溅射镀膜工艺-射频辉光放电

        射频辉光放电 在一定气压下，当阴阳极间所加交流电压的频率增高到射频频率时，即可产生稳定的射频辉光放电。射频辉光放电有两个重要的特征:第一，在辉光放电空间产生的电子，获得了足够的能量，足以产生碰撞电离。因而，减少了放电对二次电子的依赖，并且降低了击穿电压。第二，射频电压能够通过任何一种类型的阻抗耦合进去，所以电极并不需要是导体，因而，可以溅射包括介质材料在内的任何材料。因此，射频辉光放电在溅射技术中的应用十分广泛。

        一般，在5~30MHz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由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概率，并使电离能力显著提高，从而使击穿电压和维持放电的工作电压均降低(其工作电压只有直流辉光放电的 1/10)。所以射频放电的自持要比直流放电容易得多。

       通常，射频辉光放电可以在较低的气压下进行。例如，直流辉光放电常在10⁰~10^-1Pa进行，射频辉光放电可以在10^-1~10^-2Pa进行。另外，由于正离子质量大，运动速度低，跟不上电源极性的改变，所以可以近似认为正离子在空间不动，并形成更强的正空间电荷，对放电起增强作用。

       虽然大多数正离子的活动性甚小，可以忽略它们对电极的轰击。但是，若有个或两个电极通过电容耦合到射频振荡器上，将在该电板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极管整流器 (见图2-43)。

       也就是说，在通过电容器引人射频电压时，将有一个大的初始电流存在，而在第二个半周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)为零。平均直流电位 V的数值近似地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，正离子以均等的概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上去。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小。设辉光放电空间与靶之间的电压为 Vc，辉光放电空间与直接合电极之间的电压为 Vd(见图 2-44)，则两个电压之间存在如下近似理论关系:

Vc/Vd=(Ad/Ac)^A(2-81)

式中，Ac和Ad分别为容性耦合电极 (即溅射靶) 和直接耦合电极(即接地电极)的面积。实际上，由于直V接耦合电极是整个系统的地，包括底板、真空室壁等在内，Ad尺寸比 Ac大得多。所以，Vc>Vd，即Vc与Vd二者之间在实际上并不具有 4 次方关系。因此，平均壳层电压在靶电位和地之间变化，如图 2-45 所示。所以射频辉光放电时等离子体中离子对接地零件只有极微小的轰击，而对溅射靶却进行强烈轰击并使之产生溅射。

       射频放电虽然可在5~30MHz 频率范围内进行，实际上，通常工业用频率为13.56MHz，主要是为了避免对通信的干扰，此时气体压强可降到 0.13Pa 或更低。