13.1.5 气体放电在线视频

那么下边我讲第五节

就是为溅射离子镀

等离子体化学气相沉积做准备

你要无论是离子镀也好

还是溅射也好

还是等离子体化学气相沉积也好

这些你都需要离子

离子是哪来的

在气相沉积当中

这个离子是哪来的

是由气体放电产生的

那什么叫气体放电

大家伙想一想什么叫气体放电

我提这个问题

好多同学回答不出来

什么叫气体放电

什么叫气体放电

凡是电流通过气体的现象

都叫气体放电

注意凡是电流通过气体的现象

都叫做气体放电

打雷打闪 电焊

我们开电源的时候打火花

我们春天的时候

一弄头发 俩人一握手

一脱衣服 一穿衣服

就有一些个静电产生

这都是气体发电

它的共同特点

就是电流通过了气体

换句话说

气体不是个绝缘体

而是个导体

这就叫做气体放电

问题在于这个气体放电

是怎么产生的

气体放电有什么特点

气体放电作为一个导体

它是非线性的

我们知道在晶体管产生以前

都是真空管

或者叫电子管

在北京798厂

过去五十年代 六十年代

不都是大量的这个电子管嘛

真空管嘛

它利用的原理

就是气体放电

因为刚才讲了

气体作为一个放电的导体

它是非线性的

它I-A特性是非线性的

它非线性的

利用它非线性可以蒸馏

可以放大

可以变频等等这些

那么我们现在用的晶体管

也不是利用它非线性特性嘛

由于它非线性可以蒸馏

可以放大

可以变频等等这些东西

也是利用的它这个原理

好 这个气体放电

是怎么产生的

好 我们就看

这个气体放电的产生

它是什么

它是在气体两端

加上了一定的电压以后

它被击穿所产生

那么击穿是怎么产生的

就是这样

偶发的原因产生一个电子

这个电子电场当中加速

加速到一定能量

它就会使这个气体分子电离

使这个气体分子一电离

它就变成一个电子和离子了

离子

往负电荷跑

电子

往正方向跑

在跑的过程当中

又使气体分子电离

一电离又产生电子和离子

产生电子和离子

就会击穿了嘛

变成导体了嘛

它这是它这个过程

这个过程

当然如果说是你离子抨击到

固体的表面

它会产生溅射作用

这个溅射作用

会产生二次电子出来

这个二次电子参与了放电过程

它这个放电就更容易了

这是它的产生的过程

气体放电有一个伏安特性

气体放电有个伏安特性

那么横坐标是电流

纵坐标是外加电压

我们放电是怎么放的

是这样放的

辉光放电等离子体

形态和各部分的名称

就是一个放电管

里面加入一些气体

这个气体抽到一定的真空镀

两边加上电压

加上电压以后

当达到一定真空镀的时候

那个放电管里边

就会出现一些外貌

特定的外貌

这个外貌是什么

我们看这上面写的

第一是阿斯顿暗区

第二层是阴激光层

第三是阴极暗区

第四是负辉区

第五是法拉第暗区

第六是正光柱区

第七是阳极暗区

第八是阳极辉区

或者叫做阳极光层

就是说当你在一个放电管里边

充上一定的气体

一定的气体

当然这个气体的压力比较低了

两边一加上电压

加上电压加到一定程度

它就会产生

自由特定颜色的气体放电

这气体放电的外貌

刚才我讲了

就出现不同的暗亮相隔的

不同的区域

如果看它的光强分布

电位分布 场强分布

净胜的空间电荷

和电荷分布

就像我图上写的这种

我们最关心的分布

它是电位分布

注意它的主要压降区

是在阴极附近的很小的范围之内

过了这个范围之内

它的电位是直线往上走的

把这种放电叫做等离子区

为什么叫等离子区

主要是在正光柱部分

里边的离子和电子的浓度

是相等的

把它叫做等离子区

那么下边

我们就看看

辉光放电的

这个伏安特性曲线

伏安特性曲线

这个横坐标是放电的电流

纵坐标是放电的电压

注意 看这条曲线

它是一个什么

非线性的

如果是线性的

就是一条直线了

电压高 电流大

电压高 电流也大

这就是一般的电阻就是这样的

但是这个气体放电

它并不是这样

它这个伏安特性

它是这么一条曲线

这么一条曲线

我们看到虚线部分

是非自持的暗放电

那么到后边走

是自持的暗放电

什么叫非自持的

就是说你要想使它放电

外边得老给加一个电离源

