1、輝光放電

　　通常把在電場(chǎng)作用下氣體被擊穿而導(dǎo)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)靶電源通過真空市內(nèi)的氣體放電產(chǎn)生。

　　氣體放電時(shí)，充什么樣的工作氣體、氣壓的高低、電流密度的大小、電場(chǎng)與磁場(chǎng)強(qiáng)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(huì)影響到放電的過程和性質(zhì)，也會(huì)影響到放電時(shí)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(shí)，腔體內(nèi)工作氣體中剩余的電子和離子在電場(chǎng)的作用下作定向運(yùn)動(dòng)，于是電流從零開始增加;

　　② 當(dāng)極間電壓足夠大時(shí)，所有的帶電離子都可以到達(dá)各自電極，這時(shí)電流達(dá)到某一最大值(即飽和值);

　　③ 繼續(xù)提高電壓，導(dǎo)致帶電離子的增加，放電電流隨之上升;當(dāng)電極間的放電電壓大于某一臨界值(點(diǎn)火起輝電壓)時(shí)，放電電流會(huì)突然迅速上升，陰-陽極間電壓陡降并維持在一個(gè)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(fù)極，陽極接靶電源正極，進(jìn)入正常濺射時(shí)，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(yùn)行。其特點(diǎn)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(yīng)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(gè)脈沖的氣體放電應(yīng)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(gè)脈沖的放電中的復(fù)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(dāng)電源的輸出脈沖的重復(fù)頻率足夠高時(shí)，由于真空腔體內(nèi)的導(dǎo)電離子還沒有完全被中和完畢，第二個(gè)(以后)重復(fù)脈沖的復(fù)輝電壓與濺射靶的工作電壓接近或相同。當(dāng)電源輸出脈沖的重復(fù)頻率很低(例如幾百HZ以下)或滅弧時(shí)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(dǎo)電離子已基本被中和掉，第二個(gè)(以后)重復(fù)脈沖的復(fù)輝電壓恢復(fù)至較高數(shù)值，與點(diǎn)火起輝時(shí)的高電壓接近或相同。

(3)交流輝光放電

　　用于磁控濺射鍍膜氣體放電的交流電源主要有雙極性脈沖(矩形波或正弦波)中頻靶電源與射頻靶電源兩大類別。

　　① 雙極脈沖中頻靶電源用于輝光放電

　　a. 矩形波或正弦波中頻靶電源進(jìn)行氣體輝光放電共同特點(diǎn)：

　　· 當(dāng)交流電壓的頻率較低(50HZ~5KHZ)時(shí)，工作氣體起輝點(diǎn)火電壓與直流放電時(shí)基本相同。當(dāng)電壓的頻率增加到中頻時(shí)，起輝點(diǎn)火電壓比用純直流靶電源時(shí)降低很多。

　　· 雙極性脈沖中頻靶電源一般帶孿生靶或雙靶運(yùn)行。兩個(gè)靶的工作電壓極性相反同時(shí)又不斷互換極性，電壓極性為負(fù)時(shí)的磁控靶發(fā)生濺射，極性為正時(shí)的那個(gè)磁控靶不產(chǎn)生濺射。

　　· 由于陰陽極間電場(chǎng)正負(fù)極性來回變化，使電子路徑延長，與工作氣體碰撞次數(shù)增加，故單個(gè)磁控靶承載同樣功率(其它真空環(huán)境條件相同)時(shí)，選用雙極脈沖中頻靶電源比用純直流靶電源和脈沖直流中頻靶電源時(shí)，工作氣體的離化幾率和靶材的沉積速率均要高一些。

　　· 磁控靶陰極電壓極性為負(fù)時(shí)，其單脈沖氣體放電應(yīng)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(趨勢(shì))相符。

　　· 雙極性脈沖中頻靶電源，根據(jù)有無“串聯(lián)電壓調(diào)整”電路有分為“工藝型”和“經(jīng)濟(jì)型”兩種。

　　b. 兩種靶電源不同之處：

　　· 選用(工藝型)雙極矩形波或正弦波中頻靶電源，因其輸出的電壓和電流的占空比可以大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)，鍍膜時(shí)電源的工藝參數(shù)適應(yīng)范圍比“經(jīng)濟(jì)型”中頻靶電源要寬很多;適用于需要經(jīng)常變化的磁控濺射鍍膜工藝和不同材質(zhì)的膜層。

　　· (經(jīng)濟(jì)型)雙極性矩形波或正弦波中頻靶電源的輸出電壓或電流的工藝調(diào)節(jié)范圍偏窄，若相關(guān)參數(shù)選配合適，一般可用于磁控濺射鍍膜工藝相對(duì)固定和單一的工業(yè)生產(chǎn)中，其優(yōu)點(diǎn)是靶電源價(jià)格可以相對(duì)便宜。

