Glödurladdningsegenskaper för 172nm och 222nm excimerlampor

Glödurladdningsegenskaper för 172nm och 222nm excimerlampor

Kapitel 3 Grunderna i plasmafysik

3.5.1 Egenskaper för glödurladdning

Glödurladdning är en tidigare form av urladdning och fungerar som grund för olika typer av urladdningar.

1. Tändning av glödurladdning

I en vakuumbehållare med endast ett elektriskt katod- och anodfält, när vakuumgraden är under 1 Pa, efter anslutning av DC-strömförsörjningen, joniseras gasen, och glödurladdning sker på arbetsstycket, med arbetsstyckets yta omgiven av ett glödskikt. Glödurladdningsströmtätheten är i storleksordningen mA/cm², med spänningar från 400 till 5000 V, vilket gör den till en urladdningsform med hög-spänning och låg-strömtäthet. Under glödurladdning uppstår excitationsluminescens- och rekombinationsluminescensfenomen, och ljusets färg varierar beroende på gasen. I vissa speciella tillämpningar, såsom vakuum-ultravioletta ljuskällor, kan liknande glödurladdningsprinciper också användas för att generera ljus med specifika våglängder, till exempel 172 nm excimerlampor eller 222 nm UV-lampor, som använder gasurladdningsexcitation för att producera excimerstrålning.

2. Katodfallregion

(1) Potentialfördelning framför katoden

I vakuumbehållaren, före urladdning, är potentialfördelningen mellan elektroderna linjär, vilket visas av OA₀ i figur 3-9 [10]. Efter urladdning är den positiva jondensiteten och elektrondensiteten i utrymmet lika. På grund av elektronernas ringa massa och höga hastighet rör sig de mot anoden med hög hastighet; däremot har positiva joner stor massa och rör sig mot katoden med låg hastighet och ackumuleras nära katoden. Denna positiva rymdladdningseffekt förvränger det elektriska fältet mellan elektroderna, vilket motsvarar att flytta anoden A mot katoden C, vilket bildar en ekvivalent anod. Spänningen mellan elektroderna är huvudsakligen fördelad mellan katoden och den ekvivalenta anoden, känd som katodfallet, som visas av OA₂ i figur 3-9. Avståndet från den ekvivalenta anoden till katoden betecknas som d₂, även kallad katodfallområdets bredd [8].

Den ekvivalenta anoden är som att flytta anoden mot katoden, förkorta mellan-elektrodavståndet till d₂ och ändra den elektriska fältstyrkan E. Före gasantändning, fältstyrkan E=U_d/d. Under inverkan av U_d får elektroner tillräckligt med energi för att antända gasen och går in i det själv-uppehållande urladdningsstadiet. Under urladdningsutvecklingen, på grund av ackumuleringen av positiva joner, närmar sig den ekvivalenta anoden gradvis katoden C, vilket betyder att anoden effektivt rör sig från position A till A1 och sedan till A2. Förkortningen av avståndet mellan katod och anod ökar den elektriska fältstyrkan, E₂=U_d / d₂. När rymdtrycket p förblir oförändrat är elektronens medelfria bana λ_e konstant, så elektronenergin eE₂ λ_e ≫ eE λ_e. Den ursprungliga elektronenergin eE λ_e är tillräcklig för att jonisera gasen, och inter-elektrodspänningen U_d kan fortfarande upprätthålla urladdningsprocessen. Därför, när gasen har antänts, sjunker inter-elektrodspänningen automatiskt längs Paschen-kurvan till U_min, vid vilken punkt avståndet mellan ekvivalent anod och katod är d_e, och urladdningen går in i det stabila normala glödurladdningsområdet. Avståndet från det positiva jonackumuleringsskiktet till katoden är d_e. d_e är den tidigare nämnda d2, vilket betyder att ett positivt jonmantelskikt bildas på ett mycket litet avstånd d_e från katoden. Potentialfallet mellan katod och anod är huvudsakligen fördelat inom d_e-området, vilket resulterar i ett brant spänningsfall och hög elektrisk fältstyrka. Elektroner och joner accelereras i detta smala d_e-intervall. Positiva joner accelererar och bombarderar katoden och exciterar sekundära elektroner från den. Elektroner accelererar mot anoden, kolliderar oelastiskt med neutrala gasatomer i d_e-intervallet, vilket slutligen producerar en elektron för att uppfylla det självuppehållande urladdningsvillkoret och bibehålla gasurladdningen.

