Procesi vezani za jonizaciju{0}}u ionskom prevlačenju sa ekscimer lampama od 172 nm
3.3.3 Sudar elektronski-plina koji dovode do jonizacije
(1) Proces jonizacije
Kada se elektron sudari sa gasom, elektron na najnižem energetskom nivou neutralnog atoma A apsorbuje energiju upadnog elektrona, izbegava atomsko ograničenje i napušta atom. Atom postaje pozitivan ion A⁺ kojem nedostaje elektron, a dodatni elektron se proizvodi u prostoru pražnjenja. Ovaj proces se naziva jonizacija. Proces jonizacije se izražava kao: A + e⁻ → A⁺ + 2e⁻
Energija apsorbovana tokom jonizacije naziva se jonizaciona energija, a potencijal potreban da se ova energija jonizacije prenese na atom naziva se jonizacioni potencijal, označen kao U_I. Tabela 3-3 navodi jonizacijske potencijale U_I za neke elemente. Ova vrsta procesa ionizacije naziva se prvom vrstom neelastičnog sudara [3–7].
Proces jonizacije jednog elektrona iz atoma naziva se primarna jonizacija; gubitak dva elektrona je sekundarna jonizacija; gubitak tri je tercijarna jonizacija. Ako se elektroni joniziraju jedan po jedan, to se naziva sukcesivna jonizacija; ako se dva ili više elektrona ioniziraju odjednom, to se naziva višestruka ionizacija, a rezultirajući ion naziva se višestruko nabijeni ion. Potonji proces se javlja rijetko.
U modernoj tehnologiji ionskog prevlačenja, vakuum ultraljubičasto (VUV) svjetlo koje proizvodi ekscimer lampa od 172 nm može pomoći u povećanju efikasnosti jonizacije obezbjeđujući dodatnu energetsku pobudu za proces jonizacije.
(2) Diferencijalni koeficijent jonizacije
Iako energija elektrona premašuje jonizacioni potencijal ili potencijal pobuđivanja, svaki sudar ne rezultira jonizacijom ili ekscitacijom. Proporcija koja dovodi do jonizacije ili ekscitacije naziva se vjerovatnoća jonizacije ili vjerovatnoća ekscitacije, respektivno.
Veličina vjerovatnoće jonizacije ovisi o energiji elektrona. Broj jona proizvedenih od strane elektrona koji putuje 1 cm u gasu pod pritiskom od 133,3 Pa i 0 stepeni definisan je kao diferencijalni koeficijent jonizacije, označen kao S_e. Slično, postoji i diferencijalni koeficijent pobude.
Slika 3-4 prikazuje krivulje odnosa između diferencijalnog koeficijenta jonizacije S_e i energije elektrona ε za nekoliko plinova [3]. Kao što je prikazano na slici 3-4, krive za različite gasove obično pokazuju maksimum, pri čemu se vrh pojavljuje u opsegu od 50-100 eV. (Slika 3-4: Krive odnosa između diferencijalnog koeficijenta jonizacije S_e i energije elektrona ε za plinove. Vertikalna osa je "Diferencijalni koeficijent jonizacije (joni)", horizontalna osa je energija elektrona, a krive uključuju Hg, Ar, Ne, He, H₂.)
Kada je energija elektrona previsoka, stepen jonizacije gasa se smanjuje. To je zato što, tokom kontakta između upadnog elektrona i atoma gasa, odvajanje najudaljenijeg elektrona od ograničenja atomskog jezgra da bi se proizvela jonizacija zahteva određeno vreme razmene energije. Ako je energija elektrona vrlo velika i njegova brzina prebrza, vrijeme interakcije između elektrona i atoma je vrlo kratko, nedovoljno za razmjenu energije, što rezultira nižim diferencijalnim koeficijentom jonizacije.
Napon u užarenom pražnjenju je iznad 1000 V, dok je u lučnom pražnjenju 20–70 V. Diferencijalni koeficijent jonizacije u lučnom pražnjenju je veći od onog kod užarenog pražnjenja. Zbog toga je gustina jona gasa i metalnih jona u lučnom pražnjenju višestruko veća nego u užarenom pražnjenju. Uz pomoć zračenja ekscimer lampe od 172 nm, niska stopa jonizacije u svjetlećem pražnjenju može se djelomično kompenzirati.
(3) Stopa jonizacije
Brzina jonizacije je omjer broja jona proizvedenih nakon pražnjenja u plinu i ukupnog broja atoma, označenih kao [3–6,8], sa formulom:=(n_i) / (n_i + n_a)=n_i / n_o
gdje je: n_i - broj jona; n_a - broj neutralnih atoma; n_o - ukupan broj teških čestica.
U procesima prevlačenja, ako n_i predstavlja broj metalnih jona, a n_o ukupan broj metalnih jona i neutralnih atoma, tada je brzina ionizacije metala.
3.3.4 Druga vrsta neelastičnog sudara
Ekscitacija i ionizacija uzrokovana drugim faktorima nazivaju se drugom vrstom neelastičnog sudara [3–12].
