プラズマによるグロー放電

- Dec 28, 2018-

プラズマによるグロー放電


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グロー放電

 

ガスが電場の作用の下で分解されそして電気を通すという物理的現象は通常ガス放電と呼ばれる。 ガス放電には「グロー放電」と「アーク放電」の2つの形態があります。 グロー放電は「正常グロー放電」と「異常グロー放電」に分けられ、マグネトロンスパッタリングコーティングプロセスにおけるプラズマ生成の基本的なつながりです。

グロー放電(または異常グロー放電)は、ガス放電による直流またはパルスの直流ターゲット電力、または真空中でのガス放電による交流(電力の場合は矩形波バイポーラパルス、正弦波の場合およびRF)ターゲット電力によって発生させることができる。部屋。

 

ガス放電中、作動ガス、圧力、電流密度、電場および磁場強度の分布および高さ、異なる材料、電極の形状および位置特性などの様々な要因が、放電のプロセスおよび特性、ならびに特性に影響を与える。放電中の放射光の色と色

 

(1)直流グロー放電

1)陽極と陰極との間に直流電圧を加えると、方向性運動のために電場の作用下で残留電子とイオンの中のキャビティ作動ガスとがゼロになるので、ゼロからの電流が増加する。

2)極間の電圧が十分に大きいとき、全ての荷電イオンはそれらのそれぞれの電極に到達することができ、次いで電流はある最大値(すなわち飽和値)に達する。

3)電圧を上げ続け、その結果荷電イオンが増加し、それに応じて放電電流が増加する。 電極間の放電電圧がある臨界値(着火開始電圧)よりも大きくなると、放電電流は急激に上昇し、陽極と陰極の間の電圧は急激に低下し、低い安定値を維持します。 作動ガスは、破壊され、イオン化され、プラズマおよび自立グロー放電を発生させる。これは、小電流通常グロー放電としても知られる「タウンゼント放電」の基本的なプロセスである。

4)磁気制御ターゲットのカソードがターゲットの電源の負極に接続され、アノードがターゲットの電源の正極に接続され、通常のスパッタリングに入り、ガス放電電圧でなければならない - アンペア特性曲線「異常グロー放電」セクション "操作。 その特徴は、スパッタリング電流は、電源のマグネトロンターゲット出力の動作電圧の増加とゆっくりかつ同期して上昇するはずであるということである。

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(2)パルスDCグロー放電

単一パルスのパルスまたは正弦半波中周波ターゲット電源のガス放電は、異常なグロー放電セクションおよび直流ガス放電の電圧 - 電流特性曲線の前のセクションの変化則と一致するべきである。 単一パルスの放電におけるガス放電のボルトアンペア特性の繰り返しと見なすことができる。 パルス直流ターゲット電源はパルス期間中にスパッタされ、パルスギャップ内で自然にデグローする(高周波のため、裸眼で区別することは困難である)。

 

スパッタリングターゲットの火花放電後、電源の出力パルスの繰り返し周波数が十分に高いとき、真空キャビティ内の導電性イオンは完全に中和されていないので、第2の(後の)繰り返しパルスの再照射電圧スパッタリングターゲットの動作電圧に近いか同じです。 電源出力パルスの繰り返し周波数が非常に低い(例えば、数百Hz)またはアーク放電時間が長すぎる(100msを超える)場合、グロー放電後のスパッタリングターゲットは、導電性イオンの結果として、真空チャンバは基本的に中和されており、第二(後)は高い値に回復するためにリカレッセンスパルス電圧を繰り返し、そして高電圧がそれに近いかまたはそれに近いときに点火を繰り返す。

 

プラズマ

 

(1)真空マグネトロンスパッタリングコーティング技術におけるプラズマは、一般に、作動ガスの放電による電界の作用によって形成される。 分子を構成する原子は互いに分離し始めるのに十分な運動エネルギーを得て、原子の外側の電子は核から自由になり自由電子になり、電子を失う原子は陽イオンになります。 このプロセスはイオン化と呼ばれます。 プラズマは一種のイオン化ガスであり、イオン、電子、および高エネルギー原子の集まりです。 陽イオンと電子は常に対になって現れ、総数はほぼ等しく、全体は準中性であり、それは荷電粒子からなる一種の電離状態であり、第4の物質状態 - プラズマと呼ばれます。

