Interaktionen mellan excimer UV-lampa och ljusbågsurladdning

Interaktionen mellan excimer UV-lampa och ljusbågsurladdning

3.6.1 Egenskaper för ljusbågsurladdning

När strömtätheten i onormal glödurladdning blir mycket hög bombarderar joner katodytan intensivt, vilket orsakar lokal uppvärmning av katoden och emission av ett stort antal termionelektroner. Detta minskar rymdresistansen, orsakar ett kraftigt fall i inter-elektrodspänningen och en plötslig ökning av strömmen, vilket förvandlar glödurladdningen till ljusbågsurladdning. Tabell 3-8 jämför egenskaperna för ljusbågsurladdning och glödurladdning [10].

3.6.2 Typer av ljusbågsurladdning

Klassificering efter urladdningsspänning(1) Låg-bågarladdning: Bågarladdning vid gastryck under 100 Pa, även känd som vakuumbåge. Elektrontemperaturen i bågkolonnen når 10⁴–10⁵ K, medan den tunga partikeltemperaturen är något högre än omgivningstemperaturen och bildar en icke-jämviktsplasma. Denna typ av båge kombineras ofta medexcimer UV-lamporför extra excitation för att förbättra plasmaaktivitet och reaktionseffektivitet. (2) Hög-bågeurladdning: Förekommer i gas- eller ångbågar vid tryck över 100 Pa; bågar vid atmosfärstryck är högtrycksbågar-. Bågkolonnen kännetecknas av termisk jämvikt mellan elektroner, positiva joner och neutrala gasatomer eller molekyler, med gastemperaturer som når 4000–20000 K i en sammandragen bågkolonn.

Klassificering efter bildande mekanism för ljusbågsurladdningBaserat på formen av ljusbågsurladdning är den uppdelad i termionisk ljusbågsurladdning och kallkatodfält-emissionsbågarladdning, som introduceras separat nedan.

3.6.3 Termionbågsurladdning

Termionisk emission [10,13,14]När metallyttemperaturen är mycket hög och elektronenergin överstiger arbetsfunktionen, slipper elektroner sina bindningar och emitteras. När den termioniska strömtätheten är hög bildar den en termionisk katodbågarladdning. Självuppehållande-bågarladdning av termionkatod upprätthålls av stabil termionisk emission från katoden. Eldfasta metaller med motståndskoefficienter för höga temperaturer, såsom volfram, molybden eller tantal, används vanligtvis för termionisk emission. Tabell 3-9 [10] listar sambandet mellan termionisk emissionstäthet och temperatur för tantal; ju högre temperatur, desto större termionemissionstäthet.

Den termioniska emissionstätheten beräknas med följande ekvation: J=AT2e−X/kT J=AT^2 e^{-X / kT} J=AT2e−X/kT där:

JJJ - Termionisk strömtäthet (A/cm²);

AAA - Termionisk emissionskonstant för materialet [A/(cm²·K²)];

TTT - Katodmaterialtemperatur (K);

XXX - Elektronfunktion (eV);

kkk - Boltzmann konstant, k=1.38×10−23k=1.38 \\ gånger 10^{-23}k=1.38×10−23 J/K.

Från ekvationen, eftersom AAA, XXX och kkk är konstanta för ett givet material, ökar den termioniska emissionstätheten från katodmaterialet snabbt med stigande temperatur.

TermionemissionsmaterialVanliga termioniska emissionsmaterial inom jonpläteringsteknik inkluderar eldfasta metaller som volfram, molybden, tantal och lantanhexaborid [11]. (1) Eldfasta metaller: Volfram arbetar vid termioniska emissionstemperaturer på 2600–2900 K, vanligtvis i filamentform; tantal vid 2400–2800 K, ofta i rörform; molybden vid 2200–2500 K, vanligtvis i filament-, ark- eller rörform. (2) Lantanhexaborid: En termionisk sändare av keramisk -typ med en termionisk emissionstemperatur runt 1700 K (lägre än tantalrör) och en hög emissionskonstant, vilket möjliggör termionisk emission vid lägre temperaturer. I praktiska tillämpningar, när lantanhexaborid används som emissionsmaterial, kan det också kombineras med UV-strålning från excimer-UV-lampor för att ytterligare optimera elektronemissionseffektiviteten i miljöer med låg-temperatur.

