普通直流二极溅射是一种基础且重要的物理气相沉积技术，其核心原理是利用气体辉光放电产生的离子轰击靶材，实现薄膜沉积。
一、 装置结构
该装置主要由真空镀膜室内的两个平行平面电极构成：
阴极（靶材）：施加数千伏的直流负高压，装有直径为10-30cm的靶材。该电极必须具备冷却结构以防止靶材过热，并可附加加热功能。
阳极（基片架）：用于放置被镀工件（基片），通常与真空室壳体相连并接地。
两个电极之间的典型间距为5~10厘米。
二、工作过程与原理
1. 准备阶段：先将真空室抽至高真空（10⁻³ ~ 10⁻⁴ Pa），然后通入惰性工作气体（通常为氩气），并将气压维持在1~10 Pa的范围内。
2. 辉光放电与等离子体产生：在阴阳极间施加500~5000V的直流电压。当电压达到气体的击穿电压时，会引起气体“着火”，在两极间产生辉光放电，形成等离子体。
3. 溅射与薄膜沉积：
a. 等离子体中的正离子（Ar⁺）在电场作用下加速飞向阴极靶材，并以高能量轰击靶面，使靶材原子被溅射出来。
b. 被溅射出的靶材原子飞向阳极侧的基片，并最终沉积在基片表面，逐渐形成薄膜。
4. 放电的维持：
a. 轰击靶材的过程也会产生二次电子发射。
b. 这些二次电子被阴极附近的电场加速，获得高能量后进入等离子体区。
c. 高能电子与中性氩气原子发生碰撞，使其电离，产生新的Ar⁺和电子，从而维持辉光放电的持续进行。
三、 放电特性与关键参数
n放电状态：溅射过程通常稳定在异常辉光放电区。在此状态下，放电辉光能覆盖整个靶面，从而保证溅射和成膜的均匀性。同时，通过调节溅射电压可以方便地控制离子流，进而精确调节沉积速率。
n巴邢曲线与击穿电压：气体的击穿电压遵循巴邢曲线。例如，对于金属靶，当氩气压力为10 Pa、极间距为4 cm时（p·d = 40 Pa·cm），击穿电压约为400V，此时位于曲线最低点左侧，适当提高气压还可进一步降低击穿电压。
n工艺参数关系：在直流二极溅射中，气体压力(p)、放电电压(V) 和放电电流(I) 三个参数相互关联，只能独立改变其中两个。典型的工艺条件为：
n工作气压：10 Pa (范围10~100 Pa)
n靶电压：3000 V (范围1000~5000 V)
n靶电流密度：1~10 mA/cm²
n沉积速率估算：以镍靶为例，其溅射产额约为3原子/离子，据此可推算出的靶材刻蚀速率约为1.5 nm/s。若忽略气体散射造成的损失，可以认为沉积速率与此值相近。
四、 等离子体特性与基片电位
Ø粒子能量与速度：在辉光放电等离子体中，电子平均能量（~2 eV）远高于离子能量（~0.04 eV），加之电子质量极小，导致电子的运动速度比离子快数千倍。
Ø悬浮电位的形成：由于电子和离子的密度相等但电子扩散速度极快，当它们向等离子体中悬浮的基片扩散时，电子会率先到达并在基片上累积，使基片表面带负电，这个负电位（即悬浮电位，相对于等离子体电位约为-10V）会排斥后续电子，直到电子和离子的到达速率相等，达到动态平衡。
总而言之，直流二极溅射可以概括为：电离效应是条件，溅射效应是手段，沉积效应是目的。
客服1