La corba característica de volt-amperi de la descàrrega de gas lleuger excimer de 172 nm
3.3.7 Fenòmens de luminescència en la descàrrega de gasos
Tecnologia moderna de revestiment d'ions
(Continuació dels fenòmens de luminescència a la descàrrega de gasos)
Luminescència d'excitació
Els àtoms excitats de manera ressonant tornaran a nivells d'energia estables en 10⁻⁸ s, alliberant l'energia absorbida durant la transició d'excitació. Aquesta energia s'emet en forma de fotons, produint luminescència d'excitació. En determinades descàrregues de baixa-pressió, com les que impliquen xenó, aquest procés també pot generar radiació ultraviolada al buit, inclosa la llum excímer de 172 nm.
Luminescència de recombinació
A l'espai de descàrrega, quan els ions troben electrons, es recombinen per formar àtoms estables. L'energia absorbida originalment s'allibera en forma de fotons durant el procés de recombinació, produint luminescència de recombinació.
A causa de les diferències en l'estructura atòmica i l'energia dels nivells d'energia dels electrons, les freqüències de la luminescència d'excitació i la luminescència de recombinació varien, donant lloc a diferents colors de luminiscència. Durant el revestiment d'ions, es produeixen processos com ara la recombinació d'electrons i ions, la recombinació de tres-cossos d'ions metàl·lics, electrons i gasos de reacció i la transició d'àtoms excitats de manera ressonant de tornada a estats estables, generant luminescència. Com més intensa sigui la ionització, més forta serà la intensitat de la llum. Els diferents elements tenen diferents nivells d'energia electrònica, de manera que els seus colors de luminescència difereixen: l'argó emet una llum blava-cel i les pel·lícules de nitrur de titani dipositades amb nitrogen 通入 presenten un color vermell cirera-. A partir dels processos de reacció anteriors, es pot veure que a l'espai de descàrrega del revestiment d'ions, electrons d'alta-energia xoquen contínuament de manera inelàstica amb el gas, produint àtoms i ions excitats d'alta-energia. Aquests àtoms i ions excitats d'alta-energia experimenten llavors una sèrie de col·lisions complexes amb àtoms de gas i de metalls de baixa-energia, donant lloc a ions i àtoms de diferents nivells d'energia a l'espai de descàrrega. L'espai de descàrrega està ple d'un gran nombre de partícules actives, l'energia de les quals és molt superior a la dels àtoms de gas introduïts i els àtoms metàl·lics evaporats. Totes les partícules d'-alta energia de l'espai de revestiment s'originen a partir d'electrons d'-alta energia. Per tant, com més electrons hi hagi a l'espai de revestiment, com més partícules d'-energia hi hagi durant el revestiment, més gran serà l'energia total de les partícules de pel·lícula i més favorable serà que les reaccions químiques formin pel·lícules d'alta-qualitat. Les tecnologies modernes de revestiment d'ions s'esforcen per obtenir més electrons per augmentar la densitat del plasma a l'espai de revestiment, millorant així l'energia total de les partícules de pel·lícula.
3.4 Descàrrega de gasos
3.4.1 Procés de descàrrega de gas
Descàrrega d'allaus
Evacuar el recipient; quan el grau de buit estigui entre 1 ~ 10 Pa, engegueu la font d'alimentació entre el càtode i l'ànode. En aquest punt, els electrons originals de la cambra de buit acceleren sota l'acció del camp elèctric. Quan l'energia electrònica arriba a un cert valor, xoquen amb molècules de gas neutre i les ionitzen. Els ions acceleren cap al càtode i els electrons s'acceleren cap a l'ànode; durant aquest procés, es produeix més ionització per col·lisió i el nombre de partícules carregades augmenta ràpidament, formant un procés d'allau d'electrons (també anomenat descàrrega d'allaus), tal com es mostra a la figura 3-5 [3]. Aquesta descàrrega és un procés de descàrrega no-autosostenible; si s'elimina la font d'ionització original, la descàrrega s'atura immediatament.
A partir de la corba de Paschen, es pot veure que hi ha una tensió de càtode mínima necessària per iniciar la descàrrega brillant. La pràctica demostra que un cop comença la descàrrega de gas, la tensió de descàrrega cau bruscament, cosa que indica que la tensió d'encesa seleccionada no és la tensió d'encesa mínima. En general, després d'encendre el gas, la tensió de descàrrega disminueix automàticament fins a la tensió que manté la descàrrega autosostenida. Per exemple, la tensió d'ignició de la descàrrega d'argó amb materials basats en ferro- és d'aproximadament 265 V.
3.4.2 Volt-Ampere Corba característica de descàrrega de gas
Mesura de la corba característica de Volt-Ampere
La corba de variació de voltatge-corrent entre els dos elèctrodes de descàrrega de gas s'anomena corba característica de volt-amperi. La figura 3-7 mostra el dispositiu per mesurar la corba característica de volt-amperi de la descàrrega de gas [10], on Eₐ és una font d'alimentació de corrent continu i Rₐ és una resistència variable. Després d'encendre la font d'alimentació Eₐ, mesureu el voltatge i el corrent entre els elèctrodes i traceu la corba de variació de voltatge-actual durant la descàrrega de gas, és a dir, la corba característica volt-ampere [3−12].
