[科普中国]-辉光放电加热

辉光放电加热是指利用稀薄气体的辉光放电现象加热工件表面和电离化学热处理介质，使之实现在金属表面渗入欲渗元素的工艺。

简介利用稀薄气体的辉光放电现象加热工件表面和电离化学热处理介质，使之实现在金属表面渗入欲渗元素的工艺称为辉光放电离子化学热处理，简称离子化学热处理。因为在主要工作空间内是等离子体，故又称等离子化学热处理。

采用不同成分的放电气体，可以在金属表面渗入不同的元素。和普通化学热处理相同，根据渗入元素的不同，有离子渗碳、离子渗氮、离子碳氮共渗、离子渗硼、离子渗金属等等。其中离子渗氮已在生产中广泛地应用。

低压气体中显示辉光的气体放电(空气中的电子大概在1000对/cm3，由于高压放电现象在低气压状态下会产生辉光现象）现象。在置有板状电极的玻璃管内充入低压（约几毫米汞柱）气体或蒸气，当两极间电压较高（约1000伏）时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。辉光放电的特征是电流强度较小（约几毫安），温度不高，故电管内有特殊的亮区和暗区，呈现瑰丽的发光现象。

辉光放电时，在放电管两极电场的作用下，电子和正离子分别向阳极、阴极运动，并堆积在两极附近形成空间电荷区。因正离子的漂移速度远小于电子，故正离子空间电荷区的电荷密度比电子空间电荷区大得多，使得整个极间电压几乎全部集中在阴极附近的狭窄区域内。这是辉光放电的显著特征，而且在正常辉光放电时，两极间电压不随电流变化1。

分析在阴极附近，二次电子发射产生的电子在较短距离内尚未得到足够的能使气体分子电离或激发的动能，所以紧接阴极的区域不发光。而在阴极辉区，电子已获得足够的能量碰撞气体分子，使之电离或激发发光。其余暗区和辉区的形成也主要取决于电子到达该区的动能以及气体的压强（电子与气体分子的非弹性碰撞会失去动能）。

辉光放电的主要应用是利用其发光效应（如霓虹灯、日光灯）以及正常辉光放电的稳压效应（如氖稳压管）。

低压气体放电的一种类型，在发射光谱分析中用作气体分析和难激发元素分析的激发光源。在玻璃管两端各接一平板电极，充入惰性气体，加数百伏直流电压，管内便产生辉光放电，其电流为10-4～10-2A。放电形式与气体性质、压力、放电管尺寸、电极材料、形状和距离有关。

直流辉光放电①在阴-阳极间加上直流电压时，腔体内工作气体中剩余的电子和离子在电场的作用下作定向运动，于是电流从零开始增加；

②当极间电压足够大时，所有的带电离子都可以到达各自电极，这时电流达到某一最大值(即饱和值);

③继续提高电压，导致带电离子的增加，放电电流随之上升;当电极间的放电电压大于某一临界值(点火起辉电压)时，放电电流会突然迅速上升，阴-阳极间电压陡降并维持在一个较低的稳定值上。工作气体被击穿、电离，并产生等离子体和自持辉光放电，这就是“汤生放电”的基本过程，又称为小电流正常辉光放电。

④磁控靶的阴极接靶电源负极，阳极接靶电源正极，进入正常溅射时，一定是在气体放电伏-安特性曲线中的“异常辉光放电区段” 运行。其特点是，随着调节电源输出的磁控靶工作电压的增加，溅射电流也应同步缓慢上升2。

脉冲直流辉光放电脉冲或正弦半波中频靶电源的单个脉冲的气体放电应与直流气体放电伏-安特性曲线异常辉光放电段及之前段的变化规律相符。可以将其视为气体放电伏-安特性在单个脉冲的放电中的复现。脉冲直流靶电源在脉冲期间起辉溅射，在脉冲间隙自然灭辉(因频率较高，肉眼难以分辨)。

溅射靶起辉放电后，当电源的输出脉冲的重复频率足够高时，由于真空腔体内的导电离子还没有完全被中和完毕，第二个(以后)重复脉冲的复辉电压与溅射靶的工作电压接近或相同。当电源输出脉冲的重复频率很低(例如几百HZ以下)或灭弧时间过长(大于100ms以上)，溅射靶起辉放电后，由于真空腔体内的导电离子已基本被中和掉，第二个(以后)重复脉冲的复辉电压恢复至较高数值，与点火起辉时的高电压接近或相同。

