Caracteristicile de descărcare luminoasă ale lămpilor cu excimer de 172 nm și 222 nm

Caracteristicile de descărcare luminoasă ale lămpilor cu excimer de 172 nm și 222 nm

Capitolul 3 Fundamentele fizicii plasmatice

3.5.1 Caracteristicile descărcării strălucitoare

Descărcarea strălucitoare este o formă anterioară de descărcare și servește drept bază pentru diferite tipuri de descărcări.

1. Aprinderea descărcării strălucitoare

Într-un recipient de vid cu doar un câmp electric catod și anod, atunci când gradul de vid este sub 1 Pa, după conectarea sursei de alimentare CC, gazul este ionizat și se produce descărcarea strălucitoare pe piesa de prelucrat, suprafața piesei de prelucrat fiind înconjurată de un strat strălucitor. Densitatea curentului de descărcare luminoasă este de ordinul mA/cm², cu o tensiune cuprinsă între 400 și 5000 V, ceea ce o face o formă de descărcare de-tensiune mare, densitate-de curent scăzut-curenți. În timpul descărcării strălucitoare, apar fenomene de luminescență de excitație și luminiscență de recombinare, iar culoarea luminii variază în funcție de gaz. În anumite aplicații speciale, cum ar fi sursele de lumină ultravioletă în vid, principii similare de descărcare strălucitoare pot fi, de asemenea, utilizate pentru a genera lumină cu lungimi de undă specifice, de exemplu, lămpi cu excimer de 172 nm sau lămpi UV de 222 nm, care utilizează excitația cu descărcare de gaz pentru a produce radiații excimer.

2. Regiunea Cathode Fall

(1) Distribuție potențială în fața catodului

În recipientul cu vid, înainte de descărcare, distribuția potențialului inter-electrod este liniară, așa cum se arată de OA₀ în Figura 3-9 [10]. După descărcare, densitatea ionilor pozitivi și densitatea electronilor din spațiu sunt similare. Datorită masei mici și vitezei mari a electronilor, aceștia se deplasează spre anod cu o rată mare; în contrast, ionii pozitivi au o masă mare și se deplasează spre catod cu o rată scăzută, acumulându-se în apropierea catodului. Acest efect pozitiv de sarcină spațială distorsionează câmpul electric dintre electrozi, echivalent cu deplasarea anodului A către catodul C, formând un anod echivalent. Tensiunea dintre electrozi este distribuită în principal între catod și anodul echivalent, cunoscută sub numele de căderea catodului, așa cum se arată de OA₂ în Figura 3-9. Distanța de la anodul echivalent la catod este notată cu d₂, numită și lățimea regiunii de cădere a catodului [8].

Anodul echivalent este ca deplasarea anodului spre catod, scurtarea distanței dintre electrozi la d₂ și modificarea intensității câmpului electric E. Înainte de aprinderea gazului, intensitatea câmpului E=U_d / d. Sub acțiunea lui U_d, electronii câștigă suficientă energie pentru a aprinde gazul, intrând în treapta de descărcare auto-susținătoare. În timpul dezvoltării descărcării, datorită acumulării de ioni pozitivi, anodul echivalent se apropie treptat de catodul C, adică anodul se deplasează efectiv din poziția A în A₁ și apoi în A₂. Scurtarea distanței dintre catod și anod crește intensitatea câmpului electric, E₂=U_d / d₂. Când presiunea spațială p rămâne neschimbată, calea liberă medie a electronilor λ_e este constantă, deci energia electronului eE₂ λ_e ≫ eE λ_e. Energia electronilor inițială eE λ_e este suficientă pentru a ioniza gazul, iar tensiunea inter-electrodului U_d poate menține în continuare procesul de descărcare. Prin urmare, odată ce gazul este aprins, tensiunea inter-electrodului scade automat de-a lungul curbei Paschen până la U_min, moment în care distanța dintre anodul echivalent și catod este d_e, iar descărcarea intră în regiunea normală stabilă de descărcare luminoasă. Distanța de la stratul de acumulare de ioni pozitivi la catod este d_e. d_e este d₂ menționat anterior, adică se formează un strat de înveliș cu ion pozitiv la o distanță foarte mică d_e de catod. Căderea potențialului dintre catod și anod este distribuită în principal în domeniul d_e, rezultând o cădere abruptă de tensiune și o putere mare a câmpului electric. Electronii și ionii sunt accelerați în acest interval d_e îngust. Ionii pozitivi accelerează și bombardează catodul, excitând electronii secundari din acesta. Electronii accelerează spre anod, ciocnind inelastic cu atomii de gaz neutri în intervalul d_e, producând în cele din urmă un electron pentru a satisface condiția de descărcare auto-susținătoare și pentru a menține descărcarea de gaz.