加电离源它就放电

你一撤了电离源

它就暗下来了

自持的暗放电

就是达到一定的电流以后

你把外加离化源去掉以后

它自己就能放电了

它自己能放电

开始

它就随着电流增加

产生使电晕放电

前辉光放电

正常辉光放电

异常辉光放电

红光放电什么

弧光放电过渡区

弧光放电区等等

这不同的区域

那么这不同的区域

代表它气体电离不同的特点

气体电离不同的特点

我们最早有的同学讲了

那你气体放电

本来它是干燥的气体

它不导电

他为什么导电

你刚才讲了说是由电子引进来

这个电子怎么引进来的

可以这样考虑

就是你加上一定的电压以后

加在这个两极之间

这个两极之间

可能有部分的尖端

这个尖端可能它的场强非常高

场强非常高

可能把这部分击穿了

这是一个理由

另外一个理由

就是说你在这个气体放电

这个空间当中

有可能有宇宙射线射下来

γ射线射下来

射下来

使某一个或者少量的气体击穿

使它一击穿

这个气体本来是电中性的

就变成离子和电子

有了这个离子电子以后

这个电子就会在电场当中被加速

加速到一定程度

它就会什么

碰撞这个分子

使分子电离

他这一电离

就有了第二个 第三个

第四个 它就会产生放电

它是这么个过程

因此

它就表现为电晕放电

前辉光放电

正常辉光放电

异常辉光放电

我们现在离子镀和化学气相沉积

大部分利用的是异常辉光放电区

而我们平常外边用的电焊

电焊金属的时候

利用的是弧光放电

弧光放电

大电流低电压

电流到多少

到几百安培

电压到多少 几伏

我们的离子镀

我们的建设

大部分是在异常辉光放电

它是什么

几百伏的电压

几百毫安的电流

它是这么个范围之内

这样一个范围之内

那好

我们就说

要想实现气体放电

得有一定的真空镀

两边加上一定电压

这是最基本的条件

有一定的真空镀

加上一定的电压

这个气体就击穿了

一击穿了以后

它就不是电中性的了

它就把原来的这个中性的原子

被电离为电子和什么

和离子了

电子往正极跑

离子往负极跑

在跑的刚才当中

这个电子

还会把其他的原子

也给它电离了

注意 比如在真空蒸镀过程当中

是原子嘛

它反应性不太强

如果把它一电离

变成离子状态

它反应性就很强了

我们说真空镀的一般镀金属嘛

你要想镀化合物怎么办

必须得另外

把有些个 把平常的

化学气相沉积温度会降低

降的很低很低

这样

为我们应用创造了很好的条件

这就是关于气体放电

我想关于气体放电这部分内容

了解这么几部分

就是说什么叫气体放电

气体放电是产生

是怎么产生的

为什么要把气体放电引入

这气相沉积当中来

把这几个问题弄清楚

关于气体放电的更详细的理论

更详细的道理

希望同学们看看有关的书籍

在气体放电当中

非常有用的一种方法

就叫做磁控

磁控放电

磁控放电

磁控放电是怎么个意思

我们知道过去的二极溅射的

这个二极溅射

它就是简单的使它在普通

在这个真空室当中

使它电离

一电离

它就会产生离子吧

一电离产生离子

这个靶

我加上负电压

这个负电压很高

高到什么程度

高到三千伏

三千伏左右

三四千伏

甚至到七千伏

那么这个离子

就有一定的速度被加速

因为你靶上加的是负电压

离子是正的

它就会轰击这个表面

一轰击这个表面

把表面的原子就是轰击下来

这就是普通的二极溅射

不过普通的二极溅射

有什么缺点

靶尖的电压很高

靶的发热就很厉害

靶的发热很厉害

你这个另外

溅射出来的电子

也会轰击这个基板

这个基板的发热也很厉害

所以迫切需要

把这个建设速率要提高

靶的发热要降下来

基板的发热也要降下来

采取什么办法

就采取所谓的磁控放电

采取磁控放电

那么磁控放电是怎么个意思

磁控放电

就是想办法在靶上

注意 在靶上给它加上磁场

靶上加上磁场

这个磁场

注意 当然靶上已经加上电场了

靶上加的电场

是负电场

注意这个电场强度

是朝着这个靶的方向

注意电场强度是朝着靶的方向

因为靶上加的是负电压

那么在这个靶的表面

要给它产生磁场

这个磁场注意

是跟这个靶表面平行的

跟靶表面平行

