薄膜物理3-1 磁控溅射原理

子体。 “雪崩点火”后，离子轰击阴极．释放出二次电子，二次电子与中性气体
分子碰撞．产生更多的离子，这些离子再轰击阴极，又产生出新的更多的二次电
子。
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一旦产生了足够多的离子和电子后，放电达到自持，气体开始起辉， 两极间电流剧增，电压迅速下降，放电呈现负阻特性。曲线CD区域叫做 过渡区。
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2、汤森放电
随着电压逐渐升高，电离粒子的运动速度也随之加快，即电流随电压上升 而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而增加。 此时，电流达到了一个饱和值，曲线中第一个垂直段(AB段)。 当电压继续升 高时，离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来，在碰撞 趋于频繁的同时，外电路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加。
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在正常辉光放电时．放电自动调整阴极轰击面积；最初，轰击是不均匀的， 轰击集中在靠近阴极边缘处，或在表面其他不规则处。随着电源功率的增 大．轰击区逐渐扩大，直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。正常辉光放电时 的电流密度仍比较小，所以在溅射等方面均是选择在非正常辉光放电区工作。
4、异常辉光放电
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此时，一方面离子对阴极的碰撞将使其产生二次电子的发射，而电子能 量也增加到足够高的水平，它们与气体分子的碰撞开始导致后者发生电离。 这些均产生新的离子和电子，即碰撞过程使得离子和电子的数目迅速增加。 这时，随着放电电流的迅速增加，电压的变化却不大。——汤森放电
上述两种情况的放电，都以有自然电离源为前提，如果没有游离的电子
将电离源去掉放电仍能维持，
则称为自持放电过程。
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为维持放电进行，下述两个过程必不可少：
a) 电子的繁衍，开始由阴极表面发射出一个电子（初始电子）， 该电子在电极间电压的作用下，向阳极运动。当电子能量超过 一定值后，使气体原子发生碰撞电离，后者被电离为一个离子 和一个电子。这样，一个电子就变为两个电子，重复这一过程 ，即实现电子的所谓繁衍。
E点以后，当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增加电源功率， 会使放电区内的电压和电流密度同时增大，即两极间的电流随着电压的
增大而增大，EF这一区域称“异常辉光放电区”。
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异常辉光放电是一般薄膜溅射或其他薄膜制备方法经常采用的 放电形式，因为它可以提供面积较大、分布较为均匀的等离子体， 有利于实现大面积的均匀溅射和薄膜沉积。
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在D点以后，放电区由原来只集中于阴极边缘和不规则处变成向整
个电极表面扩展。在这一阶段，电流与电压无关，而只与阴极板上产生
辉光的表面积有关。且气体中导电粒子的数目大量增加，粒子碰撞过程
伴随的能量转移也足够地大，因此放电气体会发出明显的辉光。 维持辉
光放电的电压较低，且不变。从D到E之间区域叫做“正常辉光放电区”。
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1、无光放电
由于在放电容器中充有少量气体，因而始终有一部分气体分子以游离状态 存在着。当两电极上加直流电压时，这些少量的正离子和电子将在电场下运动， 形成电流。曲线的开始阶段。
由于气体分子在这种情况下的自然游离数是恒定的，所以，当正离子和电 子一产生，便被电极拉过去。即使再升高电压，到达电极的电子与离子数目不 变。此时的电流密度很小，一股情况下仅有10-16-10-11安培左右。此区是导电而 不发光，所以称为无光放电区。
因为此时辉光已布满整个阴极，再增加电流时，离子层已无法向四周扩散，
这样，正离子层便向阴极靠拢，使正离子层与阴极间距离缩短．此时若要想提高
电流密度，则必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极．使阴极产生
20更20/多4/的10 二次电子才行。
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5、弧光放电
在F点以后，整个特性都改变了，两极间电压将会再次突然大幅 度下降，降至很小的数值，而电流强度则会伴随有剧烈的增加，其大 小几乎是由外电阻的大小来决定，而且电流越大，极间电压越小，FG 区域称为“弧光放电区”。此时，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可能将阴极烧毁。同时，骤然增 大的电流有损坏电源的危险。
安徽大学
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薄膜物理与技术
教师 ： 石市委 邮箱 ： swshi@ahu.edu.cn 院系 ： 物理与材料科学学院
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第三章
溅射镀膜
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3—1 气体的放电现象与等离子体
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一、 气体放电现象描述
气体放电是溅射过程的基础，所以首先讨论一下气体的 放电过程。
和正离子存在，则放电不会发生。因此，这种放电方式又称为非自持放电。
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在汤生放电阶段的后期，放电开始进入电晕放电阶段。这时，在电场强度 较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电晕光斑。——电晕放电
3、正常辉光放电
在汤生放电阶段之后，气体会突然发生放电击穿现象（雪崩点火）；气体
开始具备了相当的导电能力，我们将这种具备了—定的导电能力的气体称为等离
气体的直流放电
是在真空度为10~ 1pa的稀薄气体中，两 个电极之间加上电压 时产生的一种气体放 电现象。
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在阴阳两极间，由电动 势为E的直流电源提供靶电 压V 和靶电流 I，并以电阻 R 作为限流电阻。
将真空容器抽真空，到 达10~1pa时的某一压力时， 接通相距为d的两个电极间 的电源，使电压逐渐上升。
b) 二次电子发射过程：离子在阴极电位降的作用下，轰击阴极表 面，产生二次电子。
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气体放电时两电极间的电压和电流关系不满足欧姆定律，其伏安 特性曲线如图
放电曲线分为：
汤生放电段（气体分子开始出现电离）
辉光放电段（产生大面积辉光等离子体）
2020/4/10 弧光放电段（产生高密度弧光等离子体）
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当电压较低时，电路中仅
流过与初始电子数相当的暗电
流。随着电压增加，当加速电
子能量大到一定值之后，与中
性气体原子（分子）碰撞使之
电离，于是电子数按等比级数
迅速增加，形成电子的繁衍过
程，也称为雪崩式放电过程，
但此时的放电属于非自持放电
过程，其特点是，若将原始电
离源除去，放电立即停止。若