(2) Lățimea regiunii Cathode Fall

În timpul descărcării luminoase, tensiunea inter-electrodului scade în principal în regiunea de cădere a catodului. Lățimea căderii catodului depinde de tensiune, compoziția gazului și materialul catodului. Regiunea de cădere a catodului are câteva caracteristici: în alte condiții de descărcare neschimbate, modificarea doar a presiunii gazului p menține căderea catodului U_c constantă; lățimea d_e a regiunii de cădere a catodului este invers proporțională cu p, descrescând pe măsură ce gradul de vid scade (p crește); când produsul pd_e este constant, U_c rămâne neschimbat; când d=d_e, nu există alte regiuni cu excepția regiunii de cădere a catodului, dar încărcarea poate avea loc; când 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 Descărcare de strălucire normală și descărcare de strălucire anormală

1. Comparația caracteristicilor între descărcarea de strălucire normală și descărcarea de strălucire anormală

În analiza curbelor caracteristice volti-amperi, au fost introduse diferențele dintre descărcarea normală și descărcarea anormală a strălucirii. Comparația lor caracteristică este prezentată în Tabelul 3-5 [10].

2. Tensiunea de aprindere a descărcării luminoase normale

Tensiunea de aprindere (defalcare) pentru descărcarea normală de strălucire este tensiunea minimă de aprindere U_min. Dacă produsul distanței d dintre catod și anod și presiunea gazului p corespunde exact punctului minim pd_e de pe curba Paschen, tensiunea de aprindere a descărcarii de gaz este U_min. Pentru catodul de fier cu argon, azot, oxigen sau hidrogen, U_min este doar 100~343 V. Tabelul 3-6 enumeră căderile catodului pentru descărcarea normală de strălucire cu mai multe materiale catodice și gaze [2,3,10]. La aprinderea inițială, strălucirea începe pe o zonă mică a suprafeței catodului. Pe măsură ce puterea crește, zona de strălucire de pe suprafața catodului se extinde treptat până acoperă întregul catod. În timpul acestei expansiuni de-a lungul catodului, tensiunea rămâne constantă, iar curentul catodului crește odată cu zona de strălucire. Din Tabelul 3-6, pentru diferite materiale catodice, potențialul normal al catodului de descărcare luminoasă cu argon este sub 165 V. Pentru catodul de fier, cu gaze biatomice, este sub 343 V.

În general, distanța d dintre catod și anod este fixă ​​și este dificil să setați presiunea p din spațiul de descărcare la punctul minim pe curba Paschen, astfel încât tensiunea inter-electrodului trebuie crescută pentru a produce o descărcare strălucitoare. Indiferent dacă presiunea camerei de vid este mai mare sau mai mică decât acest interval, tensiunea inter-electrodului trebuie să fie ridicată la punctul B pentru a trece de la regiunea de descărcare Townsend Ⅱ, prin regiunea de descărcare corona Ⅲ și regiunea de descărcare cu strălucire normală timpurie Ⅳ, în regiunea de descărcare normală stabilă Ⅴ. Tensiunea de descărcare scade abrupt până la punctul E, unde tensiunea este U_min. În intervalul EF, strălucirea acoperă treptat întreaga zonă catodică, tensiunea rămâne constantă, curentul crește treptat, prezentând caracteristici normale de descărcare a strălucirii.

Dacă presiunea p în camera de vid rămâne constantă, iar distanța dintre electrozi este prea mare sau mai mică decât minimul d pe curba Paschen, este necesară o tensiune inter-mai mare a electrodului pentru descărcarea luminoasă sau reglarea distanței dintre electrozi poate obține aprinderea la o tensiune mai mică, aproape de U_min.

