射频磁控溅射镀膜过程及机制（硕士论文草稿，有摘抄有实验有推断(2)

量传递给Ar原子，而无法打出电子；而电子则质量较小，体积也小，可以与Ar原子中的电子发生碰撞，从而把Ar原子中的电子打出，但可以把Ar原子中的电子打出）

巴邢曲线是针对直流溅射的曲线。

本文中，靶与衬底的间距为5cmm（需要实际再测量一下），而起辉时，气压在5Pa以上，P*D也即25帕。Cm，0.2Torr.cm,对应于巴邢曲线则为1KV以上，而本设备的起辉的电压不超过500V，明显偏低。

5）弧光放电

异常辉光放电时，在某些因素的影响下，常有转变为弧光放电的危险，此时，极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短路，且放电集中在阴极的局部地区，致使电流密度过大而将阴极烧毁，同时骤然增大的电流有损坏电源的危险。

此时可能是导致突然两电极之间的电子流通过多，过快，在这一相对区域，电流迅速增加；产生弧光，；有可能是由于两电极的某一区域，突然有Ar气被大比例电离，并引发更多的Ar气电离，产生区域内的雪崩效应）

两电极之间发生正常辉光放电时，电压电流关系如上。

两电极之间发生异常辉光放电（即溅射区域）时，电压V与电流密度j和气压P的函数关系如下：

V=E+F（j）1/2/P

其中V为放电电压，j为电流密度，E和F是由电极材料、尺寸、和气体种类决定的常数。

在达到异常辉光放电区后，继续增大电压，一方面有更多的正离子轰击阴极产生大量电子发射，另一方面因阴极暗区随电压增加而收缩。

如果室壁或其他物体正好位于阴极附近，则离子密度和溅射速率的均匀性将发生严重差别，由于离子轰击是清除表面杂质的一种方法，任务杂质一经释放，

将会成为放电的成本 ，并进而混入沉积的薄膜中。所以，无关零件应远离阴极及沉积区。

低压直流辉光放电时的暗区和亮区的分布。

从冷阴极发射的电子能量只有1eV左右，很少发生电离碰撞，所以在阴极附近形成暗区。（阿斯顿暗区）被正离子从阴极轰击出来的电子，其初始动能较小，仅有1eV左右。难以和Ar发生电离碰撞。所以在阴极附近形成暗区，没有辉光。

然后是比较明亮的阴极辉光区：它是在加速电子碰撞气体分子后，激发态的分子衰变，和进入该区的离子复合而形成中性原子造成的。电子经电场而加速，假设正负极间电压为400v,则电子加速一段距离，也会有几十电子伏特，有一定的动能，然后会增加与Ar气碰撞的机率。碰撞后，会使一部分Ar气激发，然后衰变放出光子，碰撞后失去部分动能的电子与Ar正离子发生复合的机率增加，复合产生的Ar原子衰变为低能态时也会释放光子，所以在这一区域形成阴极辉光区。

随着电子继续加速，获得足够动能，穿过阴极辉光区后，与正离子不易复合，所以又出现一个暗区。这一暗区的宽度与电子的平均自由程（也即电子的压强）有关。（克鲁克暗区）

没有复合以及在阴极辉光区电离新产生的电子，继续加阳极加速前进，穿过阴极辉光区后，电子获得的动能已经很大，所以与正离子不易复合，所以这一区域没有辉光产生。这个暗区的宽度与电子的平均自由程有关，是因为电子的平均自由程内，不发生碰撞的话，其动能就不会降下来，与正离子复合的机率就会很小。

随着电子速度的加大，很快获得了足以引起电离的能量，于是离开阴极暗区后便大量产生电离，在此空间由于电离而产生大量的正离子，由于正离子的质量较大，故向阴极和运动速度较慢，所以，由正离子组成了空间电荷并在该处聚积起来，使这一区域的电位升高，而与阴极形成很大电位差，此电位差常称为阴极辉光放电的阴极压降。正是由于在此区域的正离子很大，所以电子经过碰撞后速度降低，使电子与正离子的复合几率增多，从而造成了有明亮辉光的负辉光区。电子在克鲁克斯暗区获得了更大的动能，于是在离开阴极暗区后，对Ar电离的机率就变得非常大，在这一区域内产生大量的Ar+离子，正离子的质量较大，向

阴极运动的速度就很慢，所以正离子在这一区域内聚积，也导致了这一区域内电势很高。这一区域内，正离子密度很大，而且高速的电子又因碰撞电离Ar气而速度降下来，所以复合的几率很高，复合产生的Ar原子处于激发态，衰变时就会释放大量光子，从而在这一区域形成明亮的负辉光区。