Ihålig katodbågsurladdning(1) Villkor för ihålig katodbågarladdning: Figur 3-25 visar principen för ihålig katodbågarladdning [10]. Ett tantalrör fungerar som den ihåliga katodpistolen, ansluten till den negativa terminalen på bågströmförsörjningen, medan en anod placeras i beläggningskammaren och ansluten till den positiva terminalen. Ljusbågsströmförsörjningen består av en parallell kombination av en tändströmförsörjning och en underhållsströmförsörjning. Medan man introducerar argongas kan UV-bestrålning från en excimer-UV-lampa främja initial gasjonisering, minska tändspänningen till cirka 1000 V, antända glödurladdning med strömmar som når 30–40 A. Den upprätthållande strömförsörjningen arbetar vid 20–70 V med bågströmmar på 80–300 Argon och 80. ihålig katodbågsurladdning vid en vakuumnivå runt 100 Pa.

Först antänder en hög spänning på flera hundra volt gasen, vilket ger en ihålig katodglödurladdning. På grund av den ihåliga katodeffekten vid glödurladdning är strömtätheten inuti den ihåliga katoden mycket hög, vilket genererar ett stort antal argonjoner som bombarderar tantalrörets vägg. Tantalrörets temperatur stiger över 2100 grader och avger termionelektroner. Elektronerna från gasurladdning och termionelektroner bildar tillsammans en hög-elektronström riktad mot anoden och värmer upp anoden vid ankomst. Ihålig katodbågsurladdning är en självuppehållande- termionisk katodbågsurladdning.

(2) Temperaturfördelning av den ihåliga katoden: Temperaturfördelningen efter stabil ihålig katodbågarladdning visas i figur 3-26 [10]. Tantalrörets rot, uppburen av en vattenkyld klämma, har den lägsta temperaturen; den öppna änden av röret är något svalare på grund av termisk strålning; den högsta temperaturen uppstår på ett avstånd lll (ca 20 mm) från den öppna änden.

(3) Effektförlust i den ihåliga katodbågen: Figur 3-27 visar effektförlusten i den ihåliga katodbågen [10], där WtotalW_{\\text{total}}Wtotal​ är den totala effekten av den ihåliga katodbågen och WanodeW_{\\text{anode}}Wanode​ och Wcathodes​atW_}{\\text är the powerW_} anod respektive katod. Figuren visar att, vid olika ihåliga katodurladdningsströmmar, försvinner det mesta av kraften vid anoden, med mycket lite vid katoden. Vid jonplätering med ihålig katod är anoden ett metallgöt placerat i en degel, och cirka 60 % av den ihåliga katodpistolens effekt används för att värma och förånga metallen.

Hot Filament Arc Gun UrladdningDen ljusbågsurladdning som produceras av en varm glödtrådsbågepistol tillhör också den termioniska ljusbågsurladdningstypen [10,13,14]. Den varma glödtrådsbågspistolen är installerad på toppen av beläggningskammaren, med volfram- och tantalfilament inuti pistolkroppen. Pistolen är utrustad med en värmeströmförsörjning och en ljusbågsströmförsörjning. En värmeförsörjning med låg-spänning och hög-ström värmer volfram- och tantalfilamenten till höga temperaturer och avger elektroner med hög-densitet. I praktiken kan hjälpbestrålning från en excimer-UV-lampa föraktivera- elektroner på glödtrådens ytor, vilket ökar den initiala elektronemissionen. Efter att ha infört argongas i den varma glödtrådsbågpistolen och anslutit bågströmförsörjningen, joniserar de termionelektroner med hög-densitet argongasen och producerar ytterligare elektroner. De termionelektroner med hög-densitet och elektroner från argonurladdning konvergerar till en bågeelektronström riktad mot anoden.