　　· 選用正弦波中頻靶電源，由于波形的原因，靶面產(chǎn)生打弧的幾率更低并優(yōu)于雙極性矩形波中頻靶電源。更適合于對(duì)薄膜表面和膜層質(zhì)量要求較高的濺射工藝。

　　② 射頻(13.56M)靶電源用于輝光放電

　　· 在射頻輝光放電空間中,高頻電子震蕩已能產(chǎn)生足夠的工作氣體電離，對(duì)二次電子發(fā)射的依耐性減少了。射頻磁控濺射氣體放電時(shí)等離子阻抗低，工作氣體擊穿點(diǎn)火電壓和維持異常輝光放電電壓比中頻靶電源時(shí)又要降低很多(點(diǎn)火電壓只有直流放電等離子輝光放電時(shí)的五分之-~八分之一)。

　　· 一般來說，射頻輝光放電與直流及中頻交流脈沖輝光放電相比，可以在低一個(gè)數(shù)量級(jí)的氣體壓強(qiáng)狀態(tài)下進(jìn)行(例如，1.0×1-2Pa)。

　　· 磁控靶射頻放電的陰極是電容耦合電極，陽極接地;射頻電壓可以穿過任何種類的阻抗，所以電極就不再要求是導(dǎo)體;電容耦合穿過絕緣材料或空間，電極就不再限于導(dǎo)電材料，可以濺射任何材料，因此射頻輝光放電廣泛用于絕緣或介質(zhì)材料的濺射沉積鍍膜。

　　· 在運(yùn)行的射頻輝光放電等離子體中，由于離子和電子遷移率的不同將導(dǎo)致陰極負(fù)偏壓的形成，在陰極表面建立一個(gè)直流負(fù)偏壓是進(jìn)行射頻濺射工藝的必要條件。兩個(gè)面積相等的電極置于射頻輝光放電等離子體中，不可能建立陰極靶表面的負(fù)偏壓，不可能產(chǎn)生濺射。將兩個(gè)面積不相等的電極置于射頻(例如13.56MHZ)輝光放電離子體中形成非對(duì)稱放電，面積小的那個(gè)電容耦合陰極有可能形成并建立陰極靶表面的負(fù)偏壓，并能產(chǎn)生濺射。

　　· 電容耦合型射頻(RF)放電電極自給偏壓的形成，可以防止絕緣層表面正電荷的積累，有助于射頻放電的維持。陰極靶表面的“自生負(fù)偏壓”的數(shù)值可以近似等于射頻濺射電壓的幅值，最高時(shí)可達(dá)千伏量級(jí)。

　　· 射頻磁控濺射氣體放電時(shí)，由于射頻靶電源輸出交變高頻正弦電壓波形，致使電子碰撞工作氣體的幾率大為增多，工作氣體離化率高，等離子阻抗低，射頻磁控濺射膜層沉積速率為二極射頻濺射的數(shù)倍。

2、等離子體

　　① 在真空磁控濺射鍍膜技術(shù)中的等離子體，一般是電場(chǎng)作用下通過工作氣體放電形成的。構(gòu)成分子的原子獲得足夠大的的動(dòng)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(duì)的出現(xiàn)，總數(shù)大致相等，整體呈準(zhǔn)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(duì)氣體放電形成等離子體施加電壓或電場(chǎng)，伴隨導(dǎo)電離子、粒子、電子等的移動(dòng)，在等離子體中會(huì)流過電流，這就是等離子體的導(dǎo)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(dǎo)電粒子組成的等離子體。

3、氣體與靶材離子的復(fù)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(yuǎn)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(fù)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(fù)帶電粒子的復(fù)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(fù)合(消電離)的動(dòng)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(jí)躍遷到高能級(jí)，成為激發(fā)態(tài)原子。激發(fā)態(tài)原子是不穩(wěn)定的，會(huì)在10-7~10-8S內(nèi)會(huì)放出所得能量, 回復(fù)到低能級(jí)基態(tài)時(shí)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(fù)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(shí), 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(guān);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(lán)色光;
　　氮?dú)夥烹?→ 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(shí)綠;
　　氙氣放電 → 藍(lán)白或藍(lán)灰。　　

　　③ 氣體放電特征光的顏色還與陰極濺射靶的材料有關(guān)。

　　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(lán)白色泛光;
　　氬氣電離放電，鈦靶原子被濺射出來 → 發(fā)出蔚藍(lán)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?dú)夥磻?yīng)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?dú)夥磻?yīng)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(yàn)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(qiáng)度可以間接反映出該種靶材離子被濺射出來的相對(duì)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。