在溅射过程中，基板常处于负辉光区。

而在射频溅射中，由于两电极间不断、高速变换的电场，导致两极中间，积累的正离子数量会更多，这里的辉光也就更强。，

经过负辉光区后，多数电子都已经丧失了能量，只有少数电子穿过负辉光区。在负辉光区与阳极之间是法拉第暗区和阳极光柱，这些区域几乎没有电压降，唯一的作用是连接负辉光区和阳极，这是因为在法拉第暗区后，少数电子逐渐加速并在空间与气体分子碰撞而产生电离，由于电子数较少，产生的正离子不会形成密集的空间电荷，所以在这一较大空间内，形成电子与正离子密度相等的区域。空间电荷作用不存在，使得此区间的电压降很小，很类似于一个良导体。

在溅射过程中，基板（阳极）常处于负辉光区。但是阴极和基板之间的距离至少应是克鲁克暗区宽度的3~4倍。当两极间的电压不变而只改变其距离时，阴极到负辉光区的距离几乎不变。

上图所列的放电区结构是属于长间隙的情况，而溅射时的情况属于短间隙辉光放电，这时并不存在法拉第暗区和正离子柱。

与溅射现象有关的主要问题：

一是，在克鲁克斯暗区周围所形成的正离子会冲击阴极；

二，当两极板间的电子不变而改变两极间的距离时，主要发生变化的是由等离子体构成的阳极光柱部分的长度，而从阴极到负辉光区的距离是几乎不变的。这是由于两电极间电压的下降几乎都发生在阴极到负辉光区之间，因而使由辉光放电产生的正离子撞击阴极，把阴极原子溅射出来，这就是一般的溅射法。

4）低频交流辉光放电

在频率低于50KHZ的交流电条件下（即电压的方向每秒改变50000次，每次电压方向变化的时间为2e-5秒）,离子有充分的时间在每个半周的时间内，在各

个电极上建立直流辉光放电。基本上类同直流辉光放电。

射频辉光放电：

一般在5~300MHz的射频溅射频率下，将产生射频放电 ，这时外加电压的变化周期小于电离和消电离所需时间（一般在10-6秒左右），等离子体浓度来不及变化。由于电子质量小，很容易跟随外电场从射频场中吸收能量并在场内作振荡运动。但是，电子在放电空间的运动路程不是简单的从一个电极到另一个电极的距离，而是在放电空间不断来回运动，经过很长的路程，因此，增加了与气体分子的碰撞几率，并使电离能力显著提高，从而使击穿电压（Ar气的击穿电压，也不是起辉电压）和维持放电时的工作电压均降低（一般工作电压只有直流辉光放电的1/10）,本实验所用设备在Ar气压为3Pa以上时，起辉电压为500V；起辉后，把气压降为所需压强（一般1Pa附近），则工作电压仅需要300V; 由于正离子质量大，运动速度低，上电源极性的改变，所以可以近似地认为正离子在空间不动并形成更强的空间电荷。

虽然大多数正离子的运动性小，可以忽略他们对电极的轰击，但是，若有一个或两个电极通过电容耦合到射频振荡器上，将在该电极上建立一个脉动的负电压。由于电子和离子迁移率的差别，辉光放电的I-V特性类似于一个有漏电的二极管整流器。也就是说，在通过电容器引入射频电压时，将有一个大的初始电流存在，而在第二个半周期内仅有一个相对较小的离子电流流过，所以通过电容器传输电荷时，电极表面的电位必然自动偏置为负极性。直到有效电流（各周的平均电流）为）0，平均直流电位V的数值近似在与所加峰值电压相等。

如果在射频溅射装置中，将溅射靶与基片完全对称配置，正离子以均等的几率轰击溅射靶和基片，溅射成膜是不可能的，实际上，只要求靶上得到溅射，那么这个溅射靶电极必须绝缘起来，并通过电容耦合到射频电源的一极。另一电极（真空室壁）为直接耦合电极（即接地电极），而且靶面积必须比直接耦合电极ih 实际上，由于直接耦合电极是整个系统的内壁，包括底板，真空室壁在内，尺寸比靶大得多。所以射频辉光放电时等离子体对接地零件只有极微小的轰击，而对溅射靶却进行强烈火轰击并使之产生溅射。

通常工业用频率为13.56MHz，以避免对通信的干扰。

二溅射特性：

表征溅射特性的参量主要有溅射率、溅射阈值，以及溅射粒子的速度和能量等。

1，溅射阈值是指，使靶材原子发生溅射的入射必须具有的最小能量。溅射阈值与入射的离子质量之间无明显的依赖关系，而主要取决于靶材料。对于周表中同一周期的元素，溅射阈值随着原子序数增加而减小，对大部分金属来说，溅射阈值为10~30eV,

对于Ar离子 Zn ： 3eV;

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