辉光放电与等离子体

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1、辉光放电与等离子体1、辉光放电　　通常把在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象称之为气体放电。气体放电有“辉光放电”和“弧光放电”两种形式。辉光放电又分为“正常辉光放电”与“异常辉光放电”两种，它们是磁控溅射镀膜工艺过程中产生等离子体的基本环节。　　辉光放电(或异常辉光放电)可以由直流或脉冲直流靶电源通过气体放电形成,也可以用交流(矩形波双极脉冲中频电源、正弦波中频与射频)靶电源通过真空市内的气体放电产生。　　气体放电时，充什么样的工作气体、气压的高低、电流密度的大小、电场与磁场强度的分布与高低、电极的不同材质、形状和位置特性等多种因素都会影响到放电的过程

2、和性质，也会影响到放电时辐射光的性质和颜色。(1)直流辉光放电　　①在阴-阳极间加上直流电压时，腔体内工作气体中剩余的电子和离子在电场的作用下作定向运动，于是电流从零开始增加;　　②当极间电压足够大时，所有的带电离子都可以到达各自电极，这时电流达到某一最大值(即饱和值);　　③继续提高电压，导致带电离子的增加，放电电流随之上升;当电极间的放电电压大于某一临界值(点火起辉电压)时，放电电流会突然迅速上升，阴-阳极间电压陡降并维持在一个较低的稳定值上。工作气体被击穿、电离，并产生等离子体和自持辉光放电，这就是“汤生放电”的基本过程，又称为小电流正常辉光放电。　

3、　④磁控靶的阴极接靶电源负极，阳极接靶电源正极，进入正常溅射时，一定是在气体放电伏-安特性曲线中的“异常辉光放电区段”运行。其特点是，随着调节电源输出的磁控靶工作电压的增加，溅射电流也应同步缓慢上升。(2)脉冲直流辉光放电　　脉冲或正弦半波中频靶电源的单个脉冲的气体放电应与直流气体放电伏-安特性曲线异常辉光放电段及之前段的变化规律相符。可以将其视为气体放电伏-安特性在单个脉冲的放电中的复现。脉冲直流靶电源在脉冲期间起辉溅射，在脉冲间隙自然灭辉(因频率较高，肉眼难以分辨)。　　溅射靶起辉放电后，当电源的输出脉冲的重复频率足够高时，由于真空腔体内的导电离子还没

4、有完全被中和完毕，第二个(以后)重复脉冲的复辉电压与溅射靶的工作电压接近或相同。当电源输出脉冲的重复频率很低(例如几百HZ以下)或灭弧时间过长(大于100ms以上)，溅射靶起辉放电后，由于真空腔体内的导电离子已基本被中和掉，第二个(以后)重复脉冲的复辉电压恢复至较高数值，与点火起辉时的高电压接近或相同。(3)交流辉光放电　　用于磁控溅射镀膜气体放电的交流电源主要有双极性脉冲(矩形波或正弦波)中频靶电源与射频靶电源两大类别。　　①双极脉冲中频靶电源用于辉光放电　　a.矩形波或正弦波中频靶电源进行气体辉光放电共同特点：　　·当交流电压的频率较低(50HZ~5K

5、HZ)时，工作气体起辉点火电压与直流放电时基本相同。当电压的频率增加到中频时，起辉点火电压比用纯直流靶电源时降低很多。　　·双极性脉冲中频靶电源一般带孪生靶或双靶运行。两个靶的工作电压极性相反同时又不断互换极性，电压极性为负时的磁控靶发生溅射，极性为正时的那个磁控靶不产生溅射。　　·由于阴阳极间电场正负极性来回变化，使电子路径延长，与工作气体碰撞次数增加，故单个磁控靶承载同样功率(其它真空环境条件相同)时，选用双极脉冲中频靶电源比用纯直流靶电源和脉冲直流中频靶电源时，工作气体的离化几率和靶材的沉积速率均要高一些。　　·磁控靶阴极电压极性为负时，其单脉冲气体

6、放电应与直流气体放电伏-安特性曲线异常辉光放电段及之前段的变化规律(趋势)相符。　　·双极性脉冲中频靶电源，根据有无“串联电压调整”电路有分为“工艺型”和“经济型”两种。　　b.两种靶电源不同之处：　　·选用(工艺型)双极矩形波或正弦波中频靶电源，因其输出的电压和电流的占空比可以大范围连续调节，镀膜时电源的工艺参数适应范围比“经济型”中频靶电源要宽很多;适用于需要经常变化的磁控溅射镀膜工艺和不同材质的膜层。　　·(经济型)双极性矩形波或正弦波中频靶电源的输出电压或电流的工艺调节范围偏窄，若相关参数选配合适，一般可用于磁控溅射镀膜工艺相对固定和单一的工业生产

7、中，其优点是靶电源价格可以相对便宜。　　·选用正弦波中频靶电源，由于波形的原因，靶面产生打弧的几率更低并优于双极性矩形波中频靶电源。更适合于对薄膜表面和膜层质量要求较高的溅射工艺。　　②射频(13.56M)靶电源用于辉光放电　　·在射频辉光放电空间中,高频电子震荡已能产生足够的工作气体电离，对二次电子发射的依耐性减少了。射频磁控溅射气体放电时等离子阻抗低，工作气体击穿点火电压和维持异常辉光放电电压比中频靶电源时又要降低很多(点火电压只有直流放电等离子辉光放电时的五分之-~八分之一)。　　·一般来说，射频辉光放电与直流及中频交流脉冲辉光放电相比，可以在低一个

8、数量级的气体压强状态下进行(例如，1.0×1-2Pa)。　　·磁控