La interacció entre la làmpada UV d'excimer i la descàrrega d'arc

La interacció entre la làmpada UV d'excimer i la descàrrega d'arc

3.6.1 Característiques de la descàrrega d'arc

Quan la densitat de corrent en la descàrrega brillant anormal es fa molt alta, els ions bombardegen intensament la superfície del càtode, provocant l'escalfament local del càtode i l'emissió d'un gran nombre d'electrons termoiònics. Això redueix la resistència espacial, provoca una caiguda brusca de la tensió entre-elèctrodes i un augment sobtat del corrent, fent la transició de la descàrrega brillant a la descàrrega d'arc. La taula 3-8 compara les característiques de la descàrrega d'arc i la descàrrega de resplendor [10].

3.6.2 Tipus de descàrrega d'arc

Classificació per tensió de descàrrega(1) Descàrrega d'arc de baixa-pressió: descàrrega d'arc a pressions de gas inferiors a 100 Pa, també coneguda com arc de buit. La temperatura dels electrons a la columna de l'arc arriba als 10⁴–10⁵ K, mentre que la temperatura de les partícules pesades és lleugerament superior a la temperatura ambient, formant un plasma no -d'equilibri. Sovint es combina amb aquest tipus d'arclàmpades UV excimerper a l'excitació auxiliar per millorar l'activitat plasmàtica i l'eficiència de la reacció. (2) Descàrrega d'arc d'-alta pressió: es produeix en arcs de gas o vapor a pressions superiors a 100 Pa; els arcs a pressió atmosfèrica són arcs d'alta-pressió. La columna d'arc es caracteritza per l'equilibri tèrmic entre electrons, ions positius i àtoms o molècules de gas neutre, amb temperatures de gas que arriben a 4000-20000 K en una columna d'arc restringit.

Classificació per Mecanisme de Formació de Descàrrega d'ArcSegons la forma de descàrrega d'arc, es divideix en descàrrega d'arc termoiònic i descàrrega d'arc d'emissió de camp de càtode fred-, que s'introdueixen per separat a continuació.

3.6.3 Descàrrega d'arc termoiònic

Emissió termoiònica [10,13,14]Quan la temperatura de la superfície metàl·lica és molt alta i l'energia dels electrons supera la funció de treball, els electrons escapen dels seus enllaços i s'emeten. Quan la densitat de corrent termiònic és alta, forma una descàrrega d'arc de càtode termoiònic. La descàrrega d'arc de càtode termoiònic autosostenible es manté mitjançant una emissió termoiònica estable del càtode. Els metalls refractaris amb coeficients de resistència a alta temperatura, com ara el tungstè, el molibdè o el tàntal, s'utilitzen generalment per a l'emissió termoiònica. La taula 3-9 [10] enumera la relació entre la densitat d'emissió termoiònica i la temperatura del tàntal; com més alta sigui la temperatura, més gran serà la densitat d'emissió termoiònica.

La densitat d'emissió termiònica es calcula mitjançant l'equació següent: J=AT2e−X/kT J=AT^2 e^{{-X / kT} J{=AT2e−X/kT on:

JJJ - Densitat de corrent termiònic (A/cm²);

AAA - Constant d'emissió termoiònica del material [A/(cm²·K²)];

TTT - Temperatura del material del càtode (K);

XXX - Funció de treball d'electrons (eV);

kkk - constant de Boltzmann, k=1.38×10−23k=1.38 \\times 10^{-23}k=1.38×10−23 J/K.

A partir de l'equació, com que AAA, XXX i kkk són constants per a un material determinat, la densitat d'emissió termoiònica del material del càtode augmenta ràpidament amb l'augment de la temperatura.

Materials d'emissió termoiònicaEls materials d'emissió termoiònics comuns en la tecnologia de revestiment d'ions inclouen metalls refractaris com ara el tungstè, el molibdè, el tàntal i l'hexaborur de lantà [11]. (1) Metalls refractaris: el tungstè funciona a temperatures d'emissió termiònica de 2600–2900 K, normalment en forma de filament; tàntal a 2400–2800 K, sovint en forma tubular; molibdè a 2200–2500 K, generalment en forma de filament, làmina o tubular. (2) Hexaborur de lantà: emissor termoiònic de tipus-ceràmica amb una temperatura d'emissió termoiònica al voltant de 1700 K (inferior a la dels tubs de tàntà) i una constant d'emissió elevada, que permet l'emissió termiònica a temperatures més baixes. En aplicacions pràctiques, quan s'utilitza l'hexaborur de lantà com a material d'emissió, també es pot combinar amb la radiació UV de les làmpades UV excimer per optimitzar encara més l'eficiència d'emissió d'electrons en entorns de baixa-temperatura.