(2)プラズマ放電中のプラズマ電圧または電界を形成するプラズマ放電中に、プラズマ中の電流が流れる、これはプラズマの導電率である

(3)ガス堆積の過程で、作動ガスとターゲット材料の金属原子は高エネルギー電子によってイオン化され、電子、ガスイオン、金属イオンおよび他の導電性粒子からなるプラズマになる。

 

3.ガスとターゲットイオンの複合

 

(1)数回の衝突後にガスイオン化によって生成された電子。エネルギーは徐々に減少し、ターゲット表面から徐々に離れる。 それらのうちのいくつかは、非常に低いエネルギーで真空チャンバ壁(すなわちターゲット電力陽極)に落ちる。 他の部分は、移動してプラズマ領域を通過して中性分子を形成するガスまたは金属の陽イオンと混合される。 このような荷電粒子の消失は「脱イオン化」とも呼ばれます。

(2)作動ガスのイオン化とターゲット物質のイオン化。 正イオンおよび電子と正および負の荷電粒子との再結合は、上で連続的に起こるイオン化、イオン化および再結合(脱イオン化)の動的バランスで真空キャビティ内のプラズマを作る。

 

励起原子のルミネッセンス

 

(1)電子中の多くの垂直原子は、入射電子エネルギーの衝突によって吸収され、低エネルギー準位から高エネルギー準位へと原子が励起原子となる。 励起原子は不安定で、10 -7〜10 -8 s以内にエネルギーを放出します。 それらが低エネルギー基底状態に戻るとき、それらは光子を放出しそしてルミネセンスの形で過剰なエネルギーを放出するであろう。 真空マグネトロンスパッタリングの過程で、ターゲット原子とガス原子のルミネセンス現象を見ることができます。

(2)ターゲット原子およびガス原子がエネルギーを獲得した後、ターゲット表面上でのスパッタリングが同時に完了し、放電グローおよびアパーチャの形成。 ガス放電によって放出される特徴的な光の色と深さは、作動ガスとターゲット原子の種類、圧力と放電電流に関係しています。 放電グローの色および深さおよび開口は、現在の圧力または作動ガスの圧力に応じてある程度変動する。 といった:

ラベンダーの青い光へのアルゴンガス放電。

ピンク色への窒素の放出。

ヘリウムは黄色からオレンジ色に放電します。

ネオンは濃い赤色からオレンジ色に放電します。

クリプトンガスが白または灰色、低圧の緑色に放電します。

キセノンは青白または青灰色に放出されます。

(3)光の色および陰極スパッタリングターゲット材料のガス放電特性。 といった:

アルゴンイオン化放電、銅のターゲット原子がスパッタリングされ、緑色の投光照明を放出します。

アルゴンイオン化放電、アルミニウムターゲット原子がスパッタリングされ、青と白の投光照明を放出します。

アルゴンイオン化放電、チタンターゲット原子がスパッタリングされ、青い洪水光を放出します。

アルゴンイオン化放電、ニッケルターゲット原子は、薄黄色のピンクの投光照明を放出するために、スパッタリングアウトされます。

アルゴンイオン化放電、クロムターゲット原子は、薄緑色の投光照明を放出するために、スパッタリングアウトされます。

アルゴンイオン化放電、窒素反応堆積によるチタンターゲット、窒化チタン、フクシアフラッシュの製造。

アルゴンイオン化放電、窒素反応堆積によるシリコンターゲットは、窒化ケイ素からピンク色(モモ)の色投光を生成する。

(4)マグネトロンスパッタリングコーティングプロセステストのプロセスでは、特徴的なフラッシュの特定の色の前にマグネトロンターゲット、ターゲット材料のイオンの存在、特徴的なフラッシュの明るさと強度が間接的にターゲット材料のイオンの相対数を反映できるスパッタリングアウト マグネトロンターゲット前のガス放電ルミネセンスの色差は、ターゲットイオンがスパッタされているか否かについての重要な基準の1つとしてしばしば取られる。