(2) Bredden på katodens fallregion

Under glödurladdning sjunker inter-elektrodspänningen huvudsakligen i katodfallområdet. Bredden på katodfallet beror på spänning, gassammansättning och katodmaterial. Katodfallområdet har vissa egenskaper: under oförändrade andra urladdningsförhållanden håller ändring av endast gastrycket p katodfallet U_c konstant; bredden d_e för katodfallområdet är omvänt proportionell mot p, och minskar när vakuumgraden minskar (p ökar); när produkten pd_e är konstant förblir U_c oförändrad; när d=d_e existerar inga andra regioner förutom katodfallområdet, men urladdning kan fortfarande inträffa; när 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 Normal glödurladdning och onormal glödurladdning

1. Jämförelse av egenskaper mellan normal glödurladdning och onormal glödurladdning

I analysen av volt-ampere karakteristiska kurvor introducerades skillnaderna mellan normal urladdning och onormal glödurladdning. Deras karakteristiska jämförelse visas i Tabell 3-5 [10].

2. Tändningsspänning för normal glödurladdning

Tändningsspänningen för normal glödurladdning är den lägsta tändspänningen U_min. Om produkten av avståndet d mellan katod och anod och gastrycket p exakt motsvarar minimipunkten pd_e på Paschenkurvan, är gasurladdningens tändspänning U_min. För järnkatod med argon, kväve, syre eller väte är U_min endast 100~343 V. Tabell 3-6 listar katodens fall för normal glödurladdning med flera katodmaterial och gaser [2,3,10]. Vid initial antändning börjar glöd på en liten yta av katodytan. När effekten ökar, expanderar glödområdet på katodytan gradvis tills det täcker hela katoden. Under denna expansion längs katoden förblir spänningen konstant och katodströmmen ökar med glödområdet. Från tabell 3-6, för olika katodmaterial, är den normala glödurladdningskatodpotentialen med argon under 165 V. För järnkatod, med diatomiska gaser, är den under 343 V.

I allmänhet är avståndet d mellan katod och anod fixerat, och det är svårt att ställa in urladdningsutrymmets tryck p till minimipunkten på Paschen-kurvan, så spänningen mellan-elektroderna måste ökas för att producera glödurladdning. Oavsett om vakuumkammarens tryck är högre eller lägre än detta område, måste inter-elektrodspänningen höjas till punkt B för att övergå från Townsend-urladdningsregion Ⅱ, genom koronaurladdningsregion Ⅲ och tidig normal glödurladdningsregion Ⅳ, till stabil normal glödurladdningsregion Ⅴ. Urladdningsspänningen sjunker brant till punkt E, där spänningen är U_min. I EF-intervallet täcker glöd gradvis hela katodområdet, spänningen förblir konstant, strömmen ökar gradvis och uppvisar normala glödurladdningsegenskaper.

Om vakuumkammarens tryck p förblir konstant, och mellan-elektrodavståndet är för stort eller mindre än minimivärdet d på Paschen-kurvan, behövs högre inter-elektrodspänning för glödurladdning, eller att justera elektrodavståndet kan uppnå tändning vid lägre spänning nära U_min.

Vid tändning vid högre spänning än U_min ger den externa strömmen mer energi än för U_min-tändning. Om faktisk pd är långt ifrån pd_e, är den pålagda spänningen högre, ibland över 1000 V, med arbetspunkten på vänster eller höger gren av Paschen-kurvan. På grund av hög energi som tillförs katoden, så snart gasurladdningen antänds, täcks katodytan omedelbart med glöd och går in i ett onormalt glödurladdningsområde, utan att observera gradvis glödexpansion på katoden.

3. Onormal glödurladdning

Efter att katodytan är helt täckt med glöd, ökar urladdningsströmmen med stigande inter-elektrodspänning. När glödströmmen ökar, intensifieras ljusstyrkan för arbetsstyckets yta. När spänning och tryck väl är fixerade fortsätter onormal glödurladdning stabilt. De flesta urladdningar vid glödurladdning jonplätering, magnetronförstoftning, plasma-förbättrad kemisk ångavsättning och glödurladdning jonitrering fungerar i det onormala glödurladdningsområdet. Dessa urladdningsformer delar likheter med excitationsmekanismerna hos vissa ultravioletta källor, såsom 222 nm UV-lampor, som också är beroende av gasurladdning för att producera specifik våglängdsstrålning.

3.5.3 Fördelning av olika egenskaper mellan elektroder i glödurladdning

1. Ojämn ljusintensitet mellan elektroder med omväxlande ljusa och mörka lager [3-12]

Efter att gasurladdningen går in i glödurladdningsstadiet är glödintensitetsfördelningen från katod till anod ojämn, och fördelningarna av inter-elektrodladdning, potential, elektrisk fältstyrka etc. är också ojämn. Figur 3-10 visar karaktäristikfördelningen mellan elektroderna i glödurladdning [10]. Denna figur illustrerar tydligt distributionsmönstren för glödintensitet (ljusintensitet), potential, elektrisk fältstyrka, positiv laddning, negativ laddning, nettoladdning, strömtäthet och gastemperatur under glödurladdning.

2. Skäl för bildandet av varje region

Intervallet från katod till anod är uppdelat i Aston-mörkrum, katodglödområde, katodmörkrum, negativt glödområde, Faraday-mörkrum, positivt kolumnområde, anodmörkrum och anodglödområde [10].