Descàrrega d'arc de càtode buit(1) Condicions per a la descàrrega d'arc de càtode buit: la figura 3-25 mostra el principi de descàrrega d'arc de càtode buit [10]. Un tub de tàntal serveix com a pistola de càtode buit, connectat al terminal negatiu de la font d'alimentació de l'arc, mentre que un ànode es col·loca a la cambra de recobriment i es connecta al terminal positiu. La font d'alimentació d'arc consisteix en una combinació paral·lela d'una font d'alimentació d'encesa i una font d'alimentació de manteniment. Mentre s'introdueix gas argó, la irradiació UV d'una làmpada UV excimer pot promoure la ionització inicial del gas, reduint la tensió d'ignició a uns 1000 V, encendre la descàrrega brillant amb corrents que arriben a 30-40 A. La font d'alimentació de sosteniment funciona a 20-70 V amb corrents d'arc de 80-300 A. nivell de buit al voltant de 100 Pa.

Primer, un alt voltatge de diversos centenars de volts encén el gas, produint una descàrrega brillant de càtode buit. A causa de l'efecte del càtode buit en la descàrrega brillant, la densitat de corrent dins del càtode buit és molt alta, generant un gran nombre d'ions d'argó que bombardegen la paret del tub de tàntal. La temperatura del tub de tàntal augmenta per sobre dels 2100 graus, emetent electrons termoiònics. Els electrons de la descàrrega de gas i els electrons termoiònics formen junts un corrent d'electrons d'alta -densitat dirigida cap a l'ànode, escalfant l'ànode en arribar. La descàrrega d'arc de càtode buit és una descàrrega d'arc de càtode termoiònic autosostenible.

(2) Distribució de la temperatura del càtode buit: la distribució de la temperatura després de la descàrrega estable de l'arc del càtode buit es mostra a la figura 3-26 [10]. L'arrel del tub de tàntal, sostinguda per una pinça refrigerada per aigua, té la temperatura més baixa; l'extrem obert del tub és lleugerament més fresc a causa de la radiació tèrmica; la temperatura més alta es produeix a una distància lll (uns 20 mm) de l'extrem obert.

(3) Pèrdua de potència a l'arc de càtode buit: la figura 3-27 mostra la pèrdua de potència a l'arc de càtode buit [10], on WtotalW_{\\text{total}}Wtotal​ és la potència total de l'arc de càtode buit, i WanodeW_{\\text{anode}}Wanode​ i Wcathode​ i WcathodeW_{}\\text{total}} dissipats a la potència dissipada. l'ànode i el càtode, respectivament. La figura mostra que, a diferents corrents de descàrrega del càtode buit, la major part de la potència es dissipa a l'ànode, amb molt poca al càtode. En el revestiment d'ions de càtode buit, l'ànode és un lingot de metall col·locat en un gresol i aproximadament el 60% de la potència de la pistola de càtode buit s'utilitza per escalfar i evaporar el metall.

Descàrrega de pistola d'arc de filament calentLa descàrrega d'arc produïda per una pistola d'arc de filament calent també pertany al tipus de descàrrega d'arc termoiònic [10,13,14]. La pistola d'arc de filament calent s'instal·la a la part superior de la cambra de recobriment, amb filaments de tungstè i tàntal dins del cos de la pistola. La pistola està equipada amb una font d'alimentació de calefacció i una font d'alimentació d'arc. Una font d'energia de calefacció de baixa-tensió i alt-corrent escalfa els filaments de tungstè i tàntal a altes temperatures, emetent electrons d'alta-densitat. A la pràctica, la irradiació auxiliar d'una làmpada UV excimer pot pre{10}}activar electrons a les superfícies del filament, augmentant l'emissió inicial d'electrons. Després d'introduir gas argó a la pistola d'arc de filament calent i connectar la font d'alimentació de l'arc, els electrons termoiònics d'alta-densitat ionitzen el gas d'argó, produint electrons addicionals. Els electrons termoiònics d'alta-densitat i els electrons de la descàrrega d'argó convergeixen en un corrent d'electrons d'arc dirigit cap a l'ànode.

