172nm ve 222nm excimer lambaların kızdırma deşarj özellikleri

172nm ve 222nm excimer lambaların kızdırma deşarj özellikleri

Bölüm 3 Plazma Fiziğinin Temelleri

3.5.1 Kızdırma Deşarjının Özellikleri

Akkor deşarj daha eski bir deşarj şeklidir ve çeşitli deşarj türlerinin temelini oluşturur.

1. Kızdırma Deşarjının Ateşlenmesi

Yalnızca katot ve anot elektrik alanına sahip bir vakum kabında, vakum derecesi 1 Pa'nın altında olduğunda, DC güç kaynağı bağlandıktan sonra gaz iyonize olur ve iş parçası yüzeyi bir kızdırma tabakasıyla çevrelenerek iş parçası üzerinde kızdırma boşalması meydana gelir. Işıma deşarjı akım yoğunluğu mA/cm² düzeyindedir ve voltaj 400 ile 5000 V arasında değişir, bu da onu yüksek-voltajlı, düşük-akım-yoğunluklu bir deşarj formu haline getirir. Işıma deşarjı sırasında, uyarılma lüminesansı ve rekombinasyon lüminesansı olayları meydana gelir ve ışığın rengi, gaza bağlı olarak değişir. Vakumlu ultraviyole ışık kaynakları gibi bazı özel uygulamalarda, benzer parıltılı deşarj prensipleri, belirli dalga boylarında ışık üretmek için de kullanılabilir; örneğin, eksimer radyasyonu üretmek için gaz deşarj uyarımını kullanan 172 nm eksimer lambalar veya 222 nm UV lambalar.

2. Katot Düşme Bölgesi

(1) Katot Önündeki Potansiyel Dağılım

Vakum kabında, boşaltmadan önce, -elektrotlar arası potansiyel dağılımı, Şekil 3-9'da OA₀ ile gösterildiği gibi doğrusaldır [10]. Deşarjdan sonra uzaydaki pozitif iyon yoğunluğu ve elektron yoğunluğu benzerdir. Elektronların kütlesinin küçük olması ve hızının yüksek olması nedeniyle anoda doğru yüksek bir hızla hareket ederler; aksine, pozitif iyonlar büyük kütleye sahiptir ve katoda doğru düşük bir hızla hareket ederek katodun yakınında birikir. Bu pozitif uzay yükü etkisi, elektrotlar arasındaki elektrik alanını bozar; bu, anot A'yı katot C'ye doğru hareket ettirerek eşdeğer bir anot oluşturmaya eşdeğerdir. Elektrotlar arasındaki voltaj, Şekil 3-9'da OA₂ ile gösterildiği gibi esas olarak katot ile katot düşüşü olarak bilinen eşdeğer anot arasında dağıtılır. Eşdeğer anottan katoda olan mesafe d₂ olarak gösterilir ve aynı zamanda katot düşme bölgesi genişliği olarak da adlandırılır [8].

Eşdeğer anot, anotun katoda doğru kaydırılması,-elektrotlar arası mesafenin d₂'ye kısaltılması ve elektrik alan kuvveti E'nin değiştirilmesi gibidir. Gazın ateşlenmesinden önce alan kuvveti E=U_d / d. U_d'nin etkisi altında elektronlar, gazı tutuşturmak için yeterli enerjiyi kazanır ve kendi-kendi kendini idame ettiren deşarj aşamasına girer. Deşarj gelişimi sırasında, pozitif iyonların birikmesi nedeniyle, eşdeğer anot yavaş yavaş katot C'ye yaklaşır; bu, anotun etkili bir şekilde A konumundan A₁ konumuna ve ardından A₂ konumuna hareket ettiği anlamına gelir. Katot ile anot arasındaki mesafenin kısalması elektrik alan kuvvetini, E₂=U_d/d₂ artırır. Uzay basıncı p değişmeden kaldığında, elektronun ortalama serbest yolu λ_e sabittir, dolayısıyla elektron enerjisi eE₂ λ_e ≫ eE λ_e. Orijinal elektron enerjisi eE λ_e gazı iyonize etmek için yeterlidir ve -elektrotlar arası voltaj U_d yine de deşarj sürecini koruyabilir. Bu nedenle, gaz ateşlendiğinde elektrotlar arası voltaj otomatik olarak Paschen eğrisi boyunca U_min'e düşer; bu noktada eşdeğer anot ile katot arasındaki mesafe d_e olur ve deşarj, kararlı normal kızdırma deşarj bölgesine girer. Pozitif iyon birikim katmanından katoda olan mesafe d_e'dir. d_e, daha önce bahsedilen d₂'dir; bu, katottan çok küçük bir d_e mesafesinde pozitif bir iyon kılıf katmanının oluştuğu anlamına gelir. Katot ve anot arasındaki potansiyel düşüş esas olarak d_e aralığı içinde dağıtılır ve bu durum dik bir voltaj düşüşüne ve yüksek elektrik alan kuvvetine neden olur. Elektronlar ve iyonlar bu dar d_e aralığında hızlandırılır. Pozitif iyonlar katodu hızlandırıp bombardıman ederek ikincil elektronları harekete geçirir. Elektronlar anoda doğru hızlanır, d_e aralığında nötr gaz atomlarıyla esnek olmayan bir şekilde çarpışır ve sonuçta kendi kendini idame ettiren deşarj koşulunu karşılamak ve gaz deşarjını sürdürmek için bir elektron üretir.

