輝光放電與等離子體

1、輝光放電

通常把在電場作用下氣體被擊穿而導電的物理現(xiàn)象稱之為氣體放電。氣體放電有“輝光放電”和“弧光放電”兩種形式。輝光放電又分為“正常輝光放電”與“異常輝光放電”兩種，它們是磁控濺射鍍膜工藝過程中產(chǎn)生等離子體的基本環(huán)節(jié)。

輝光放電(或異常輝光放電)可以由直流或脈沖直流靶電源通過氣體放電形成,也可以用交流(矩形波雙極脈沖中頻電源、正弦波中頻與射頻)靶電源通過真空室內(nèi)的氣體放電產(chǎn)生。

氣體放電時，充什么樣的工作氣體、氣壓的高低、電流密度的大小、電場與磁場強度的分布與高低、電極的不同材質(zhì)、形狀和位置特性等多種因素都會影響到放電的過程和性質(zhì)，也會影響到放電時輻射光的性質(zhì)和顏色。

(1)直流輝光放電

①在陰-陽極間加上直流電壓時，腔體內(nèi)工作氣體中剩余的電子和離子在電場的作用下作定向運動，于是電流從零開始增加;

②當極間電壓足夠大時，所有的帶電離子都可以到達各自電極，這時電流達到某一*大值(即飽和值);

③繼續(xù)提高電壓，導致帶電離子的增加，放電電流隨之上升;當電極間的放電電壓大于某一臨界值(點火起輝電壓)時，放電電流會突然迅速上升，陰-陽極間電壓陡降并維持在一個較低的穩(wěn)定值上。工作氣體被擊穿、電離，并產(chǎn)生等離子體和自持輝光放電，這就是“湯生放電”的基本過程，又稱為小電流正常輝光放電。

④磁控靶的陰極接靶電源負極，陽極接靶電源正極，進入正常濺射時，一定是在氣體放電伏-安特性曲線中的“異常輝光放電區(qū)段” 運行。其特點是，隨著調(diào)節(jié)電源輸出的磁控靶工作電壓的增加，濺射電流也應同步緩慢上升。

(2)脈沖直流輝光放電

脈沖或正弦半波中頻靶電源的單個脈沖的氣體放電應與直流氣體放電伏-安特性曲線異常輝光放電段及之前段的變化規(guī)律相符。可以將其視為氣體放電伏-安特性在單個脈沖的放電中的復現(xiàn)。脈沖直流靶電源在脈沖期間起輝濺射，在脈沖間隙自然滅輝(因頻率較高，肉眼難以分辨)。

濺射靶起輝放電后，當電源的輸出脈沖的重復頻率足夠高時，由于真空腔體內(nèi)的導電離子還沒有完全被中和完畢，**個(以后)重復脈沖的復輝電壓與濺射靶的工作電壓接近或相同。當電源輸出脈沖的重復頻率很低(例如幾百HZ以下)或滅弧時間過長(大于100ms以上)，濺射靶起輝放電后，由于真空腔體內(nèi)的導電離子已基本被中和掉，**個(以后)重復脈沖的復輝電壓恢復至較高數(shù)值，與點火起輝時的高電壓接近或相同。

2、等離子體

①在真空磁控濺射鍍膜技術中的等離子體，一般是電場作用下通過工作氣體放電形成的。構成分子的原子獲得足夠大的的動能，開始彼此分離，原子的外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子，失去電子的原子變成正離子。這一過程叫電離。等離子體是一種電離氣體，是離子、電子和高能原子等的集合體;正離子和電子總是成對的出現(xiàn)，總數(shù)大致相等，整體呈準電中性，它是一種由帶電粒子組成的電離狀態(tài)，稱為物質(zhì)的第四態(tài)-等離子態(tài)。

②對氣體放電形成等離子體施加電壓或電場，伴隨導電離子、粒子、電子等的移動，在等離子體中會流過電流，這就是等離子體的導電性。

③在氣相沉積過程中，工作氣體和靶材金屬原子被高能電子撞擊電離為由電子、氣體離子和金屬離子等導電粒子組成的等離子體。

3、氣體與靶材離子的復合

①氣體電離產(chǎn)生的電子經(jīng)數(shù)次碰撞后，能量逐漸降低，逐步遠離靶面;一部分以很低的能量飛落在真空室內(nèi)壁(即靶電源陽極)上；另一部分與遷移、穿越等離子體區(qū)的氣體或金屬的正離子復合成中性分子，這種帶電粒子的消失現(xiàn)象又稱為“消電離”。

②工作氣體的電離與靶材的的離化;正離子與電子與正負帶電粒子的復合現(xiàn)象，使真空腔體內(nèi)等離子體處于上述不斷發(fā)生的電離、離化與復合(消電離)的動態(tài)平衡之中。

4、激發(fā)態(tài)原子的發(fā)光現(xiàn)象

①眾多的常態(tài)原子中的電子在被碰撞吸收了入射電子的能量后，原子由低能級躍遷到高能級，成為激發(fā)態(tài)原子。激發(fā)態(tài)原子是不穩(wěn)定的，會在10-7~10-8S內(nèi)會放出所得能量, 回復到低能級基態(tài)時并發(fā)射光子，以發(fā)光的形式釋放多余能量，在真空磁控濺射過程中，我們可以看到靶材原子與氣體原子的回復發(fā)光現(xiàn)象。

②靶材原子與氣體原子獲能后，在靶面完成濺射的同時, 形成放電輝光和光圈;氣體放電發(fā)出的特征光的顏色和深淺，與工作氣體和靶材原子的種類、壓力和放電電流大小有關;電流大小或者工作氣體壓力不同，放電輝光和光圈的顏色和深淺程度均有一定程度的變化和差別。例如：

氬氣放電 → 淡紫藍色光；

氮氣放電 → 粉紅光色；

氦氣放電 → 淡黃到橙；

氖氣放電 → 暗紅到橙；

氪氣放電 → 白或灰,低壓時綠；

氙氣放電 → 藍白或藍灰。

③氣體放電特征光的顏色還與陰極濺射靶的材料有關。例如：

氬氣電離放電，銅靶原子被濺射出來 → 發(fā)出綠色泛光；

氬氣電離放電，鋁靶原子被濺射出來 → 發(fā)出藍白色泛光；

氬氣電離放電，鈦靶原子被濺射出來 → 發(fā)出蔚藍色泛光；

氬氣電離放電，鎳靶原子被濺射出來 → 發(fā)出淺黃偏粉紅泛光；

氬氣電離放電，鉻靶原子被濺射出來 → 發(fā)出淺草綠色泛光；

氬氣電離放電，鈦靶通氮氣反應沉積生成氮化鈦 → 發(fā)出櫻紅色泛光；

氬氣電離放電，硅靶通氮氣反應沉積生成氮化硅 → 粉紅(桃紅)色泛光。

④在磁控濺射鍍膜的工藝試驗過程中，磁控靶前發(fā)出了某種顏色的特征泛光，說明該種靶材離子的存在，特征泛光的亮度和強度可以間接反映出該種靶材離子被濺射出來的相對數(shù)量。人們常以磁控靶前氣體放電發(fā)光的顏色的不同作為某種靶材離子是否被濺射出來了的重要判據(jù)之一。