交流辉光放电用于磁控溅射镀膜气体放电的交流电源主要有双极性脉冲(矩形波或正弦波)中频靶电源与射频靶电源两大类别。

① 双极脉冲中频靶电源用于辉光放电

a. 矩形波或正弦波中频靶电源进行气体辉光放电共同特点：

当交流电压的频率较低(50HZ~5KHZ)时，工作气体起辉点火电压与直流放电时基本相同。当电压的频率增加到中频时，起辉点火电压比用纯直流靶电源时降低很多。

双极性脉冲中频靶电源一般带孪生靶或双靶运行。两个靶的工作电压极性相反同时又不断互换极性，电压极性为负时的磁控靶发生溅射，极性为正时的那个磁控靶不产生溅射。

由于阴阳极间电场正负极性来回变化，使电子路径延长，与工作气体碰撞次数增加，故单个磁控靶承载同样功率(其它真空环境条件相同)时，选用双极脉冲中频靶电源比用纯直流靶电源和脉冲直流中频靶电源时，工作气体的离化几率和靶材的沉积速率均要高一些。

磁控靶阴极电压极性为负时，其单脉冲气体放电应与直流气体放电伏-安特性曲线异常辉光放电段及之前段的变化规律(趋势)相符。

双极性脉冲中频靶电源，根据有无“串联电压调整”电路有分为“工艺型”和“经济型”两种。

b. 两种靶电源不同之处：

选用(工艺型)双极矩形波或正弦波中频靶电源，因其输出的电压和电流的占空比可以大范围连续调节，镀膜时电源的工艺参数适应范围比“经济型”中频靶电源要宽很多；适用于需要经常变化的磁控溅射镀膜工艺和不同材质的膜层。

(经济型)双极性矩形波或正弦波中频靶电源的输出电压或电流的工艺调节范围偏窄，若相关参数选配合适，一般可用于磁控溅射镀膜工艺相对固定和单一的工业生产中，其优点是靶电源价格可以相对便宜。

选用正弦波中频靶电源，由于波形的原因，靶面产生打弧的几率更低并优于双极性矩形波中频靶电源。更适合于对薄膜表面和膜层质量要求较高的溅射工艺。

② 射频(13.56M)靶电源用于辉光放电

在射频辉光放电空间中，高频电子震荡已能产生足够的工作气体电离，对二次电子发射的依耐性减少了。射频磁控溅射气体放电时等离子阻抗低，工作气体击穿点火电压和维持异常辉光放电电压比中频靶电源时又要降低很多(点火电压只有直流放电等离子辉光放电时的五分之一~八分之一)。

一般来说，射频辉光放电与直流及中频交流脉冲辉光放电相比，可以在低一个数量级的气体压强状态下进行(例如，1.0×1-2Pa)。

磁控靶射频放电的阴极是电容耦合电极，阳极接地;射频电压可以穿过任何种类的阻抗，所以电极就不再要求是导体；电容耦合穿过绝缘材料或空间，电极就不再限于导电材料，可以溅射任何材料，因此射频辉光放电广泛用于绝缘或介质材料的溅射沉积镀膜。

在运行的射频辉光放电等离子体中，由于离子和电子迁移率的不同将导致阴极负偏压的形成，在阴极表面建立一个直流负偏压是进行射频溅射工艺的必要条件。两个面积相等的电极置于射频辉光放电等离子体中，不可能建立阴极靶表面的负偏压，不可能产生溅射。将两个面积不相等的电极置于射频(例如13.56MHZ)辉光放电离子体中形成非对称放电，面积小的那个电容耦合阴极有可能形成并建立阴极靶表面的负偏压，并能产生溅射。

电容耦合型射频(RF)放电电极自给偏压的形成，可以防止绝缘层表面正电荷的积累，有助于射频放电的维持。阴极靶表面的“自生负偏压”的数值可以近似等于射频溅射电压的幅值，最高时可达千伏量级。

射频磁控溅射气体放电时，由于射频靶电源输出交变高频正弦电压波形，致使电子碰撞工作气体的几率大为增多，工作气体离化率高，等离子阻抗低，射频磁控溅射膜层沉积速率为二极射频溅射的数倍3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学