1、輝光放電

　　通常把在電場作用下氣體被擊穿而導電的物理現象稱之為氣體放電。氣體放電有“輝光放電”和“弧光放電”兩種形式。輝光放電又分為“正常輝光放電”與“異常輝光放電”兩種，它們是磁控濺射鍍膜工藝過程中產生等離子體的基本環節。

　　輝光放電(或異常輝光放電)可以由直流或脈沖直流靶電源通過氣體放電形成,也可以用交流(矩形波雙極脈沖中頻電源、正弦波中頻與射頻)靶電源通過真空市內的氣體放電產生。

　　氣體放電時，充什么樣的工作氣體、氣壓的高低、電流密度的大小、電場與磁場強度的分布與高低、電極的不同材質、形狀和位置特性等多種因素都會影響到放電的過程和性質，也會影響到放電時輻射光的性質和顏色。

(1)直流輝光放電

　　① 在陰-陽極間加上直流電壓時，腔體內工作氣體中剩余的電子和離子在電場的作用下作定向運動，于是電流從零開始增加;

　　② 當極間電壓足夠大時，所有的帶電離子都可以到達各自電極，這時電流達到某一最大值(即飽和值);

　　③ 繼續提高電壓，導致帶電離子的增加，放電電流隨之上升;當電極間的放電電壓大于某一臨界值(點火起輝電壓)時，放電電流會突然迅速上升，陰-陽極間電壓陡降并維持在一個較低的穩定值上。工作氣體被擊穿、電離，并產生等離子體和自持輝光放電，這就是“湯生放電”的基本過程，又稱為小電流正常輝光放電。

　　④ 磁控靶的陰極接靶電源負極，陽極接靶電源正極，進入正常濺射時，一定是在氣體放電伏-安特性曲線中的“異常輝光放電區段” 運行。其特點是，隨著調節電源輸出的磁控靶工作電壓的增加，濺射電流也應同步緩慢上升。

(2)脈沖直流輝光放電

　　脈沖或正弦半波中頻靶電源的單個脈沖的氣體放電應與直流氣體放電伏-安特性曲線異常輝光放電段及之前段的變化規律相符。可以將其視為氣體放電伏-安特性在單個脈沖的放電中的復現。脈沖直流靶電源在脈沖期間起輝濺射，在脈沖間隙自然滅輝(因頻率較高，肉眼難以分辨)。

　　濺射靶起輝放電后，當電源的輸出脈沖的重復頻率足夠高時，由于真空腔體內的導電離子還沒有完全被中和完畢，第二個(以后)重復脈沖的復輝電壓與濺射靶的工作電壓接近或相同。當電源輸出脈沖的重復頻率很低(例如幾百HZ以下)或滅弧時間過長(大于100ms以上)，濺射靶起輝放電后，由于真空腔體內的導電離子已基本被中和掉，第二個(以后)重復脈沖的復輝電壓恢復至較高數值，與點火起輝時的高電壓接近或相同。

(3)交流輝光放電

　　用于磁控濺射鍍膜氣體放電的交流電源主要有雙極性脈沖(矩形波或正弦波)中頻靶電源與射頻靶電源兩大類別。

　　① 雙極脈沖中頻靶電源用于輝光放電

　　a. 矩形波或正弦波中頻靶電源進行氣體輝光放電共同特點：

　　· 當交流電壓的頻率較低(50HZ~5KHZ)時，工作氣體起輝點火電壓與直流放電時基本相同。當電壓的頻率增加到中頻時，起輝點火電壓比用純直流靶電源時降低很多。

　　· 雙極性脈沖中頻靶電源一般帶孿生靶或雙靶運行。兩個靶的工作電壓極性相反同時又不斷互換極性，電壓極性為負時的磁控靶發生濺射，極性為正時的那個磁控靶不產生濺射。

　　· 由于陰陽極間電場正負極性來回變化，使電子路徑延長，與工作氣體碰撞次數增加，故單個磁控靶承載同樣功率(其它真空環境條件相同)時，選用雙極脈沖中頻靶電源比用純直流靶電源和脈沖直流中頻靶電源時，工作氣體的離化幾率和靶材的沉積速率均要高一些。

　　· 磁控靶陰極電壓極性為負時，其單脈沖氣體放電應與直流氣體放電伏-安特性曲線異常輝光放電段及之前段的變化規律(趨勢)相符。

　　· 雙極性脈沖中頻靶電源，根據有無“串聯電壓調整”電路有分為“工藝型”和“經濟型”兩種。

　　b. 兩種靶電源不同之處：

　　· 選用(工藝型)雙極矩形波或正弦波中頻靶電源，因其輸出的電壓和電流的占空比可以大范圍連續調節，鍍膜時電源的工藝參數適應范圍比“經濟型”中頻靶電源要寬很多;適用于需要經常變化的磁控濺射鍍膜工藝和不同材質的膜層。

　　· (經濟型)雙極性矩形波或正弦波中頻靶電源的輸出電壓或電流的工藝調節范圍偏窄，若相關參數選配合適，一般可用于磁控濺射鍍膜工藝相對固定和單一的工業生產中，其優點是靶電源價格可以相對便宜。

　　· 選用正弦波中頻靶電源，由于波形的原因，靶面產生打弧的幾率更低并優于雙極性矩形波中頻靶電源。更適合于對薄膜表面和膜層質量要求較高的濺射工藝。

　　② 射頻(13.56M)靶電源用于輝光放電

　　· 在射頻輝光放電空間中,高頻電子震蕩已能產生足夠的工作氣體電離，對二次電子發射的依耐性減少了。射頻磁控濺射氣體放電時等離子阻抗低，工作氣體擊穿點火電壓和維持異常輝光放電電壓比中頻靶電源時又要降低很多(點火電壓只有直流放電等離子輝光放電時的五分之-~八分之一)。

