A 172 nm-es és 222 nm-es excimer lámpák izzás kisülési jellemzői
3. fejezet A plazmafizika alapjai
3.5.1 Az izzítási kisülés jellemzői
Az izzó kisülés egy korábbi kisülési forma, és különféle típusú kisülések alapjául szolgál.
1. Izzókisülés gyújtása
Csak katód és anód elektromos térrel rendelkező vákuumtartályban, amikor a vákuumfok 1 Pa alatt van, az egyenáramú tápellátás csatlakoztatása után a gáz ionizálódik, a munkadarabon parázskisülés lép fel, a munkadarab felületét izzóréteg veszi körül. Az izzítókisülés áramsűrűsége mA/cm² nagyságrendű, a feszültség 400 és 5000 V között van, így nagy-feszültségű, kis{5}}áramú-sűrűségű kisülési forma. Az izzító kisülés során gerjesztési lumineszcencia és rekombinációs lumineszcencia jelenségek lépnek fel, és a fény színe a gáztól függően változik. Bizonyos speciális alkalmazásokban, mint például a vákuum ultraibolya fényforrások, hasonló izzító kisülési elvek is használhatók meghatározott hullámhosszú fény előállítására, például 172 nm-es excimer lámpák vagy 222 nm-es UV lámpák, amelyek gázkisülési gerjesztést használnak excimer sugárzás előállítására.
2. Cathode Fall Region
(1) Potenciális eloszlás a katód előtt
A vákuumtartályban a kisütés előtt az elektródák közötti -potenciáleloszlás lineáris, amint azt az OA₀ mutatja a 3-9. ábrán [10]. Kisülés után a pozitív ionsűrűség és az elektronsűrűség a térben hasonló. Az elektronok kis tömege és nagy sebessége miatt nagy sebességgel mozognak az anód felé; ezzel szemben a pozitív ionok nagy tömegűek, és kis sebességgel mozognak a katód felé, és a katód közelében halmozódnak fel. Ez a pozitív tértöltési hatás torzítja az elektródák közötti elektromos teret, ami egyenértékű az A anód C katód felé történő mozgatásával, és egyenértékű anódot képez. Az elektródák közötti feszültség főként a katód és az ekvivalens anód között oszlik meg, amelyet katódesésnek neveznek, amint azt OA2 mutatja a 3-9. ábrán. Az ekvivalens anód és a katód távolságát d2-ként jelöljük, más néven katód esési tartomány szélességének [8].
Az ekvivalens anód olyan, mintha az anódot a katód felé tolná, az elektródák közötti távolságot -d₂-re csökkentené, és megváltoztatná az E elektromos térerősséget. Gázgyújtás előtt az E=U_d / d térerősség. Az U_d hatására az elektronok elegendő energiát nyernek a gáz meggyújtásához, és belépnek az önfenntartó kisülési szakaszba. A kisülés során a pozitív ionok felhalmozódása miatt az ekvivalens anód fokozatosan megközelíti a C katódot, ami azt jelenti, hogy az anód hatékonyan mozog A pozícióból A1-be, majd A2-be. A katód és az anód közötti távolság csökkentése növeli az elektromos térerősséget, E₂=U_d / d₂. Ha a p térnyomás változatlan marad, az elektronok átlagos szabad útja λ_e állandó, így az elektronenergia eE₂ λ_e ≫ eE λ_e. Az eredeti elektronenergia eE λ_e elegendő a gáz ionizálásához, és az elektródák közötti U_d feszültség továbbra is fenntartja a kisülési folyamatot. Ezért a gáz meggyújtása után az elektródák közötti feszültség a Paschen-görbe mentén automatikusan U_min értékre csökken, ekkor az ekvivalens anód és a katód távolsága d_e, és a kisülés a stabil normál izzítókisülési tartományba kerül. A pozitív ion akkumulációs réteg és a katód távolsága d_e. d_e a korábban említett d2, ami azt jelenti, hogy a katódtól nagyon kis d_e távolságra pozitív ionköpeny réteg képződik. A katód és az anód közötti potenciálesés főként a d_e tartományon belül oszlik meg, ami meredek feszültségesést és nagy elektromos térerősséget eredményez. Az elektronok és ionok felgyorsulnak ebben a szűk d_e intervallumban. A pozitív ionok felgyorsítják és bombázzák a katódot, szekunder elektronokat gerjesztve belőle. Az elektronok felgyorsulnak az anód felé, és rugalmatlanul ütköznek semleges gázatomokkal a d_e intervallumban, végül egy elektront termelnek, hogy kielégítsék az önfenntartó kisülési feltételt és fenntartsák a gázkisülést.
