空間