Karakteristike sjajnog pražnjenja ekscimernih lampi od 172nm i 222nm

Karakteristike sjajnog pražnjenja ekscimernih lampi od 172nm i 222nm

Poglavlje 3 Osnove fizike plazme

3.5.1 Karakteristike usijanog pražnjenja

Svjetleće pražnjenje je raniji oblik pražnjenja i služi kao temelj za različite vrste pražnjenja.

1. Paljenje usijanog pražnjenja

U vakuumskoj posudi sa samo katodnim i anodnim električnim poljem, kada je stepen vakuuma ispod 1 Pa, nakon priključenja jednosmerne struje dolazi do jonizacije gasa, a na radnom predmetu dolazi do užarenog pražnjenja, pri čemu je površina radnog predmeta okružena užarenim slojem. Gustina struje usijanog pražnjenja je reda veličine mA/cm², sa naponom u rasponu od 400 do 5000 V, što ga čini visoko{4}}naponskim, niskim-strujnim-formom gustine. Tokom usijanog pražnjenja javljaju se fenomeni ekscitacijske luminiscencije i rekombinacijske luminiscencije, a boja svjetlosti varira ovisno o plinu. U određenim specijalnim aplikacijama, kao što su vakuumski ultraljubičasti izvori svjetlosti, slični principi sjajnog pražnjenja se također mogu koristiti za generiranje svjetlosti specifičnih valnih dužina, na primjer, 172 nm excimer lampe ili 222 nm UV lampe, koje koriste pobuđivanje plinskog pražnjenja za proizvodnju ekscimernog zračenja.

2. Cathode Fall Region

(1) Raspodjela potencijala ispred katode

U vakuumskoj posudi, prije pražnjenja, raspodjela potencijala među-elektrodama je linearna, kao što je prikazano OA₀ na slici 3-9 [10]. Nakon pražnjenja, gustina pozitivnih jona i gustina elektrona u prostoru su slične. Zbog male mase i velike brzine elektrona, oni se velikom brzinom kreću prema anodi; nasuprot tome, pozitivni joni imaju veliku masu i kreću se prema katodi malom brzinom, akumulirajući se blizu katode. Ovaj pozitivni efekat prostornog naboja iskrivljuje električno polje između elektroda, što je ekvivalentno pomeranju anode A prema katodi C, formirajući ekvivalentnu anodu. Napon između elektroda je uglavnom raspoređen između katode i ekvivalentne anode, poznat kao pad katode, kao što je prikazano OA₂ na slici 3-9. Udaljenost od ekvivalentne anode do katode označava se kao d₂, također se naziva širina područja pada katode [8].

Ekvivalentna anoda je poput pomjeranja anode prema katodi, skraćivanja razmaka između-elektroda na d₂ i promjene jakosti električnog polja E. Prije paljenja plina, jačina polja E=U_d / d. Pod dejstvom U_d, elektroni dobijaju dovoljno energije da zapale gas, ulazeći u fazu samoodrživog pražnjenja. Tokom razvoja pražnjenja, zbog akumulacije pozitivnih jona, ekvivalentna anoda se postepeno približava katodi C, što znači da se anoda efektivno pomiče iz položaja A u A₁, a zatim u A₂. Skraćivanje udaljenosti između katode i anode povećava jačinu električnog polja, E₂=U_d / d₂. Kada prostorni pritisak p ostane nepromenjen, srednji slobodni put elektrona λ_e je konstantan, tako da je energija elektrona eE₂ λ_e ≫ eE λ_e. Originalna energija elektrona eE λ_e je dovoljna da ionizira gas, a napon između-elektroda U_d još uvijek može održavati proces pražnjenja. Stoga, kada se gas zapali, napon među-elektrodama automatski pada duž Paschenove krive na U_min, pri čemu je razmak između ekvivalentne anode i katode d_e, a pražnjenje ulazi u stabilno područje normalnog sjajnog pražnjenja. Udaljenost od sloja akumulacije pozitivnih jona do katode je d_e. d_e je prethodno spomenuti d₂, što znači da se sloj omotača pozitivnih jona formira na vrlo maloj udaljenosti d_e od katode. Pad potencijala između katode i anode uglavnom je raspoređen unutar d_e opsega, što rezultira strmim padom napona i visokom jakošću električnog polja. Elektroni i ioni se ubrzavaju u ovom uskom d_e intervalu. Pozitivni ioni ubrzavaju i bombardiraju katodu, pobuđujući sekundarne elektrone iz nje. Elektroni ubrzavaju prema anodi, sudarajući se neelastično s neutralnim atomima plina u d_e intervalu, na kraju proizvodeći jedan elektron da zadovolji samoodrživi uvjet pražnjenja-i održi plinsko pražnjenje.