(2) A katód esési régiójának szélessége
Az izzító kisülés során az elektródák közötti feszültség -főként a katód esési tartományában csökken. A katód esésének szélessége a feszültségtől, a gáz összetételétől és a katód anyagától függ. A katód esési tartományának van néhány jellemzője: változatlan egyéb kisülési feltételek mellett csak a p gáznyomás változtatása állandóan tartja a katód esését U_c; a katód esési tartományának d_e szélessége fordítottan arányos p-vel, és a vákuumfok csökkenésével csökken (p növekszik); ha a pd_e szorzat állandó, az U_c változatlan marad; amikor d=d_e, a katód esési tartományon kívül nincs más tartomány, de kisülés továbbra is előfordulhat; amikor 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 Normál izzáskisülés és rendellenes izzáskisülés
1. A normál izzáskisülés és a kóros izzáskisülés jellemzőinek összehasonlítása
A volt{0}}amper jelleggörbék elemzése során bevezették a normál kisülés és a kóros izzás kisülés közötti különbségeket. Jellemző összehasonlításukat a 3-5. táblázat mutatja [10].
| Jellegzetes | Normál izzás kisülés | Rendellenes izzás kisülés |
|---|---|---|
| Katód esés nagysága | Áramtól és gáznyomástól független | Az árammal arányos; a gáznyomás növekedésével csökken |
| Katód esési terület szélessége | Áramtól független; a gáznyomás növekedésével csökken | Csökken az áramerősség növekedésével; a gáznyomás növekedésével csökken |
| Áramsűrűség | Feszültségtől független | Feszültséggel nő |
| Katód ragyogás lefedettségi terület | Növeli a gáznyomást; árammal arányos | A teljes katód izzással borított |
2. Normál izzítókisülés gyújtási feszültsége
A normál izzítókisülés gyújtási (letörési) feszültsége az U_min minimális gyújtási feszültség. Ha a katód és az anód közötti d távolság és a p gáznyomás szorzata pontosan megfelel a Paschen-görbe minimális pd_e pontjának, akkor a gázkisülési gyújtási feszültség U_min. Argonnal, nitrogénnel, oxigénnel vagy hidrogénnel ellátott vaskatód esetén az U_min csak 100-343 V. A 3-6. táblázat felsorolja a katód eséseket normál izzítókisülés esetén számos katódanyag és gáz esetén [2,3,10]. Az első gyújtáskor a katód felületének egy kis részén izzás kezdődik. A teljesítmény növekedésével a katód felületén lévő izzási terület fokozatosan tágul, amíg be nem fedi a teljes katódot. A katód mentén történő tágulás során a feszültség állandó marad, és a katódáram az izzási területtel nő. A 3-6. táblázatból különböző katódanyagok esetén a normál izzítókisülési katódpotenciál argonnál 165 V alatt van. Vaskatódnál kétatomos gázoknál 343 V alatt van.
Általánosságban elmondható, hogy a katód és az anód közötti d távolság rögzített, és nehéz a kisülési tér p nyomását a Paschen-görbe minimális pontjára állítani, ezért az elektródák közötti feszültséget növelni kell az izzókisülés létrehozásához. Függetlenül attól, hogy a vákuumkamra nyomása nagyobb vagy alacsonyabb ennél a tartománynál, az elektródák közötti feszültséget a B pontig kell emelni, hogy a Townsend kisülési tartományból Ⅱ átmenjünk a Ⅲ koronakisülési tartományon és a korai normál izzás kisülési tartományon Ⅳ a stabil normál izzás kisülési tartományba Ⅴ. A kisülési feszültség meredeken csökken az E pontig, ahol a feszültség U_min. Az EF intervallumban az izzás fokozatosan lefedi a katód teljes területét, a feszültség állandó marad, az áram fokozatosan növekszik, normál izzítási kisülési karakterisztikát mutatva.