Figur 3-11 är en förstorad vy av den övre delen av figur 3-10, som visar ojämn ljusintensitet med omväxlande ljusa och mörka självlysande skikt mellan elektroderna under glödurladdning.

Aston mörkt utrymme: Joner exciterar elektroner från katoden, och när elektroner rör sig mot anoden accelererar de i katodens fallområde men har otillräcklig energi för excitationsluminescens, vilket bildar Astons mörka utrymme.

Katodglödområde: När elektroner når katodglödområdet har de tillräcklig energi för att excitera gasen, vilket producerar luminescens. Denna excitationsluminescensprincip liknar vissa excimerlampor, såsom 172 nm excimerlampor, som använder urladdningsexcitation för att producera vakuum ultraviolett ljus.

Katod mörkt utrymme: De flesta elektroner som förlorar energi under excitation blir långsamma elektroner med energi under joniseringsenergin. Efter att ha kommit in i katodens mörka utrymme lämnar de snabbt under hög fältstyrka utan kollisioner, därför ingen luminescens.

Negativt glödområde: Elektroner som accelereras i katodens mörka utrymme kommer in i det negativa glödområdet med hög energi, vilket producerar mer jonisering och excitation. Denna region genererar riklig excitation och rekombinationsluminescens, bildar mycket stark glöd, vilket gör den negativa glödregionens ljus till det starkaste. Glödfärgen varierar med utsläppsgasens sammansättning.

Faradays mörka utrymme: De flesta elektroner förlorar energi i den negativa glödregionen, otillräcklig för signifikant jonisering eller excitation, och bildar ett mörkt utrymme.

Positiv kolumnregion: Elektrondensitet och positiv jondensitet är nästan lika, även kallad plasmaregionen. Densiteten för laddade partiklar är i allmänhet 10¹⁰ ~ 10¹² / cm³, vilket leder ström i gasurladdning, vilket gör plasma till en stark ledare. Elektrisk fältstyrka i den positiva kolonnen är flera storleksordningar mindre än i katodområdet.

Anodregion: Elektroner absorberas av anoden, joner stöts bort, bildar negativ rymdladdning nära anoden, vilket kraftigt ökar potentialen och skapar anodpotential. Elektroner som accelereras i anodområdet producerar excitation och jonisering nära anoden, vilket bildar anodglöd.

I urladdningsbehållaren är den omväxlande ljusa och mörka fördelningen av glödskikt från katod till anod synlig. Figur 3-12 visar glöden runt arbetsstycket under DC-glödurladdningjonnitrering, med tydligt alternerande lager.

3.5.4 Ihålig katodeffekt vid glödurladdning

1. Glödöverlappningsfenomen med två parallella plattkatoder

Den tidigare diskussionen fokuserade på enkla-katodurladdningsegenskaper. Om två parallella plattkatoder placeras i en vakuumbehållare med A som anod uppstår glödurladdning vid strömförsörjning. Figur 3-13 visar katodurladdningsanordningen med två parallella plattor [10].

När gasantändningsförhållandena är uppfyllda producerar båda katoderna glödurladdning, och bildar respektive katodmörka utrymmen och negativa glödområden nära dem. När avståndet mellan de två katoderna uppfyller d₁ + d₂ > 2d_e, har båda mörka utrymmen och negativa glödområden, som delar Faradays mörka utrymmen och positiv kolumn. När d1 + d2 < 2d_e överlappar de två negativa glödområdena. Elektroner som emitteras från C₁ accelererar i C₁:s katodfallsområde och bromsar när de går in i C₂, oscillerar mellan elektroderna, ökar kollisionssannolikheten med gasmolekyler, orsakar mer excitation och jonisering, ökar strömtätheten och negativ glödintensitet. Detta fenomen kallas ihålig katodeffekt vid glödurladdning [10].

Figur 3-14 visar ljusintensitetsfördelningen mellan två parallella katodplattor [10]. De två streckade linjerna i figur 3-14 representerar glödintensiteter från varje katod; efter ihålig katodeffekt överlagras intensiteter, med fördelning som kurva M i figur 3-14.

Om den negativa glödområdets längd i ihålig katodeffekt är d, katodfallet är V_c, trycket är p, deras funktionella samband är: pd=f(V_c)

Från detta, vid högre tryck p, behövs litet mellan-katodavstånd för ihålig katodeffekt; vid lägre p räcker det med större avstånd. Således, för fast inter-katodavstånd, beror huruvida en ihålig katodeffekt inträffar på trycket.

Om katoden är ett ihåligt rör, är den inre diametern lika med avståndet mellan parallella plattor, vilket ger en ihålig katodeffekt vid ett visst tryck, vilket bildar stark negativ glöd i rörets mitt.

2. Glödintensitet efter urladdning med olika katodavstånd

Under samma vakuumkammare, identisk vakuumgrad och katodspänning, varierar glödintensiteten med katodform och plattavstånd, som visas i figur 3-15.