(2) Širina područja pada katode

Tokom užarenog pražnjenja, napon između-elektroda uglavnom opada u području pada katode. Širina katodnog pada zavisi od napona, sastava gasa i materijala katode. Područje pada katode ima neke karakteristike: pod nepromijenjenim drugim uvjetima pražnjenja, promjena samo tlaka plina p održava pad katode U_c konstantnim; širina d_e regije pada katode je obrnuto proporcionalna p, opadajući kako se stepen vakuuma smanjuje (p raste); kada je proizvod pd_e konstantan, U_c ostaje nepromijenjen; kada d=d_e, ne postoje druge regije osim regije pada katode, ali pražnjenje i dalje može doći; kada d<< d_e, discharge extinguishes immediately; if only the inter-electrode distance d is changed, whether moving the cathode toward the anode or the anode toward the cathode, the cathode fall region width d_e remains constant, with only other intervals shortening accordingly. This principle is commonly used for gap shielding of the cathode, with typical gap width of 1~3 mm and gap depth of 8~15 mm.

3.5.2 Normalno sjajno pražnjenje i abnormalno sjajno pražnjenje

1. Poređenje karakteristika između normalnog sjajnog pražnjenja i abnormalnog sjajnog pražnjenja

U analizi karakterističnih krivulja volt{0}}ampera uvedene su razlike između normalnog i abnormalnog usijanog pražnjenja. Njihovo karakteristično poređenje prikazano je u tabeli 3-5 [10].

2. Napon paljenja normalnog sjajnog pražnjenja

Napon paljenja (proboja) za normalno usijano pražnjenje je minimalni napon paljenja U_min. Ako proizvod udaljenosti d između katode i anode i tlaka plina p tačno odgovara minimalnoj tački pd_e na Paschenovoj krivulji, napon paljenja pražnjenja plina je U_min. Za željeznu katodu sa argonom, dušikom, kisikom ili vodonikom, U_min je samo 100~343 V. Tabela 3-6 navodi padove katode za normalno usijano pražnjenje s nekoliko katodnih materijala i plinova [2,3,10]. Nakon početnog paljenja, sjaj počinje na maloj površini katode. Kako se snaga povećava, područje sjaja na površini katode se postepeno širi dok ne pokrije cijelu katodu. Tokom ovog širenja duž katode, napon ostaje konstantan, a katodna struja raste sa površinom sjaja. Iz tabele 3-6, za različite katodne materijale, normalni katodni potencijal užarenog pražnjenja sa argonom je ispod 165 V. Za gvozdenu katodu, sa dvoatomskim gasovima, on je ispod 343 V.

Općenito, rastojanje d između katode i anode je fiksno i teško je postaviti pritisak prostora pražnjenja p na minimalnu tačku na Paschenovoj krivoj, tako da se napon između{0}}elektroda mora povećati da bi se proizvelo usijano pražnjenje. Bez obzira da li je pritisak vakuumske komore veći ili niži od ovog opsega, napon između-elektroda mora biti podignut do tačke B za prelazak iz područja Townsendovog pražnjenja Ⅱ, kroz područje koronskog pražnjenja Ⅲ i područje ranog normalnog svjetlećeg pražnjenja Ⅳ, u stabilno područje normalnog svjetlećeg pražnjenja Ⅴ. Napon pražnjenja naglo pada do tačke E, gdje je napon U_min. U EF intervalu, sjaj postupno pokriva cijelu katodnu površinu, napon ostaje konstantan, struja se postepeno povećava, pokazujući normalne karakteristike svjetlećeg pražnjenja.

Ako pritisak u vakuumskoj komori p ostane konstantan, a među-razmak između elektroda je prevelik ili manji od minimalnog d na Paschen krivulji, potreban je veći među-napon elektroda za usijano pražnjenje, ili podešavanjem udaljenosti elektroda može se postići paljenje pri nižem naponu blizu U_min.