Ha a vákuumkamra p nyomása állandó marad, és az elektródák közötti távolság túl nagy vagy kisebb, mint a Paschen-görbe minimális d értéke, akkor nagyobb elektródák közötti feszültségre van szükség az izzító kisüléshez, vagy az elektródák távolságának beállításával kisebb, U_min-hez közeli feszültségen gyulladás érhető el.
Ha U_min-nél nagyobb feszültségen gyújt, a külső táp több energiát szolgáltat, mint az U_min gyújtásnál. Ha a tényleges pd messze van a pd_e-től, akkor az alkalmazott feszültség magasabb, néha 1000 V felett, a működési pont a Paschen-görbe bal vagy jobb ágán van. A katódba juttatott nagy energia miatt, amint a gázkisülés meggyullad, a katód felülete azonnal izzással borítja be, és abnormális izzítási kisülési tartományba kerül anélkül, hogy a katódon fokozatosan izzás-tágulást észlelnénk.
3. Rendellenes izzáskisülés
Miután a katód felületét teljesen beborítja a fény, a kisülési áram az elektródák közötti -feszültség növekedésével nő. Az izzítóáram növekedésével a munkadarab felületi izzási fényereje felerősödik. A feszültség és a nyomás rögzítése után a rendellenes izzás kisülés stabilan folytatódik. Az izzító kisülésű ionbevonás, a magnetronporlasztás, a plazma-fokozott vegyi gőzleválasztás és az izzító kisülésű ionnitridálás legtöbb kisülése a rendellenes izzítókisülési tartományban működik. Ezek a kisülési formák hasonlóságot mutatnak bizonyos ultraibolya források, például a 222 nm-es UV-lámpák gerjesztési mechanizmusaival, amelyek szintén gázkisülésre támaszkodnak meghatározott hullámhosszú sugárzás előállításához.
3.5.3 Különféle jellemzők eloszlása az elektródák között izzókisülésben
1. Egyenetlen fényintenzitás az elektródák között váltakozó világos és sötét rétegekkel [3-12]
Miután a gázkisülés belép az izzítókisülési fokozatba, az izzítási intenzitás eloszlása a katódtól az anódig egyenetlen, és az elektródák közötti töltés, a potenciál, az elektromos térerősség stb. eloszlása sem egyenletes. A 3-10. ábra az elektródák közötti karakterisztikus eloszlást mutatja izzítókisülésben [10]. Ez az ábra világosan szemlélteti az izzás intenzitása (fényintenzitás), a potenciál, az elektromos térerősség, a pozitív töltés, a negatív töltés, a nettó töltés, az áramsűrűség és a gázhőmérséklet eloszlási mintázatait az izzítási kisülés során.
2. Az egyes régiók kialakításának okai
A katódtól az anódig terjedő intervallum fel van osztva Aston sötét térre, katód világító tartományra, katód sötét térre, negatív világító tartományra, Faraday sötét térre, pozitív oszlop régióra, anód sötét térre és anód világító tartományra [10].
A 3-11. ábra a 3-10. ábra felső részének kinagyított nézete, amely egyenetlen fényintenzitást mutat az elektródák között váltakozó világos és sötét lumineszcens rétegekkel az izzító kisülés során.
Aston sötét tér: Az ionok gerjesztik az elektronokat a katódról, és ahogy az elektronok az anód felé haladnak, felgyorsulnak a katód esési tartományában, de nincs elegendő energiájuk a gerjesztési lumineszcenciához, így az Aston sötét teret alkotják.
Katód izzási tartomány: Amikor az elektronok elérik a katód izzási tartományát, elegendő energiával rendelkeznek a gáz gerjesztéséhez, ami lumineszcenciát eredményez. Ez a gerjesztési lumineszcencia elv hasonló bizonyos excimer lámpákhoz, mint például a 172 nm-es excimer lámpákhoz, amelyek kisülési gerjesztést használnak vákuum ultraibolya fény előállítására.
Katód sötét tér: A gerjesztés során energiát veszítő elektronok többsége lassú elektronokká válik, amelyek energiája az ionizációs energia alatt van. Miután belépnek a katód sötét terébe, gyorsan távoznak nagy térerősség mellett, ütközések nélkül, így nincs lumineszcencia.