3.6.4 Descàrrega d'arc de càtode fred

(1) Emissió de camp fred [10,13,14]: Els ions positius s'acumulen davant del càtode fred, formant una capa de dipol (també anomenada funda de plasma) entre els ions i el càtode. En l'etapa inicial d'emissió de camp fred, una làmpada UV excimer pot ajudar millorant la taxa d'acumulació d'ions positius, accelerant l'augment de la força del camp de la funda. Quan la força del camp de la funda arriba a 10⁷–10⁸ V/cm, es produeix una ruptura, emetent un gran corrent d'electrons, conegut com a emissió de camp. La descàrrega d'arc de càtode fred normalment utilitza metalls de baix-punt de fusió-com ara el coure, la plata o el titani com a materials càtods. El càtode general es manté fred, però l'arc provoca l'evaporació local del material del càtode, augmentant la pressió de vapor i escurçant el camí lliure mitjà a 10⁻⁸–10⁻⁴ cm.

(2) Procés autosostenible de descàrrega d'arc d'emissió de camp fred-: l'àrea del càtode a la descàrrega d'arc d'emissió de camp fred- és molt petita (10⁻⁶–10⁻⁴ mm²). En trencar-se la funda, la densitat de corrent de la micro-àrea arriba a 10⁶–10⁸ A/cm², amb una densitat d'energia de (1–3) × 10⁷ W/cm². Els àtoms metàl·lics evaporats s'ionitzen en ions positius prop del punt de l'arc. Aquests ions continuen acumulant-se davant de l'objectiu, formant una capa de dipol que sosté la descàrrega de l'arc.

(3) Moviment ràpid de l'arc d'emissió de camp fred-a la superfície del càtode: la superfície del càtode és desigual, amb protuberàncies més properes a la capa d'acumulació d'ions positius que experimenten una intensitat de camp elèctric més alta, produint preferentment emissió de camp i arc [9]. Després d'escalfar i evaporar el material que sobresurt, formant una fossa, la força del camp disminueix, extingint l'arc; una altra protuberància inicia l'emissió de camp, continuant evaporant les partícules de recobriment. Així, l'arc d'emissió-del camp fred es mou ràpidament per la superfície del càtode d'una manera d'auto-escaneig.

(4) Punts d'arc brillants a la superfície del càtode: durant la generació d'arcs d'emissió de camp fred-, l'àrea de trencament del càtode és molt petita. En aquesta petita regió, els ions entren al càtode, s'emeten electrons i una àmplia luminescència de recombinació produeix taques d'arc brillants. A mesura que l'arc es mou ràpidament, s'observa un moviment continu de les taques d'arc al càtode.

(5) Alta densitat de plasma a partir de l'arc d'emissió de camp fred-: amb una petita àrea de descomposició i una densitat de corrent molt alta, els àtoms evaporats tenen una alta probabilitat d'ionització de col·lisió amb el corrent d'electrons d'alta-densitat, produint més ions i electrons. Així, els arcs d'emissió-de camp fred generen plasma d'alta-densitat.

3.7 Funcions de les partícules carregades

Les partícules carregades en la descàrrega de gas inclouen ions i electrons, que es mouen cap a elèctrodes oposats sota el camp elèctric. Els efectes importants quan els ions arriben al càtode i els electrons arriben a l'ànode es discuteixen a continuació [2,3,7,10,12,14].

3.7.1 Rols dels ions

Una sèrie de fenòmens físics i químics es produeixen quan els ions bombardegen la superfície del càtode. La figura 3-28 mostra els diferents efectes produïts pel bombardeig iònic a la superfície del càtode. L'efecte sinèrgic de les làmpades UV d'excimer pot millorar aquests efectes físics i químics de la superfície, com ara augmentar el rendiment de pulverització i millorar la uniformitat de la modificació de la superfície.