如上图示为DC电浆示意图,chamber内的压力可以由气体的流量以及pump的抽气速率(Pumping Speed)来控制。
当chamber的压力接近于1个大气压(Atmosphere,Atm)时,电极板表面将吸附相反的带电荷粒子使其电荷密度饱和,形成一个平板电容,此状态下电极板之间没有电荷的移动,所以电流为 0 A。反之,如果降低chamber内的压力,这腔内粒子数降低,会破坏之前的平衡状态,导致带电荷粒子正在电极板之间流动产生电流。
当chamber处于一个特定区间的低压(Low Pressure)状态时。如图示,带正电荷的气态离子会因为两电极板之间所提供的电场,加速向左电极板移动并轰击(Bombardment),进而产生二次电子(Second Electron)。因为二次电子带负电,所以将在电场加速向右电极板前进。又因为电极板之间的距离远大于电子的平均自由径,所以在2nd e- 前进时会和其他气体分子A2 碰撞产生A原子的解离反应(Dissociation)【公式1】,而此解离反应产生的二次电子能量小于10eV。而原子A也会因为撞击产生的能量被激发成激态(Excited State)原子A* 【公式2】。当二次电子撞击提供的能量大于10eV时,气体分子将被离子化(Ionization)产生带正电荷的气态离子【公式3】。所以在气体分子被离子化后,会产生大量电子,多于撞击之前,且此正离子也会在电场的加速下往左电极板移动撞击,形成一连串的反应,当达到一定数量时,便会造成电崩溃(Breakdown)的状态,然后产生辉光放电(Glow Discharge),也就是电浆区(Plasma)。
因为当离子在激发态(Excited State)时是极不稳定的,很容易恢复到基态(Ground State)然后以光的形式释放出能量即光子【公式4】。
公式中 h:为普朗克常数 v:电浆发光的颜色频率
不同的原子有不同的轨道结构和能阶,因此发光的频率也都不相同,所以不同的气体表现出的颜色都不相同,因此常用颜色做简单的参照区别。
当我们将阳极和阴极之间的距离缩短,使得阳极贴近于负态发光区,也就是目前DC溅镀的使用方法。如上图示,因为电子的质量远小于离子,所以在相同直流电压下,电子的移动速度远比离子快,所以电子会快速往阳极方向移动,并造成电浆区里的离子浓度高于电子浓度。这将使得电浆区的电位Vp略高于阳极,而此电位又会使离子往阴极方向移动,并减缓电子从电浆区移出。所以当电浆内离子和电子达到平衡状态时,离子流出电浆的流量会等于电子流出电浆的流量,这样才能使Vp电位稳定。因此电浆区内没有任何电荷的差距,没有电场产生,电位为Vp。而离子流出电浆往阴极移动时会经过阴极暗区,加速撞向电极板产生二次电子。
在DC电浆的应用上,阳极和阴极材料必须为导体。为了可以让撞击产生的电荷可以排出,不会累积在板面上。如果是非导体,那么电荷会持续累积,无法产生二次电子,就无法继续后面的电浆反应。