Negatív izzási tartomány: A katódsötét térben felgyorsult elektronok nagy energiával lépnek be a negatív izzási tartományba, nagyobb ionizációt és gerjesztést eredményezve. Ez a régió bőséges gerjesztést és rekombinációs lumineszcenciát generál, nagyon erős fényt képezve, így a negatív izzási régió fénye a legerősebb. Az izzás színe a kisülési gáz összetételétől függően változik.
Faraday sötét tér: A legtöbb elektron energiát veszít a negatív izzási tartományban, ami nem elegendő a jelentős ionizációhoz vagy gerjesztéshez, és sötét teret képez.
Pozitív oszlopterület: Az elektronsűrűség és a pozitív ionsűrűség közel azonos, plazmarégiónak is nevezik. A feltöltött részecskék sűrűsége általában 10¹⁰ ~ 10¹² / cm³, ami gázkisülésben vezeti az áramot, ami a plazmát erős vezetővé teszi. Az elektromos térerősség a pozitív oszlopban több nagyságrenddel kisebb, mint a katód tartományában.
Anód terület: Az elektronokat az anód elnyeli, az ionokat taszítja, negatív tértöltést képezve az anód közelében, jelentősen növelve a potenciált és anódpotenciált hozva létre. Az anódtartományban felgyorsított elektronok az anód közelében gerjesztést és ionizációt keltenek, anódfényt hozva létre.
A kisülési tartályban a világító rétegek váltakozó világos és sötét eloszlása látható a katódtól az anódig. A 3-12. ábra a munkadarab körüli izzást mutatja az egyenáramú izzító kisülésű ionnitridálás során, jól láthatóan megjelenítve a váltakozó rétegeket.
3.5.4 Üreges katód hatás izzító kisülésben
1. Világítási átfedés jelenség két párhuzamos lemezkatóddal
Az előző megbeszélés az egykatód kisülési jellemzőire összpontosított. Ha két párhuzamos lemezes katódot helyezünk egy vákuumtartályba, amelynek anódja A, akkor áramellátáskor izzókisülés lép fel. A 3-13. ábra a két párhuzamos lemezes katódos kisülési eszközt mutatja [10].
Ha a gázgyújtási feltételek teljesülnek, mindkét katód izzó kisülést hoz létre, a megfelelő katód sötét tereket és negatív világító tartományokat képezve a közelében. Ha a két katód távolsága kielégíti a d1 + d₂ > 2d_e értéket, mindkettőben vannak sötét terek és negatív világító tartományok, közös Faraday sötét terekkel és pozitív oszloppal. Ha d₁ + d₂ < 2d_e, a két negatív világító tartomány átfedi egymást. A C1-ből kibocsátott elektronok felgyorsulnak a C1 katód esési tartományában, és lelassulnak, amikor belépnek a C2-be, oszcillálnak az elektródák között, növelik a gázmolekulákkal való ütközés valószínűségét, ami nagyobb gerjesztést és ionizációt okoz, növeli az áramsűrűséget és a negatív izzás intenzitását. Ezt a jelenséget üreges katód-effektusnak nevezzük izzítókisülésben [10].
A 3-14. ábra a fényintenzitás eloszlását mutatja két párhuzamos katódlemez között [10]. A 3-14. ábrán látható két szaggatott vonal az egyes katódok izzási intenzitását jelzi; Az üreges katódhatás után az intenzitások egymásra épülnek, a 3-14. ábrán látható M görbe eloszlásával.
Ha az üreges katódhatásban a negatív izzási tartomány hossza d, a katód esése V_c, a nyomás p, ezek funkcionális kapcsolata: pd=f(V_c)
Ettől nagyobb p nyomáson kis katódtávolság szükséges az üreges katódhatáshoz; alacsonyabb p-nél nagyobb távolság is elegendő. Így rögzített katódok közötti távolság esetén az üreges katód hatás a nyomástól függ.
Ha a katód üreges cső, akkor a belső átmérő megegyezik a párhuzamos lemezek távolságával, bizonyos nyomáson üreges katód hatást kelt, erős negatív fényt képezve a cső közepén.
2. Izzás intenzitása kisütés után különböző katódtávolság esetén
Ugyanazon vákuumkamra, azonos vákuumfokozat és katódfeszültség mellett az izzás intenzitása a katód alakjától és a lemez távolságától függően változik, amint az a 3-15. ábrán látható.