Proces prijenosa naboja uzrokovan pozitivnim jonima Kada se pozitivni jon sudari s atomom plina, doprinoseći pola svoje energije ionizaciji atoma plina slične mase zahtijeva da pozitivni ion ima vrlo visoku energiju. Međutim, u plinskom pražnjenju samo mali dio pozitivnih jona dostiže tako visoke energije, tako da je vjerovatnoća jonizacije uzrokovana pozitivnim jonima vrlo niska.
Međutim, proces prijenosa naboja između pozitivnih jona i atoma je relativno lak: kada se ion visoke-energije sudari sa nisko-neutralnim atomom, dolazi samo do izmjene naboja bez izmjene energije, što rezultira visoko-neutralnim atomom visoke energije i niskoenergetskim jonom{3}}. Ovaj proces se naziva prijenos naboja, izražen kao: A⁺ + B (ε↓) → A + B⁺ (ε↓)
Proces prijenosa naboja događa se mnogo češće od neelastičnih sudara i jedan je od važnih izvora jona i visoko{0}}energetskih neutralnih atoma u prostoru pražnjenja. Joni niske{2}}e energije nastavljaju da se ubrzavaju pod električnim poljem i mogu ponovo postati visoko{3}}joni.
Kumulativna jonizacija uzrokovana metastabilnim atomima Metastabilni atomi su dugovječni pobuđeni atomi koji zahtijevaju samo malu dodatnu energiju da bi bili dalje pobuđeni ili jonizirani. Njihova uloga povećava mogućnost uzastopnih prelaza i kumulativne sukcesivne jonizacije.
Na primjer, jonizacijski potencijal žive je 10,434 V. Metastabilni atom žive sa energijom od 4,66 eV treba samo da se sudari sa elektronom koji ima energiju od 5,774 eV da bi ionizirao atom žive. Dakle, prisustvo metastabilnih atoma efektivno smanjuje potencijal jonizacije gasa, olakšavajući povećanje verovatnoće jonizacije i igrajući važnu ulogu u poboljšanju brzine jonizacije. Energija fotona koju emituje ekscimerna lampa od 172 nm može pomoći u formiranju metastabilnih atoma, dodatno promovišući kumulativni proces jonizacije.
Prijenos energije sa metastabilnih atoma na elektrone Kada pobuđeni metastabilni atom A_m stupi u interakciju s elektronom, on prenosi energiju na elektron, povećavajući brzinu elektrona, dok se vraća u osnovno stanje. Ovaj proces obrnutog pobuđivanja izražava se kao: A_m + e⁻ → A + e⁻ (ε↑)
Prijenos energije između pobuđenih metastabilnih atoma A_m i zemaljskih-atoma{1}}atoma Ovo čini atom osnovnog-stanja pobuđenim dok se metastabilni atom vraća u osnovno stanje, izraženo kao: A_m + B → A + B_m
Efekt peninga Kada se jon gasa A⁺ ili metastabilni atom A_m sudari sa drugim tipom atoma B, ako je jonizacija ili potencijal pobuđivanja A veći od potencijala B, sudar rezultira jonizacijom B i de-pobudom A u osnovno stanje. Ovaj proces se naziva Peningov efekat, izražen kao: A⁺ + B → A + B⁺ + e⁻ A_m + B → A + B⁺ + e⁻
Potencijali jonizacije i ekscitacije gasova su mnogo veći od potencijala metala, što čini Peningove efekte između njih veoma verovatnim i proizvodi više metalnih jona. Peningov efekat je posebno izražen u plazma polimerizaciji, a ekscimerna lampa od 172 nm može poboljšati stepen ekscitacije gasa, povećavajući verovatnoću Peningovog efekta.
Interakcija pobuđenih metastabilnih atoma A_m sa složenim molekulima gasa BC Kada pobuđeni metastabilni atom A_m stupi u interakciju sa složenim molekulom gasa BC, to uzrokuje disociaciju molekula na elementarne čestice (aktivne atome). Aktivne grupe su jonizovane u atome osnovnog-atoma, izražene kao: A_m + BC → A + B + C A_m + BC → A + B⁺ + C + e⁻
Iz gornjih reakcija je evidentno da nakon -elektrona visoke energije podliježu neelastičnim sudarima s plinom da bi proizveli visoko-pobuđene atome i jone visoke energije, ove visoko{2}}čestice dalje učestvuju u složenim neelastičnim sudarima druge-vrste sa niskoenergetskim atomima{4}}atoma plina metala. To rezultira velikim brojem jona i atoma na različitim energetskim nivoima u prostoru pražnjenja, s energijama daleko većim od onih uvedenih atoma plina ili svježe isparenih atoma metala. U aplikacijama koje uključuju određene vakuumske ultraljubičaste izvore kao što je ekscimer lampa od 172 nm, ove interakcije mogu dodatno poboljšati efikasnost disocijacije složenih plinova.