Kada se pali na naponu većem od U_min, vanjsko napajanje daje više energije nego za paljenje U_min. Ako je stvarni pd daleko od pd_e, primijenjeni napon je veći, ponekad preko 1000 V, s radnom tačkom na lijevoj ili desnoj grani Paschenove krive. Zbog velike energije dovedene na katodu, kada se gasno pražnjenje zapali, površina katode se odmah prekriva sjajem, ulazeći u abnormalno područje pražnjenja, bez uočavanja postepenog širenja sjaja na katodi.

3. Abnormalno sjajno pražnjenje

Nakon što je površina katode potpuno prekrivena sjajem, struja pražnjenja raste sa porastom među{0}}napona elektroda. Kako se struja sjaja povećava, svjetlina sjaja površine obratka se pojačava. Jednom kada su napon i pritisak fiksirani, abnormalno sjajno pražnjenje se odvija stabilno. Većina pražnjenja u ionskoj galvanizaciji sa užarenim pražnjenjem, magnetronskim raspršivanjem, plazmom{4}}pojačanim hemijskim taloženjem iz pare i ionskim nitriranjem usijanim pražnjenjem djeluje u području abnormalnog sjajnog pražnjenja. Ovi oblici pražnjenja dijele sličnosti sa mehanizmima pobude određenih ultraljubičastih izvora, kao što su UV lampe od 222 nm, koje se također oslanjaju na plinsko pražnjenje da bi proizvele zračenje specifične valne dužine.

3.5.3 Raspodjela različitih karakteristika između elektroda u svjetlećem pražnjenju

1. Neujednačen intenzitet svjetlosti između elektroda s naizmjeničnim svijetlim i tamnim slojevima [3-12]

Nakon što plinsko pražnjenje uđe u fazu užarenog pražnjenja, distribucija intenziteta sjaja od katode do anode je neujednačena, a raspodjele među-elektrodnog naboja, potencijala, jačine električnog polja itd. su također neujednačene. Slika 3-10 prikazuje međuelektrodnu karakterističnu distribuciju u usijanom pražnjenju [10]. Ova slika jasno ilustruje obrasce distribucije intenziteta sjaja (intenziteta svjetlosti), potencijala, jakosti električnog polja, pozitivnog naboja, negativnog naboja, neto naboja, gustine struje i temperature plina tokom usijanog pražnjenja.

2. Razlozi za formiranje svake regije

Interval od katode do anode podijeljen je na Astonov tamni prostor, katodni tamni prostor, katodni tamni prostor, regiju negativnog sjaja, Faradayev tamni prostor, pozitivnu kolonu, tamni prostor anode i područje sjaja anode [10].

Slika 3-11 je uvećani prikaz gornjeg dijela slike 3-10, koji pokazuje neujednačen intenzitet svjetlosti sa naizmjeničnim svijetlim i tamnim luminiscentnim slojevima između elektroda tokom svjetlećeg pražnjenja.

Aston tamni prostor: joni pobuđuju elektrone s katode, a kako se elektroni kreću prema anodi, oni se ubrzavaju u području pada katode, ali nemaju dovoljno energije za pobudnu luminiscenciju, formirajući tamni prostor Astona.

Područje katodnog sjaja: Kada elektroni stignu do područja usijanja katode, oni imaju dovoljno energije da pobude plin, proizvodeći luminescenciju. Ovaj princip pobudne luminiscencije sličan je određenim ekscimer lampama, kao što su ekscimer lampe od 172 nm, koje koriste pobuđivanje pražnjenjem za proizvodnju vakuumskog ultraljubičastog svjetla.

Katodni tamni prostor: Većina elektrona koji gube energiju tokom ekscitacije postaju spori elektroni sa energijom ispod energije jonizacije. Nakon što uđu u tamni prostor katode, brzo izlaze pod velikom jačinom polja bez sudara, stoga nema luminescencije.