La aprindere la o tensiune mai mare de U_min, puterea externă furnizează mai multă energie decât pentru aprinderea U_min. Dacă pd real este departe de pd_e, tensiunea aplicată este mai mare, uneori peste 1000 V, cu punctul de operare pe ramura stângă sau dreaptă a curbei Paschen. Datorită energiei mari furnizate catodului, odată ce descărcarea de gaz se aprinde, suprafața catodului se acoperă imediat cu strălucire, intrând în regiunea de descărcare a strălucirii anormale, fără a observa expansiunea treptată a strălucirii pe catod.

3. Descărcare de strălucire anormală

După ce suprafața catodului este complet acoperită cu strălucire, curentul de descărcare crește odată cu creșterea tensiunii inter-electrodului. Pe măsură ce curentul de strălucire crește, luminozitatea strălucirii suprafeței piesei de prelucrat se intensifică. Odată ce tensiunea și presiunea sunt fixate, descărcarea anormală de strălucire are loc stabil. Cele mai multe descărcări din placarea ionică cu descărcare strălucitoare, pulverizarea magnetronului, depunerea de vapori chimici îmbunătățit cu plasmă-și nitrurarea ionică cu descărcare strălucitoare funcționează în regiunea anormală a descărcării strălucitoare. Aceste forme de descărcare au similarități cu mecanismele de excitare ale anumitor surse ultraviolete, cum ar fi lămpile UV de 222 nm, care se bazează, de asemenea, pe descărcarea de gaz pentru a produce radiații cu lungime de undă specifice.

3.5.3 Distribuția diferitelor caracteristici între electrozi în descărcare strălucitoare

1. Intensitate neuniformă a luminii între electrozi cu straturi luminoase și întunecate alternative [3-12]

După ce descărcarea de gaz intră în stadiul de descărcare luminoasă, distribuția intensității strălucirii de la catod la anod este neuniformă, iar distribuțiile de sarcină inter-electrodă, potențial, intensitatea câmpului electric etc., sunt, de asemenea, neuniforme. Figura 3-10 prezintă distribuția caracteristică inter-electrod în descărcarea luminoasă [10]. Această figură ilustrează în mod clar modelele de distribuție ale intensității strălucirii (intensitatea luminii), potențialul, intensitatea câmpului electric, sarcina pozitivă, sarcina negativă, sarcina netă, densitatea curentului și temperatura gazului în timpul descărcării strălucitoare.

2. Motivele formării fiecărei regiuni

Intervalul de la catod la anod este împărțit în spațiu întunecat Aston, regiune de strălucire a catodului, spațiu întunecat catodic, regiune de strălucire negativă, spațiu întunecat Faraday, regiune de coloană pozitivă, spațiu întunecat anodic și regiunea de strălucire a anodului [10].

Figura 3-11 este o vedere mărită a părții superioare a figurii 3-10, arătând intensitatea neuniformă a luminii cu straturi luminiscente alternative luminoase și întunecate între electrozi în timpul descărcării strălucitoare.

Spațiul întunecat Aston: Ionii excită electronii din catod și, pe măsură ce electronii se deplasează spre anod, ei accelerează în regiunea de cădere a catodului, dar au energie insuficientă pentru luminiscența de excitație, formând spațiul întunecat Aston.

Regiunea de strălucire a catodului: Când electronii ajung în regiunea de strălucire a catodului, ei au suficientă energie pentru a excita gazul, producând luminiscență. Acest principiu al luminiscenței de excitație este similar cu anumite lămpi cu excimer, cum ar fi lămpile cu excimer de 172 nm, care folosesc excitația cu descărcare pentru a produce lumină ultravioletă în vid.

Spațiu întunecat catodic: Majoritatea electronilor care pierd energie în timpul excitației devin electroni lenți cu energie sub energia de ionizare. După ce intră în spațiul întunecat al catodului, ei părăsesc rapid sub putere mare de câmp fără ciocniri, deci fără luminiscență.