3.6.4 Kalkatodbågsurladdning

(1) Kallfältsemission [10,13,14]: Positiva joner ackumuleras framför den kalla katoden och bildar ett dipolskikt (även kallat plasmahölje) mellan jonerna och katoden. I det inledande skedet av kallfältemission kan en excimer-UV-lampa hjälpa till genom att öka hastigheten för positiv jonackumulering, vilket påskyndar ökningen av mantelfältstyrkan. När mantelns fältstyrka når 10⁷–10⁸ V/cm sker nedbrytning som avger en stor elektronström, känd som fältemission. Kalkatodbågsurladdning använder vanligtvis låg-smältpunkt-metaller som koppar, silver eller titan som katodmaterial. Den totala katoden förblir kall, men bågen orsakar lokal avdunstning av katodmaterial, vilket ökar ångtrycket och förkortar den genomsnittliga fria vägen till 10⁻⁸–10⁻⁴ cm.

(2) Självförsörjande-process av kallfälts-emissionsbågarladdning: Katodarean i kallfälts-emissionsbågarladdning är mycket liten (10⁻⁶–10⁻⁴ mm²). Vid mantelnedbrytning når mikro-ytans strömtäthet 10⁶–10⁸ A/cm², med energitäthet på (1–3) × 10⁷ W/cm². Förångade metallatomer joniseras till positiva joner nära bågfläcken. Dessa joner fortsätter att ackumuleras framför målet, och bildar ett dipolskikt som upprätthåller bågarladdningen.

(3) Snabb rörelse av kallfälts-emissionsbåge på katodytan: Katodytan är ojämn, med utsprång närmare det positiva jonackumuleringsskiktet som upplever högre elektrisk fältstyrka, vilket företrädesvis producerar fältemission och båge [9]. Efter att det utskjutande materialet har värmts upp och avdunstat, bildar en grop, minskar fältstyrkan, vilket släcker bågen; ett annat utsprång initierar sedan fältemission och fortsätter att avdunsta beläggningspartiklar. Sålunda rör sig kallfälts-emissionsbågen snabbt över katodytan på ett själv-avsökande sätt.

(4) Ljusa bågpunkter på katodytan: Under generering av kallfält-emissionsbåge är nedbrytningsarean på katoden mycket liten. I denna lilla region kommer joner in i katoden, elektroner emitteras och omfattande rekombinationsluminescens producerar ljusa bågfläckar. När bågen rör sig snabbt, observeras kontinuerlig rörelse av bågfläckar på katoden.

(5) Hög plasmadensitet från kallfälts-emissionsbåge: Med en liten nedbrytningsarea och mycket hög strömtäthet har förångade atomer en hög sannolikhet för kollisionsjonisering med elektronströmmen med hög-densitet, vilket producerar fler joner och elektroner. Sålunda genererar kallfälts-emissionsbågar plasma med hög-densitet.

3.7 Roller för laddade partiklar

Laddade partiklar i gasurladdning inkluderar joner och elektroner, som rör sig mot motsatta elektroder under det elektriska fältet. De viktiga effekterna när joner når katoden och elektroner når anoden diskuteras nedan [2,3,7,10,12,14].

3.7.1 Jonernas roller

En serie fysikaliska och kemiska fenomen uppstår när joner bombarderar katodytan. Figur 3-28 visar de olika effekterna som produceras av jonbombardemang på katodytan. Den synergistiska effekten av excimer-UV-lampor kan förstärka dessa ytfysikaliska och kemiska effekter, såsom att öka förstoftningsutbytet och förbättra enhetligheten i ytmodifiering.