Područje negativnog sjaja: Elektroni ubrzani u tamnom prostoru katode ulaze u područje negativnog sjaja s visokom energijom, proizvodeći više ionizacije i ekscitacije. Ovaj region generiše obilnu ekscitaciju i rekombinaciju luminescencije, formirajući veoma jak sjaj, čineći svetlost regiona negativnog sjaja najjačom. Boja sjaja varira u zavisnosti od sastava ispusnog gasa.

Faradejev tamni prostor: Većina elektrona gubi energiju u području negativnog sjaja, nedovoljno za značajnu ionizaciju ili ekscitaciju, formirajući tamni prostor.

Područje pozitivnog stupca: Gustoća elektrona i gustina pozitivnih jona su skoro jednake, također se nazivaju područje plazme. Gustina nabijenih čestica je općenito 10¹⁰ ~ 10¹² / cm³, provode struju u plinskom pražnjenju, čineći plazmu jakim provodnikom. Jačina električnog polja u pozitivnom stupcu je nekoliko redova veličine manja nego u području katode.

Anodno područje: elektrone apsorbira anoda, ioni se odbijaju, formirajući negativni prostorni naboj u blizini anode, naglo povećavajući potencijal i stvarajući anodni potencijal. Elektroni ubrzani u anodnom području proizvode ekscitaciju i ionizaciju u blizini anode, formirajući anodni sjaj.

U posudi za pražnjenje vidljiva je naizmjenično svijetla i tamna distribucija sjajnih slojeva od katode do anode. Slika 3-12 prikazuje sjaj oko radnog komada tokom jonskog nitriranja DC sijajnim pražnjenjem, jasno prikazujući naizmjenične slojeve.

3.5.4 Efekt šuplje katode u usijanom pražnjenju

1. Fenomen preklapanja sjaja s dvije paralelne pločaste katode

Prethodna rasprava se fokusirala na karakteristike pražnjenja s jednom{0}}katodom. Ako se dvije paralelne pločaste katode stave u vakuumski spremnik s A kao anodom, dolazi do užarenog pražnjenja nakon napajanja. Slika 3-13 prikazuje uređaj za pražnjenje katode s dvije paralelne ploče [10].

Kada su ispunjeni uslovi za paljenje gasa, obe katode proizvode usijano pražnjenje, formirajući odgovarajuće tamne prostore katode i regione negativnog sjaja blizu njih. Kada razmak između dvije katode zadovoljava d₁ + d₂ > 2d_e, obje imaju tamne prostore i negativna područja sjaja, dijeleći Faradejeve tamne prostore i pozitivan stupac. Kada je d₁ + d₂ < 2d_e, dva negativna područja sjaja se preklapaju. Elektroni emitovani iz C₁ ubrzavaju se u području pada katode C₁ i usporavaju pri ulasku u C₂, oscilirajući između elektroda, povećavajući vjerovatnoću sudara s molekulima plina, uzrokujući više ekscitacije i jonizacije, povećavajući gustinu struje i negativan intenzitet sjaja. Ovaj fenomen se naziva efekt šuplje katode u usijanom pražnjenju [10].

Slika 3-14 prikazuje raspodjelu intenziteta svjetlosti između dvije paralelne katodne ploče [10]. Dvije isprekidane linije na slici 3-14 predstavljaju intenzitet sjaja sa svake katode; nakon efekta šuplje katode, intenziteti se superponiraju, sa distribucijom kao krivom M na slici 3-14.

Ako je negativna dužina područja sjaja u efektu šuplje katode d, pad katode je V_c, tlak je p, njihov funkcionalni odnos je: pd=f(V_c)

Zbog toga, pri višem pritisku p, potrebna je mala međukatodna udaljenost za efekat šuplje katode; pri nižem p, dovoljna je veća udaljenost. Dakle, za fiksnu među-katodnu udaljenost, da li će doći do efekta šuplje katode zavisi od pritiska.

Ako je katoda šuplja cijev, unutrašnji prečnik je jednak udaljenosti između paralelnih ploča, stvarajući efekat šuplje katode pri određenom pritisku, formirajući snažan negativni sjaj u centru cijevi.

2. Intenzitet sjaja nakon pražnjenja s različitim katodnim udaljenostima

Pod istom vakuumskom komorom, identičnim stepenom vakuuma i katodnim naponom, intenzitet sjaja varira u zavisnosti od oblika katode i udaljenosti ploče, kao što je prikazano na slici 3-15.