Regiunea de strălucire negativă: Electronii accelerați în spațiul întunecat catodic intră în regiunea de strălucire negativă cu energie mare, producând mai multă ionizare și excitare. Această regiune generează excitație abundentă și luminiscență de recombinare, formând o strălucire foarte puternică, făcând ca lumina regiunii de strălucire negativă să fie cea mai puternică. Culoarea strălucitoare variază în funcție de compoziția gazului de descărcare.

Spațiul întunecat Faraday: Majoritatea electronilor pierd energie în regiunea de strălucire negativă, insuficientă pentru ionizare sau excitare semnificativă, formând un spațiu întunecat.

Regiunea pozitivă a coloanei: densitatea electronilor și densitatea ionilor pozitivi sunt aproape egale, numită și regiunea plasmei. Densitatea particulelor încărcate este în general 10¹⁰ ~ 10¹²/cm³, conducând curentul în descărcarea de gaz, făcând plasma un conductor puternic. Intensitatea câmpului electric în coloana pozitivă este cu câteva ordine de mărime mai mică decât în ​​regiunea catodului.

Regiunea anodului: electronii sunt absorbiți de anod, ionii respinși, formând încărcătură spațială negativă în apropierea anodului, crescând brusc potențialul și creând potențialul anodului. Electronii accelerați în regiunea anodului produc excitare și ionizare în apropierea anodului, formând o strălucire a anodului.

În recipientul de descărcare, este vizibilă distribuția alternativă luminoasă și întunecată a straturilor strălucitoare de la catod la anod. Figura 3-12 arată strălucirea din jurul piesei de prelucrat în timpul nitrurării ionice cu descărcare de lumină DC, afișând clar straturile alternative.

3.5.4 Efectul catodic gol în descărcarea strălucitoare

1. Fenomenul de suprapunere a strălucirii cu două catozi cu plăci paralele

Discuția anterioară s-a concentrat pe caracteristicile de descărcare cu un singur-catod. Dacă doi catozi cu plăci paralele sunt plasați într-un recipient cu vid cu A ca anod, la alimentare are loc descărcarea strălucitoare. Figura 3-13 prezintă dispozitivul de descărcare catodic cu două plăci paralele [10].

Când sunt îndeplinite condițiile de aprindere cu gaz, ambii catozi produc descărcare strălucitoare, formând spații întunecate catodice respective și regiuni de strălucire negative în apropierea lor. Când distanța dintre cei doi catozi satisface d₁ + d₂ > 2d_e, ambele au spații întunecate și regiuni de strălucire negative, împărțind spații întunecate Faraday și coloană pozitivă. Când d₁ + d₂ < 2d_e, cele două regiuni de strălucire negative se suprapun. Electronii emiși din C₁ accelerează în regiunea de cădere a catodului lui C₁ și deceleră la intrarea în C₂, oscilând între electrozi, crescând probabilitatea de coliziune cu moleculele de gaz, provocând mai multă excitare și ionizare, creșterea densității curentului și a intensității negative a strălucirii. Acest fenomen se numește efect de catod gol în descărcarea strălucitoare [10].

Figura 3-14 arată distribuția intensității luminii între două plăci catodice paralele [10]. Cele două linii întrerupte din Figura 3-14 reprezintă intensitățile de strălucire de la fiecare catod; după efectul de catod gol, intensitățile se suprapun, cu distribuție ca curba M din Figura 3-14.

Dacă lungimea negativă a regiunii de strălucire în efectul catodului gol este d, căderea catodului este V_c, presiunea este p, relația lor funcțională este: pd=f(V_c)

Din aceasta, la presiunea p mai mare, este necesară o mică distanță inter{0}}catodic pentru efectul catodic gol; la p inferior, distanța mai mare este suficientă. Astfel, pentru distanța inter-fixă a catodului, dacă apare efectul catodic gol depinde de presiune.

Dacă catodul este un tub gol, diametrul interior echivalează cu distanța dintre plăcile paralele, producând efect de catod gol la o anumită presiune, formând o strălucire negativă puternică în centrul tubului.

2. Intensitatea strălucirii după descărcare cu diferite distanțe catodice

Sub aceeași cameră de vid, grad de vid identic și tensiune catodică, intensitatea strălucirii variază în funcție de forma catodului și distanța plăcii, așa cum se arată în Figura 3-15.