(2) Katot Düşme Bölgesinin Genişliği

Işıma deşarjı sırasında,-elektrotlar arası voltaj esas olarak katot düşme bölgesinde düşer. Katot düşüşünün genişliği voltaja, gaz bileşimine ve katot malzemesine bağlıdır. Katot düşme bölgesinin bazı özellikleri vardır: değişmeyen diğer deşarj koşulları altında, yalnızca gaz basıncının (p) değiştirilmesi katot düşüşünü (U_c) sabit tutar; katot düşme bölgesinin genişliği d_e p ile ters orantılıdır, vakum derecesi azaldıkça azalır (p artar); pd_e çarpımı sabit olduğunda U_c değişmeden kalır; d=d_e olduğunda, katot düşme bölgesi dışında başka bölge mevcut değildir, ancak deşarj yine de meydana gelebilir; ne zaman<< 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 Işıma Deşarjı ve Anormal Işıma Deşarjı

1. Normal Işıma Deşarjı ile Anormal Işıma Deşarjı Arasındaki Özelliklerin Karşılaştırılması

Volt-amper karakteristik eğrilerinin analizinde, normal deşarj ile anormal akkor deşarj arasındaki farklar ortaya konuldu. Karakteristik karşılaştırmaları Tablo 3-5'te gösterilmektedir [10].

2. Normal Kızdırma Deşarjının Ateşleme Gerilimi

Normal kızdırma deşarjı için ateşleme (arıza) voltajı, minimum ateşleme voltajı U_min'dir. Katot ile anot arasındaki d mesafesi ile gaz basıncı p'nin çarpımı Paschen eğrisindeki pd_e minimum noktasına tam olarak karşılık geliyorsa, gaz deşarjı ateşleme voltajı U_min olur. Argon, nitrojen, oksijen veya hidrojen içeren demir katot için U_min yalnızca 100~343 V'dir. Tablo 3-6, çeşitli katot malzemeleri ve gazlarla normal kızdırma deşarjı için katot düşüşlerini listeler [2,3,10]. İlk ateşleme sonrasında katot yüzeyinin küçük bir alanında parlama başlar. Güç arttıkça katot yüzeyindeki ışıma alanı, tüm katodu kaplayana kadar kademeli olarak genişler. Katot boyunca bu genişleme sırasında voltaj sabit kalır ve ışıma alanıyla birlikte katot akımı artar. Tablo 3-6'ya göre, çeşitli katot malzemeleri için, argonlu normal akkor deşarjlı katot potansiyeli 165 V'un altındadır. Diatomik gazlı demir katot için ise 343 V'un altındadır.

Genel olarak, katot ile anot arasındaki d mesafesi sabittir ve p deşarj alanı basıncını Paschen eğrisindeki minimum noktaya ayarlamak zordur, dolayısıyla akkor deşarjı oluşturmak için elektrotlar arası voltajın- arttırılması gerekir. Vakum odası basıncı bu aralıktan daha yüksek veya daha düşük olsun, elektrotlar arası voltajın Townsend deşarj bölgesinden Ⅱ korona deşarj bölgesi Ⅲ ve erken normal ışıltılı deşarj bölgesi Ⅳ boyunca stabil normal ışıltılı deşarj bölgesine Ⅴ geçiş için B noktasına yükseltilmesi gerekir. Deşarj voltajı, voltajın U_min olduğu E noktasına dik bir şekilde düşer. EF aralığında, ışıma kademeli olarak tüm katot alanını kaplar, voltaj sabit kalır, akım kademeli olarak artar ve normal ışıma deşarjı özellikleri sergiler.

Vakum odası basıncı p sabit kalırsa ve elektrotlar arası mesafe Paschen eğrisindeki minimum d'den çok büyük veya küçükse, akkor deşarj için daha yüksek elektrotlar arası voltaj gerekir veya elektrot mesafesini ayarlamak U_min'e yakın daha düşük bir voltajda ateşlemeyi sağlayabilir.