加一个磁场

跟靶表面垂直加一个电场

电场是指向靶的

那么这样

在离子溅射这个靶的表面的时候

在产生原子的同时

会产生二次电子注意

产生二次电子

这个二次电子

在这种互相垂直的电场

和磁场的作用之下

注意 垂直的电场

平行的磁场

它产生了电子以后

它就会在这个互相平行的

电磁场的作用之下

像第一个图讲的

它就会沿着这个表面

做圆滚线的螺旋运动

做圆滚线的螺旋运动

注意 那么它做这种

运动的目的是什么

就是使被离子

溅射出来的那些原子

被这个电子碰撞

被这个电子一碰撞

这个原子就变成离子和电子

注意 变成离子和电子

这个电子

又被这个电磁场约束住

它又会在这个表面上

做圆滚线的螺旋运动

这样

就在靶的表面

形成了一个跑道

这个电子就在跑道上

做圆滚线运动

出来的原子被电子电离

出来的原子被电子电离

这样

在靶表面上

就会增加它的离子的密度也提高

它的电子的密度也提高

离子的密度提高

继续溅射

溅射出来的原子就多了

多完了以后

又被这个电子碰撞电离

由于磁控放电

使这个磁控溅射镀膜

跟原来的普通二极溅射镀膜

相比较起来

建设速率可以提高一两个数量级

这个电子

也被约束在表面上

电子不会跑向少量的

跑向这个基板上的也少了

靶的发热也解决了

因为靶的电压低了

原来是几千伏嘛

现在几百伏就行了

靶的电压低了

发热少了

基板的发热也少了

溅射速度提高几个数量级

而可真空镀可以提高

真空镀可以提高

因此

磁控建设是气体放电

一个非常重要的应用

注意我们刚才讲

气体放电的过程当中

同学们要明白一个概念

就是气体放电

它电离的根本原因

在于电子碰撞原子

注意电子碰撞原子

这个电子它的能量不能太高

也不能太低

太低了低于50个电子伏

注意他如果低于50个电子伏

它不能引起原子电离

如果高于三四百个电子伏

它的碰撞界面小了

最好的能量范围是多少

是一百到二百个电子伏的

这个能量是最好的

使离子电离

这种电子碰撞离子

实际上是碰撞离子

原子外边的这个电子

使这个电子被激发出去

它不变成离子了嘛

同学们有的同学讲了

你说你这个互相垂直的电磁场

被这个把这个电子约束住了

使这个电子

做圆滚线运动

这个概念接受了我们

那为什么不对离子有约束作用

为什么不对离子有约束作用

对电子有约束作用

在于离子跟电子的质量之比

差的很多

它是它的几千倍

那么这个离子

这个互相垂直电磁场

很难使这个离子拐很大的弯

所以这个离子

它还是往前走了

还是往下溅射走了

它约束不住

相反

把这个电子约束住了

使这个靶的表面产生一个

很高的电子密度

而且这个能量

又是在二百电子伏左右

因此溅射出来的原子

被电子电离了

溅射出的原子被电子电离了

溅射出的原子被电子电离了

这些原子都变成离子了

离子又轰击这个靶去了

轰击靶

又产生二次电子和离子

离子就产生了原子

产生了原子

离子又建设这个靶去了

产生的原子没有被电离的

沉积在表面上去了

产生离子又溅射靶

溅射靶

又产生原子和电子

这个电子

又在这 又把原子电离了

电离又溅射靶了

没有电离的又沉积在基板上去了

这样

它的速度非常高非常高非常高

这就叫做磁控溅射

那么根据磁控溅射靶的不一样

有圆柱靶的

你们看看这个中间这个图

还有圆形靶的 方形靶的

那么现在我们用的好多产品

都是用磁控溅射做的

比方说高大建筑那个屏幕玻璃

蓝色的 浅绿色的

那个高层建筑物的那个玻璃

都是用溅射方法做的这层膜

我到萧山去参观

几千万马克

进口的德国的设备

它的厂房有两公里这么长

三米五长

两米五的大玻璃

直接进去

从这边进去

连清洗再溅射

一层一层的膜层溅射

出去以后就是产品

大量的产品都是这样

他用的靶都是这种磁控靶

当然这个靶很宽了

还有在这个济南或者在深圳

也是我们一块合作的项目

搞这种屏蔽膜

屏蔽 比方说这个

帐军用的帐篷

盖坦克的 盖装甲车的

这些账篷

必须用电磁屏蔽

电磁屏蔽都是在织物上

沉积一层这个膜层

先是用溅射的办法

然后再电镀

延伸材料

好多也是用溅射的办法

所以这个用途很大