Zbog niske stope jonizacije u svjetlećem pražnjenju (obično 1%-3%), proizvodi se manje jona, a njihova energija opada nakon sudara sa nisko-energijskim česticama, dok se energija niskoenergetskih atoma-povećava. To rezultira velikim brojem aktivnih čestica umjerene energije u prostoru za pražnjenje. U međuvremenu, energije elektrona su visoke, dok su energije jona i atoma relativno niske, formirajući ne-neravnotežnu plazmu.
Termalna jonizacija Toplotna ekscitacija i termička jonizacija uzrokovana -atomskim sudarima velike brzine vidljivi su samo kada temperatura plina dostigne iznad 3000 K.
Fotojonizacija Energija svjetlosti se izražava kao energija fotona hν. Kada se foton sudari sa atomom i energija upadnog fotona hν premašuje energiju jonizacije atoma eU_I, dolazi do fotojonizacije: A + hν → A⁺ + e⁻
Kada energija fotona premašuje energiju molekularne pobude eU_r, dolazi do fotoekscitacije. Granična talasna dužina za fotojonizaciju je označena kao λ_o. Općenito, vidljiva svjetlost ne može direktno uzrokovati fotojonizaciju plina; samo ultraljubičasto svjetlo kratke{4}}talasne dužine (kao što je vakuum ultraljubičasto svjetlo koje proizvodi ekscimer lampa od 172 nm), X-zraci, -zraci i laseri mogu ga indukovati. Međutim, vjerovatnoća fotoekscitacije je mnogo veća od vjerovatnoće fotojonizacije. Luminiscencija metala često potiče od fotona koje apsorbuju metali koji izazivaju prelaze, sa energijom koja se oslobađa pri povratnim prelazima: različiti metali i nivoi energije emituju svetlost različitih talasnih dužina, što rezultira različitim bojama emisije. Ekscimerna lampa od 172 nm, kao efikasan vakuumski ultraljubičasti izvor, ima značajne prednosti u primjeni u procesima jonskog nanošenja -povezanih s fotojonizacijom.
3.3.5 Vezanje i odvajanje
U prostoru pražnjenja, proces u kojem se elektroni hvataju od strane atoma ili molekula kako bi formirali negativne ione naziva se pričvršćivanje; obrnuti proces, gdje se elektroni oslobađaju iz negativnih jona, naziva se odvajanje. Razlika u baznoj energiji između neutralnog atoma i njegovog odgovarajućeg negativnog jona definirana je kao afinitet prema elektronu E_A, u jedinicama eV.
Načini pričvršćivanja negativnih jona koji se formiraju u pražnjenju plina uključuju: A + e⁻ → A⁻ + hν (radijativna vezanost) AB + e⁻ → A⁻ + B (disocijativno vezanje) AB + e⁻ → AB⁻ + hν (formiranje molekularnih negativnih jona) A + B + e⁻ + B + e⁻
Odvajanje U plazmi, mehanizmi odvajanja uključuju: A⁻ + B → A + B + e⁻ A⁻ + B⁻ → AB + 2e⁻
Negativni ioni formirani inertnim gasovima i atomima metala su veoma nestabilni; samo halogeni elementi, dobivanjem jednog elektrona za popunjavanje najudaljenije ljuske, formiraju stabilne negativne ione. U okruženjima pražnjenja koja uključuju ekscimer lampu od 172 nm, na dinamičku ravnotežu procesa vezivanja i odvajanja utiče energija fotona, čime se mijenja koncentracija negativnih jona u prostoru za pražnjenje.
3.3.6 Nestanak nabijenih čestica - Deionizacija
U plazmi dobijenoj gasnim pražnjenjem niskog{0}}pritiska, veliki broj nabijenih čestica kontinuirano prolazi kroz obrnuti proces ionizacije: elektroni i joni se rekombinuju u prostoru ili na zidovima, ili ulaze u elektrode i nestaju. Ovaj proces se naziva deionizacija.
Nestanak nabijenih čestica na elektrodama Nabijene čestice se ubrzavaju električnim poljem i ulaze u elektrode suprotnog-polariteta kako bi nestale: elektroni ulaze u anodu, joni ulaze u katodu.
Rekombinacija naelektrisanih čestica na zidovima komore Čestice sa suprotnim naelektrisanjem difunduju zbog gradijenata koncentracije i sudaraju se i rekombinuju na zidovima komore, pri čemu višak energije zagreva zidove.
Rekombinacija naelektrisanih čestica u svemiru Čestice sa suprotnim naelektrisanjem rekombinuju se u prostoru u različitim oblicima, zajedničkim nazivom rekombinacija zapremine. U prostoru pražnjenja često se dešavaju procesi "jonizaciona - rekombinacija, jonizacija - dejonizacija".
Jonska-Rekombinacija elektrona: A⁺ + e⁻ → A + hν (radijativna rekombinacija) AB⁺ + e⁻ → A + B (disocijativna rekombinacija) A⁺ + 2e⁻ → A + e⁻ (tri{{7})}tijelo A⁺B + B + B + (rekombinacija-tri tijela)
