Curba caracteristică de volți{0}}amperi a descărcării gazului ușor excimer de 172 nm
3.3.7 Fenomene de luminescență în descărcarea gazelor
Tehnologie modernă de placare cu ioni
(Continuarea fenomenelor de luminescență în descărcarea de gaze)
Luminescență de excitare
Atomii excitați rezonant vor trece înapoi la niveluri de energie stabile în 10⁻⁸ s, eliberând energia absorbită în timpul tranziției de excitație. Această energie este emisă sub formă de fotoni, producând luminescență de excitație. În anumite descărcări de presiune joasă-, cum ar fi cele care implică xenon, acest proces poate genera, de asemenea, radiații ultraviolete în vid, inclusiv lumină excimer de 172 nm.
Luminescență de recombinare
În spațiul de descărcare, atunci când ionii întâlnesc electroni, aceștia se recombină pentru a forma atomi stabili. Energia absorbită inițial este eliberată sub formă de fotoni în timpul procesului de recombinare, producând luminescență de recombinare.
Datorită diferențelor de structură atomică și a energiei nivelurilor de energie a electronilor, frecvențele luminiscenței de excitație și luminiscenței de recombinare variază, ducând la diferite culori de luminescență. În timpul placarii ionice, au loc continuu procese precum recombinarea electronilor și ionilor, recombinarea cu trei-corpi a ionilor metalici, electroni și gaze de reacție și tranziția atomilor excitați rezonant înapoi la stări stabile, generând luminescență. Cu cât ionizarea este mai intensă, cu atât este mai puternică intensitatea luminii. Elementele diferite au niveluri diferite de energie a electronilor, astfel încât culorile lor de luminescență diferă: argonul emite o lumină-albăstruie a cerului, iar peliculele de nitrură de titan depuse cu azot 通入 prezintă o culoare roșu-cireș. Din procesele de reacție de mai sus, se poate observa că în spațiul de descărcare al placarii ionice, electronii cu energie înaltă-se ciocnesc continuu inelastic cu gazul, producând atomi și ioni excitați cu energie-înaltă. Acești atomi și ioni excitați cu energie înaltă-sunt apoi o serie de ciocniri complexe cu atomi de gaz și atomi de metal cu energie redusă-, rezultând ioni și atomi de diferite niveluri de energie în spațiul de descărcare. Spațiul de descărcare este umplut cu un număr mare de particule active, a căror energie este mult mai mare decât cea a atomilor de gaz introduși și a atomilor de metal evaporați. Toate particulele de-energie mare din spațiul de placare provin din electroni de-energie mare. Prin urmare, cu cât sunt mai mulți electroni în spațiul de placare, cu cât sunt prezente mai multe-particule cu energie înaltă în timpul placarii, cu atât energia totală a particulelor de film este mai mare și cu atât este mai favorabil ca reacțiile chimice să formeze filme de-înaltă calitate. Tehnologiile moderne de placare cu ioni se străduiesc să obțină mai mulți electroni pentru a crește densitatea plasmei în spațiul de placare, sporind astfel energia totală a particulelor de film.
3.4 Evacuarea gazelor
3.4.1 Procesul de descărcare a gazelor
Descărcarea în avalanșă
Evacuați recipientul; când gradul de vid este între 1 ~ 10 Pa, porniți sursa de alimentare între catod și anod. În acest moment, electronii originali din camera de vid accelerează sub acțiunea câmpului electric. Când energia electronilor atinge o anumită valoare, ei se ciocnesc cu molecule de gaz neutru și le ionizează. Ionii accelerează spre catod, iar electronii accelerează către anod; în timpul acestui proces, are loc mai multă ionizare prin ciocnire, iar numărul de particule încărcate crește rapid, formând un proces de avalanșă de electroni (numit și descărcare de avalanșă), așa cum se arată în Figura 3-5 [3]. Această descărcare este un proces de descărcare ne-autonom; dacă sursa de ionizare originală este îndepărtată, descărcarea se oprește imediat.
Din curba Paschen, se poate observa că există o tensiune catodică minimă necesară pentru a iniția descărcarea strălucitoare. Practica arată că odată ce începe descărcarea de gaz, tensiunea de descărcare scade brusc, indicând faptul că tensiunea de aprindere selectată nu este tensiunea minimă de aprindere. În general, după ce gazul este aprins, tensiunea de descărcare scade automat până la tensiunea care menține descărcarea auto-susținută. De exemplu, tensiunea de aprindere a descărcării de argon cu materiale pe bază de fier-este de aproximativ 265 V.
3.4.2 Volt-Amperi Curba caracteristică a descărcării gazului
Măsurarea curbei caracteristice Volt-Amperi
Curba de variație a tensiunii-curentului dintre cei doi electrozi ai descărcării gazoase se numește curba caracteristică a tensiunii-amperi. Figura 3-7 prezintă dispozitivul de măsurare a curbei caracteristice de volti-amperi a descărcării gazoase [10], unde Eₐ este o sursă de curent continuu și Rₐ este un rezistor variabil. După pornirea sursei de alimentare Eₐ, măsurați tensiunea și curentul dintre electrozi și trasați curba de variație a tensiunii-curentului în timpul descărcării gazului, adică curba caracteristică volt-amperi [3−12].
