溅射镀膜工艺

正常与异常辉光放电： 两电极之间维持辉光放电时，放电电压与电流之间的函数关系如图2-39 所示。在一定的电流密度范围内 (可为 2~3 个数量级)，放电电压维持不变。如前所述，这一区域称为正常辉光区。在此区域内,阴极的有效放电面积随电流增加而增大，从而使阴极有效区内电流密度保持恒定不变。

       当整个阴极均成为有效放电区域之后(即整个阴极全部由辉光所覆盖)，只有增加阴极的电流密度，才能增大电流，形成均匀而稳定的“异常辉光放电”从而均匀地覆盖基片，这个放电区就是溅射区域。溅射电压 V、电流密度i和气体压强P遵守以下关系

V=E+F*√j/p 

式中，E和F是取决于电极材料、尺寸和气体种类的常数。在达到异常辉光放电区后，继续增大电压，一方面是因为有更多的正离子轰击阴极产生大量电子发射，另一方面是因为阴极暗区随电压增加而收缩，如方程式

p·d=A+BF/V-E

式中，d为暗区宽度; A、B 为与电极材料、尺寸和气体种类有关的常数。当电流密度达到约 0.1A/c㎡时，电压开始急剧降低，便出现前述的低压弧光放电在溅射时应力求避免这一现象。另外，暗区从阴极向外扩展的距离是异常辉光区中电压的函数，这一事实常为人们所忽视。在设计溅射装置时，必须加以考虑。

       在异常辉光区内，大量离子产生于负辉光中。在这种情况下，任何妨碍负辉光的物体都将影响离子轰击被遮蔽的阴极部分。在等离子体中，由于离子与电子的质量相差悬殊，因而其复合速率很低。但在放电室的壁上(或任何可遇到的表面上)，由于其动能可作为热量释出，因此很容易发生复合。如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有效方法，因而可产生另一效应。任何此类杂质一经释出后，就成为放电的成分，可能混人所淀积的薄膜中，所以，无关零件应远离阴极及淀积区。

       图 2-41 给出了低压直流辉光放电时的暗区和亮区以及对应的电位、场强空间电荷和辉光的光强分布。对这些放电区间的形成原因解释如下:由于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阿斯顿暗区。紧靠阿斯顿暗区的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，激发态的气体分子衰变和进入该区的离子复合而形成中性原子所造成的。

       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，叫做克鲁克斯暗区。克鲁克斯暗区的宽度与电子的平均自由程(即压强) 有关。随着电子速度的增大，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，故向阴极的运动速度较慢。所以，由正离子组成了空间电荷并在该处聚积起来，使该区域的电位升高，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浓度很大，所以电子经过碰撞以后速度降低，使电子与正离子的复合概率增多，从而造成有明亮辉光的负辉光区。经过负辉光区后，多数动能较大的电子都已丧失了能量，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。

       必须指出，图 2-41 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。