Característiques de la corba característica de Volt-Ampere
La figura 3-8 mostra la corba característica volt-ampere de la descàrrega de gas [3]:
Regió de descàrrega fosca no-auto-sostenida (Ⅰ)
Al segment AB de la figura 3-8, apareix un corrent molt feble (10⁻¹² A) a mesura que la tensió augmenta gradualment des de 0. Aquest corrent es genera per la ionització espacial causada pels electrons residuals a l'espai. En aquesta regió, encara que el corrent de descàrrega augmenta amb la tensió inter-elèctrode, el corrent és feble i no es veu cap luminescència; això s'anomena descàrrega fosca no-auto-sostenida, que pertany al procés de descàrrega de Townsend semblant a una allau.
Regió de descàrrega fosca autosostenida (Ⅱ)
A partir del punt B, comença l'etapa de descàrrega autosostenida, produint una allau-com la descàrrega de Townsend. La tensió al punt B (Vᵇ, també anomenada tensió de ruptura) és generalment superior a la tensió d'ignició mínima Uₘᵢₙ en les condicions experimentals (p,d). La luminescència feble apareix al segment BC, que s'anomena regió de descàrrega fosca autosostenida.
Regió de transició (Regió de descàrrega Corona Ⅲ, Regió de descàrrega de resplendor normal inicial Ⅳ)
Si la resistència del circuit no és gran, la descàrrega passa ràpidament al punt E a través de la regió de transició: la tensió cau bruscament a Vₙ, el corrent augmenta bruscament i apareix una forta resplendor al càtode, entrant a la regió de descàrrega de resplendor normal.
Regió de descàrrega de resplendor normal (Ⅴ)
A partir de la corba característica de descàrrega de volt-amperi, Vᵇ és la tensió d'ignició i Vₙ és la tensió que manté la descàrrega incandescent normal estable (és a dir, Uₘᵢₙ a la corba de Paschen). Després de passar a la descàrrega brillant normal des del punt E, només una part de la superfície del càtode emet llum (anomenada punt del càtode). La reducció de la -resistència limitadora de corrent augmenta l'àrea de brillantor. El corrent inter-elèctrode augmenta amb l'àrea de resplendor, però la tensió de la descàrrega brillant normal es manté constant-aquesta és una característica de la descàrrega de resplendor normal.
(Anotacions per a la figura 3-8: Volt-Amperatge característica corba de descàrrega de gas Ⅰ-No{-Auto-Descàrrega fosca sostinguda Regió Ⅱ-Auto{-Regió de descàrrega fosca sostinguda Ⅲ{-Descàrrega normal GⅣ-Corona Descàrrega Baixa Regió Regió Ⅴ-Regió de descàrrega de resplendor normal Ⅵ-Regió de descàrrega de resplendor anormal Ⅶ-Regió de transició de la brillantor a la descàrrega d'arc Ⅷ{-Regió de descàrrega de l'arc Vᵇ{-Tensió d'ignició de descàrrega Vₙ}Voltatge de descàrrega Vₙ{15}}Arc normal de descàrrega tensió)
Regió de descàrrega de resplendor anormal (Ⅵ)
Quan la taca del càtode cobreix tota la superfície del càtode (és a dir, arribant al punt F), el corrent inter-elèctrode augmenta a mesura que augmenta la tensió inter-elèctrode-aquesta és l'etapa de descàrrega brillant anormal. El segment FG presenta les característiques d'una descàrrega brillant anormal, amb una densitat de corrent del nivell de mA/cm². Prop del punt G, la densitat de corrent del càtode és molt alta; el càtode local s'escalfa a un estat d'emissió termiònic fort, la resistència espacial disminueix, la tensió cau bruscament, el corrent augmenta bruscament i passa fàcilment a la descàrrega d'arc.
Regió de transició de la brillantor a la descàrrega d'arc (Ⅶ)
A partir del punt G, la tensió inter-elèctrode cau d'uns quants centenars de volts a desenes de volts i la densitat de corrent salta del nivell de mA/cm² al nivell de 100 A/cm². El punt G és la tensió d'encesa de l'arc i el segment GH és la regió de transició des de la descàrrega brillant anormal a la descàrrega de l'arc. Aquest fenomen és fàcil d'aconseguir si la font d'alimentació ho permet.
Regió de descàrrega d'arc (Ⅷ)
A partir del punt H, entra en una regió estable amb una tensió de desenes de volts i una densitat de corrent superior a 100 A/cm². En aplicacions especialitzades, entorns similars de baixa pressió -poden produir emissions ultravioletes intenses, com ara llum excímer de 172 nm a partir de dímers de xenó excitats.
