辉光放电与等离子体-磁控溅射基本原理与工况

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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。

  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~5KHZ)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,可以在低一个数量级的气体压强状态下进行(例如,1.0×1-2Pa)。

  · 磁控靶射频放电的阴极是电容耦合电极,阳极接地;射频电压可以穿过任何种类的阻抗,所以电极就不再要求是导体;电容耦合穿过绝缘材料或空间,电极就不再限于导电材料,可以溅射任何材料,因此射频辉光放电广泛用于绝缘或介质材料的溅射沉积镀膜。

  · 在运行的射频辉光放电等离子体中,由于离子和电子迁移率的不同将导致阴极负偏压的形成,在阴极表面建立一个直流负偏压是进行射频溅射工艺的必要条件。两个面积相等的电极置于射频辉光放电等离子体中,不可能建立阴极靶表面的负偏压,不可能产生溅射。将两个面积不相等的电极置于射频(例如13.56MHZ)辉光放电离子体中形成非对称放电,面积小的那个电容耦合阴极有可能形成并建立阴极靶表面的负偏压,并能产生溅射。

  · 电容耦合型射频(RF)放电电极自给偏压的形成,可以防止绝缘层表面正电荷的积累,有助于射频放电的维持。阴极靶表面的“自生负偏压”的数值可以近似等于射频溅射电压的幅值,最高时可达千伏量级。

  · 射频磁控溅射气体放电时,由于射频靶电源输出交变高频正弦电压波形,致使电子碰撞工作气体的几率大为增多,工作气体离化率高,等离子阻抗低,射频磁控溅射膜层沉积速率为二极射频溅射的数倍。

2、等离子体

  ① 在真空磁控溅射镀膜技术中的等离子体,一般是电场作用下通过工作气体放电形成的。构成分子的原子获得足够大的的动能,开始彼此分离,原子的外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子,失去电子的原子变成正离子。这一过程叫电离。等离子体是一种电离气体,是离子、电子和高能原子等的集合体;正离子和电子总是成对的出现,总数大致相等,整体呈准电中性,它是一种由带电粒子组成的电离状态,称为物质的第四态-等离子态。

  ② 对气体放电形成等离子体施加电压或电场,伴随导电离子、粒子、电子等的移动,在等离子体中会流过电流,这就是等离子体的导电性。

  ③ 在气相沉积过程中,工作气体和靶材金属原子被高能电子撞击电离为由电子、气体离子和金属离子等导电粒子组成的等离子体。

3、气体与靶材离子的复合

  ① 气体电离产生的电子经数次碰撞后,能量逐渐降低,逐步远离靶面;一部分以很低的能量飞落在真空室内壁(即靶电源阳极)上;另一部分与迁移、穿越等离子体区的气体或金属的正离子复合成中性分子,这种带电粒子的消失现象又称为“消电离”。

  ② 工作气体的电离与靶材的的离化;正离子与电子与正负带电粒子的复合现象,使真空腔体内等离子体处于上述不断发生的电离、离化与复合(消电离)的动态平衡之中。

4、激发态原子的发光现象

  ① 众多的常态原子中的电子在被碰撞吸收了入射电子的能量后,原子由低能级跃迁到高能级,成为激发态原子。激发态原子是不稳定的,会在10-7~10-8S内会放出所得能量, 回复到低能级基态时并发射光子,以发光的形式释放多余能量,在真空磁控溅射过程中,我们可以看到靶材原子与气体原子的回复发光现象。

  ② 靶材原子与气体原子获能后,在靶面完成溅射的同时, 形成放电辉光和光圈;气体放电发出的特征光的颜色和深浅,与工作气体和靶材原子的种类、压力和放电电流大小有关;电流大小或者工作气体压力不同,放电辉光和光圈的颜色和深浅程度均有一定程度的变化和差别。

  例如:
  氩气放电 → 淡紫蓝色光;
  氮气放电 → 粉红光色;
  氦气放电 → 淡黄到橙;
  氖气放电 → 暗红到橙;
  氪气放电 → 白或灰,低压时绿;
  氙气放电 → 蓝白或蓝灰。  

  ③ 气体放电特征光的颜色还与阴极溅射靶的材料有关。

  例如:
  氩气电离放电,铜靶原子被溅射出来 → 发出绿色泛光;
  氩气电离放电,铝靶原子被溅射出来 → 发出蓝白色泛光;
  氩气电离放电,钛靶原子被溅射出来 → 发出蔚蓝色泛光;
  氩气电离放电,镍靶原子被溅射出来 → 发出浅黄偏粉红泛光;
  氩气电离放电,铬靶原子被溅射出来 → 发出浅草绿色泛光;
  氩气电离放电,钛靶通氮气反应沉积生成氮化钛 → 发出樱红色泛光;
  氩气电离放电,硅靶通氮气反应沉积生成氮化硅 → 粉红(桃红)色泛光。

  ④ 在磁控溅射镀膜的工艺试验过程中,磁控靶前发出了某种颜色的特征泛光,说明该种靶材离子的存在,特征泛光的亮度和强度可以间接反映出该种靶材离子被溅射出来的相对数量。人们常以磁控靶前气体放电发光的颜色的不同作为某种靶材离子是否被溅射出来了的重要判据之一。

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