輝光放電加熱是指利用稀薄氣體的輝光放電現象加熱工件表面和電離化學熱處理介質，使之實現在金屬表面滲入欲滲元素的工藝。
基本介紹
- 中文名：輝光放電加熱
- 外文名：Glow discharge heating
- 學科：電子技術
- 領域：工程技術
簡介,分析,直流輝光放電,脈衝直流輝光放電,交流輝光放電,
簡介
利用稀薄氣體的輝光放電現象加熱工件表面和電離化學熱處理介質，使之實現在金屬表面滲入欲滲元素的工藝稱為輝光放電離子化學熱處理，簡稱離子化學熱處理。因為在主要工作空間內是電漿，故又稱等離子化學熱處理。
採用不同成分的放電氣體，可以在金屬表面滲入不同的元素。和普通化學熱處理相同，根據滲入元素的不同，有離子滲碳、離子滲氮、離子碳氮共滲、離子滲硼、離子滲金屬等等。其中離子滲氮已在生產中廣泛地套用。
低壓氣體中顯示輝光的氣體放電(空氣中的電子大概在1000對/cm3，由於高壓放電現象在低氣壓狀態下會產生輝光現象）現象。在置有板狀電極的玻璃管內充入低壓（約幾毫米汞柱）氣體或蒸氣，當兩極間電壓較高（約1000伏）時，稀薄氣體中的殘餘正離子在電場中加速，有足夠的動能轟擊陰極，產生二次電子，經簇射過程產生更多的帶電粒子，使氣體導電。輝光放電的特徵是電流強度較小（約幾毫安），溫度不高，故電管內有特殊的亮區和暗區，呈現瑰麗的發光現象。
輝光放電時，在放電管兩極電場的作用下，電子和正離子分別向陽極、陰極運動，並堆積在兩極附近形成空間電荷區。因正離子的漂移速度遠小於電子，故正離子空間電荷區的電荷密度比電子空間電荷區大得多，使得整個極間電壓幾乎全部集中在陰極附近的狹窄區域內。這是輝光放電的顯著特徵，而且在正常輝光放電時，兩極間電壓不隨電流變化。
分析
在陰極附近，二次電子發射產生的電子在較短距離內尚未得到足夠的能使氣體分子電離或激發的動能，所以緊接陰極的區域不發光。而在陰極輝區，電子已獲得足夠的能量碰撞氣體分子，使之電離或激發發光。其餘暗區和輝區的形成也主要取決於電子到達該區的動能以及氣體的壓強（電子與氣體分子的非彈性碰撞會失去動能）。
輝光放電的主要套用是利用其發光效應（如霓虹燈、日光燈）以及正常輝光放電的穩壓效應（如氖穩壓管）。
低壓氣體放電的一種類型，在發射光譜分析中用作氣體分析和難激發元素分析的激發光源。在玻璃管兩端各接一平板電極，充入惰性氣體，加數百伏直流電壓，管內便產生輝光放電，其電流為10-4～10-2A。放電形式與氣體性質、壓力、放電管尺寸、電極材料、形狀和距離有關。
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餘的電子和離子在電場的作用下作定向運動，於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於某一臨界值(點火起輝電壓)時，放電電流會突然迅速上升，陰-陽極間電壓陡降並維持在一個較低的穩定值上。工作氣體被擊穿、電離，並產生電漿和自持輝光放電，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。
脈衝直流輝光放電
脈衝或正弦半波中頻靶電源的單個脈衝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-安特性在單個脈衝的放電中的復現。脈衝直流靶電源在脈衝期間起輝濺射，在脈衝間隙自然滅輝(因頻率較高，肉眼難以分辨)。
濺射靶起輝放電後，當電源的輸出脈衝的重複頻率足夠高時，由於真空腔體內的導電離子還沒有完全被中和完畢，第二個(以後)重複脈衝的復輝電壓與濺射靶的工作電壓接近或相同。當電源輸出脈衝的重複頻率很低(例如幾百HZ以下)或滅弧時間過長(大於100ms以上)，濺射靶起輝放電後，由於真空腔體內的導電離子已基本被中和掉，第二個(以後)重複脈衝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。
交流輝光放電
用於磁控濺射鍍膜氣體放電的交流電源主要有雙極性脈衝(矩形波或正弦波)中頻靶電源與射頻靶電源兩大類別。
① 雙極脈衝中頻靶電源用於輝光放電
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。
雙極性脈衝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。
由於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，選用雙極脈衝中頻靶電源比用純直流靶電源和脈衝直流中頻靶電源時，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，其單脈衝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。
雙極性脈衝中頻靶電源，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範圍連續調節，鍍膜時電源的工藝參數適應範圍比“經濟型”中頻靶電源要寬很多；適用於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範圍偏窄，若相關參數選配合適，一般可用於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，由於波形的原因，靶面產生打弧的幾率更低並優於雙極性矩形波中頻靶電源。更適合於對薄膜表面和膜層質量要求較高的濺射工藝。
② 射頻(13.56M)靶電源用於輝光放電
在射頻輝光放電空間中，高頻電子震盪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一~八分之一)。
一般來說，射頻輝光放電與直流及中頻交流脈衝輝光放電相比，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，電極就不再限於導電材料，可以濺射任何材料，因此射頻輝光放電廣泛用於絕緣或介質材料的濺射沉積鍍膜。
在運行的射頻輝光放電電漿中，由於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於射頻輝光放電電漿中，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於射頻(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並建立陰極靶表面的負偏壓，並能產生濺射。
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，有助於射頻放電的維持。陰極靶表面的“自生負偏壓”的數值可以近似等於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，由於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。