Caracteristicile curbei caracteristice Volt-Amperi
Figura 3-8 prezintă curba caracteristică volt-amperi a descărcării gazului [3]:
Regiunea de descărcare întunecată ne-auto-susținută (Ⅰ)
În segmentul AB din figura 3-8, apare un curent foarte slab (10⁻¹² A) pe măsură ce tensiunea crește treptat de la 0. Acest curent este generat de ionizarea spațiului cauzată de electronii reziduali din spațiu. În această regiune, deși curentul de descărcare crește odată cu tensiunea inter-electrodului, curentul este slab și nu este vizibilă nicio luminiscență; aceasta se numește descărcare întunecată ne{-auto-susținută, care aparține procesului de descărcare Townsend asemănător avalanșei.
Regiunea de descărcare întunecată auto-susținută-(Ⅱ)
Pornind de la punctul B, începe etapa de descărcare auto-susținută, producând avalanșă-cum ar fi descărcarea Townsend. Tensiunea în punctul B (Vᵇ, numită și tensiune de ruptură) este în general mai mare decât tensiunea minimă de aprindere Uₘᵢₙ în condițiile experimentale (p,d). Luminescența slabă apare în segmentul BC, care se numește regiune de descărcare întunecată auto-susținută.
Regiunea de tranziție (Regiunea de descărcare Corona Ⅲ, Regiunea de descărcare cu strălucire normală timpurie Ⅳ)
Dacă rezistența în circuit nu este mare, descărcarea trece rapid în punctul E prin regiunea de tranziție: tensiunea scade brusc la Vₙ, curentul crește brusc și pe catod apare o strălucire puternică, intrând în regiunea normală de descărcare a strălucirii.
Regiunea normală de descărcare a strălucirii (Ⅴ)
Din curba caracteristică de descărcare a volt-amperi, Vᵇ este tensiunea de aprindere și Vₙ este tensiunea care menține o descărcare normală stabilă (adică, Uₘᵢₙ în curba Paschen). După trecerea la descărcarea normală de strălucire din punctul E, doar o parte a suprafeței catodului emite lumină (numită punct catod). Reducerea-rezistorului de limitare a curentului crește aria de strălucire. Curentul inter-electrodului crește odată cu zona luminoasă, dar tensiunea descărcării luminoase normale rămâne constantă-aceasta este o caracteristică a descărcării luminoase normale.
(Adnotări pentru Figura 3-8: Curba caracteristică a volt-amperi a descărcării gazului Ⅰ-Ne{-Auto-Regiune de descărcare întunecată susținută Ⅱ-Auto{-Regiune de descărcare întunecată susținută Ⅲ{-Regiune de descărcare normală GⅣ{-Corona de descărcare Ⅳ-Corona scăzută Regiunea Ⅴ-Regiune de descărcare cu strălucire normală Ⅵ-Regiune de descărcare cu strălucire anormală Ⅶ-Regiune de tranziție de la strălucire la descărcare cu arc Ⅷ{-Regiune de descărcare arc Vᵇ{-Descărcare Tensiune de aprindere Vₙ}Voltaj de descărcare normală Vᵍ}{{15}Arc de descărcare tensiune)
Regiunea de descărcare de strălucire anormală (Ⅵ)
Când punctul catodic acoperă întreaga suprafață a catodului (adică, atinge punctul F), curentul inter-electrodului crește pe măsură ce tensiunea inter-electrodului crește-aceasta este etapa anormală de descărcare luminoasă. Segmentul FG prezintă caracteristicile descărcării strălucitoare anormale, cu o densitate de curent la nivelul mA/cm². Aproape de punctul G, densitatea curentului catodic este foarte mare; catodul local este încălzit la o stare puternică de emisie termoionică, rezistența spațiului scade, tensiunea scade brusc, curentul crește brusc și trece cu ușurință la descărcarea cu arc.
Regiunea de tranziție de la strălucire la descărcare cu arc (Ⅶ)
Pornind de la punctul G, tensiunea inter-electrodului scade brusc de la câteva sute de volți la zeci de volți, iar densitatea de curent sare de la nivelul mA/cm² la nivelul de 100 A/cm². Punctul G este tensiunea de aprindere a arcului, iar segmentul GH este regiunea de tranziție de la descărcarea luminoasă anormală la descărcarea arcului. Acest fenomen este ușor de realizat dacă sursa de alimentare permite.
Regiunea de descărcare a arcului (Ⅷ)
Pornind de la punctul H, intră într-o regiune stabilă cu o tensiune de zeci de volți și o densitate de curent peste 100 A/cm². În aplicații specializate, medii similare cu presiune joasă-poate produce emisii ultraviolete intense, cum ar fi lumina excimer de 172 nm din dimerii de xenon excitați.