　　· 一般來說，射頻輝光放電與直流及中頻交流脈沖輝光放電相比，可以在低一個數量級的氣體壓強狀態下進行(例如，1.0×1-2Pa)。

　　· 磁控靶射頻放電的陰極是電容耦合電極，陽極接地;射頻電壓可以穿過任何種類的阻抗，所以電極就不再要求是導體;電容耦合穿過絕緣材料或空間，電極就不再限于導電材料，可以濺射任何材料，因此射頻輝光放電廣泛用于絕緣或介質材料的濺射沉積鍍膜。

　　· 在運行的射頻輝光放電等離子體中，由于離子和電子遷移率的不同將導致陰極負偏壓的形成，在陰極表面建立一個直流負偏壓是進行射頻濺射工藝的必要條件。兩個面積相等的電極置于射頻輝光放電等離子體中，不可能建立陰極靶表面的負偏壓，不可能產生濺射。將兩個面積不相等的電極置于射頻(例如13.56MHZ)輝光放電離子體中形成非對稱放電，面積小的那個電容耦合陰極有可能形成并建立陰極靶表面的負偏壓，并能產生濺射。

　　· 電容耦合型射頻(RF)放電電極自給偏壓的形成，可以防止絕緣層表面正電荷的積累，有助于射頻放電的維持。陰極靶表面的“自生負偏壓”的數值可以近似等于射頻濺射電壓的幅值，最高時可達千伏量級。

　　· 射頻磁控濺射氣體放電時，由于射頻靶電源輸出交變高頻正弦電壓波形，致使電子碰撞工作氣體的幾率大為增多，工作氣體離化率高，等離子阻抗低，射頻磁控濺射膜層沉積速率為二極射頻濺射的數倍。

2、等離子體

　　① 在真空磁控濺射鍍膜技術中的等離子體，一般是電場作用下通過工作氣體放電形成的。構成分子的原子獲得足夠大的的動能，開始彼此分離，原子的外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子，失去電子的原子變成正離子。這一過程叫電離。等離子體是一種電離氣體，是離子、電子和高能原子等的集合體;正離子和電子總是成對的出現，總數大致相等，整體呈準電中性，它是一種由帶電粒子組成的電離狀態，稱為物質的第四態-等離子態。

　　② 對氣體放電形成等離子體施加電壓或電場，伴隨導電離子、粒子、電子等的移動，在等離子體中會流過電流，這就是等離子體的導電性。

　　③ 在氣相沉積過程中，工作氣體和靶材金屬原子被高能電子撞擊電離為由電子、氣體離子和金屬離子等導電粒子組成的等離子體。

3、氣體與靶材離子的復合

　　① 氣體電離產生的電子經數次碰撞后，能量逐漸降低，逐步遠離靶面;一部分以很低的能量飛落在真空室內壁(即靶電源陽極)上;另一部分與遷移、穿越等離子體區的氣體或金屬的正離子復合成中性分子，這種帶電粒子的消失現象又稱為“消電離”。

　　② 工作氣體的電離與靶材的的離化;正離子與電子與正負帶電粒子的復合現象，使真空腔體內等離子體處于上述不斷發生的電離、離化與復合(消電離)的動態平衡之中。

4、激發態原子的發光現象

　　① 眾多的常態原子中的電子在被碰撞吸收了入射電子的能量后，原子由低能級躍遷到高能級，成為激發態原子。激發態原子是不穩定的，會在10-7~10-8S內會放出所得能量, 回復到低能級基態時并發射光子，以發光的形式釋放多余能量，在真空磁控濺射過程中，我們可以看到靶材原子與氣體原子的回復發光現象。

　　② 靶材原子與氣體原子獲能后，在靶面完成濺射的同時, 形成放電輝光和光圈;氣體放電發出的特征光的顏色和深淺，與工作氣體和靶材原子的種類、壓力和放電電流大小有關;電流大小或者工作氣體壓力不同，放電輝光和光圈的顏色和深淺程度均有一定程度的變化和差別。

　　例如：
　　氬氣放電 → 淡紫藍色光;
　　氮氣放電 → 粉紅光色;
　　氦氣放電 → 淡黃到橙;
　　氖氣放電 → 暗紅到橙;
　　氪氣放電 → 白或灰,低壓時綠;
　　氙氣放電 → 藍白或藍灰。　　

　　③ 氣體放電特征光的顏色還與陰極濺射靶的材料有關。

　　例如：
　　氬氣電離放電，銅靶原子被濺射出來 → 發出綠色泛光;
　　氬氣電離放電，鋁靶原子被濺射出來 → 發出藍白色泛光;
　　氬氣電離放電，鈦靶原子被濺射出來 → 發出蔚藍色泛光;
　　氬氣電離放電，鎳靶原子被濺射出來 → 發出淺黃偏粉紅泛光;
　　氬氣電離放電，鉻靶原子被濺射出來 → 發出淺草綠色泛光;
　　氬氣電離放電，鈦靶通氮氣反應沉積生成氮化鈦 → 發出櫻紅色泛光;
　　氬氣電離放電，硅靶通氮氣反應沉積生成氮化硅 → 粉紅(桃紅)色泛光。

　　④ 在磁控濺射鍍膜的工藝試驗過程中，磁控靶前發出了某種顏色的特征泛光，說明該種靶材離子的存在，特征泛光的亮度和強度可以間接反映出該種靶材離子被濺射出來的相對數量。人們常以磁控靶前氣體放電發光的顏色的不同作為某種靶材離子是否被濺射出來了的重要判據之一。