U_min'den daha yüksek bir voltajda ateşleme yapılırken harici güç, U_min ateşlemeye göre daha fazla enerji sağlar. Gerçek pd, pd_e'den uzaksa, uygulanan voltaj daha yüksektir, bazen 1000 V'un üzerindedir ve çalışma noktası Paschen eğrisinin sol veya sağ kolundadır. Katoda sağlanan yüksek enerji nedeniyle, gaz deşarjı ateşlendiğinde, katot yüzeyi derhal ışıma ile kaplanır ve katotta kademeli ışıma genişlemesi gözlemlenmeden anormal ışıma deşarj bölgesine girer.

3. Anormal Işıma Deşarjı

Katot yüzeyi tamamen parıltıyla kaplandıktan sonra, elektrotlar arası voltajın artmasıyla birlikte deşarj akımı da artar. Kızdırma akımı arttıkça iş parçası yüzeyinin kızdırma parlaklığı artar. Gerilim ve basınç sabitlendikten sonra anormal kızdırma deşarjı istikrarlı bir şekilde devam eder. Kızdırma deşarjlı iyon kaplama, magnetron püskürtme, plazma-geliştirilmiş kimyasal buhar biriktirme ve kızdırma deşarjı iyon nitrürlemedeki deşarjların çoğu, anormal kızdırma deşarjı bölgesinde çalışır. Bu deşarj formları, belirli dalga boyunda radyasyon üretmek için gaz deşarjına da dayanan 222 nm UV lambaları gibi belirli ultraviyole kaynaklarının uyarılma mekanizmalarıyla benzerlikler paylaşır.

3.5.3 Işıma Deşarjında ​​Elektrotlar Arasında Çeşitli Özelliklerin Dağılımı

1. Alternatif Parlak ve Koyu Katmanlara Sahip Elektrotlar Arasında Düzensiz Işık Yoğunluğu [3-12]

Gaz deşarjı akkor deşarj aşamasına girdikten sonra, katottan anota olan ışıma yoğunluğu dağılımı eşit değildir ve -elektrotlar arası yük, potansiyel, elektrik alan kuvveti vb. dağılımları da aynı şekilde değildir. Şekil 3-10, akkor deşarjdaki elektrotlar arası karakteristik dağılımını göstermektedir [10]. Bu şekil, ışıma yoğunluğu (ışık yoğunluğu), potansiyel, elektrik alan kuvveti, pozitif yük, negatif yük, net yük, akım yoğunluğu ve ışıma deşarjı sırasındaki gaz sıcaklığının dağılım modellerini açıkça göstermektedir.

2. Her Bölgenin Oluşum Nedenleri

Katottan anoda kadar olan aralık Aston karanlık alanı, katot ışıma bölgesi, katot karanlık alanı, negatif ışıma bölgesi, Faraday karanlık alanı, pozitif sütun bölgesi, anot karanlık alanı ve anot ışıma bölgesi olarak bölünmüştür [10].

Şekil 3-11, Şekil 3-10'un üst kısmının büyütülmüş bir görünümüdür; akkor deşarj sırasında elektrotlar arasında değişen parlak ve karanlık ışıldayan katmanlarla birlikte eşit olmayan ışık yoğunluğunu gösterir.

Aston karanlık alanı: İyonlar katottaki elektronları uyarır ve elektronlar anoda doğru hareket ettikçe katot düşme bölgesinde hızlanırlar ancak uyarım lüminesansı için yeterli enerjiye sahip değildirler ve Aston karanlık alanını oluştururlar.

Katot kızdırma bölgesi: Elektronlar katot kızdırma bölgesine ulaştığında, gazı uyarmak için yeterli enerjiye sahip olurlar ve lüminesans üretirler. Bu uyarılma lüminesans prensibi, vakumlu ultraviyole ışık üretmek için deşarj uyarımını kullanan 172 nm excimer lambalar gibi bazı excimer lambalara benzer.

Katot karanlık alanı: Uyarılma sırasında enerji kaybeden elektronların çoğu, iyonlaşma enerjisinin altında enerjiye sahip yavaş elektronlar haline gelir. Katot karanlık alanına girdikten sonra, yüksek alan kuvveti altında çarpışma olmadan, dolayısıyla parlaklık olmadan hızla ayrılırlar.

Negatif ışıma bölgesi: Katot karanlık alanında hızlanan elektronlar, yüksek enerjiyle negatif ışıma bölgesine girerek daha fazla iyonlaşma ve uyarılma üretir. Bu bölge bol miktarda uyarım ve rekombinasyon ışıldaması üreterek çok güçlü bir parıltı oluşturur ve negatif parlama bölgesinin ışığını en güçlü hale getirir. Kızdırma rengi, deşarj gazı bileşimine göre değişir.

Faraday karanlık alanı: Elektronların çoğu negatif ışıma bölgesinde enerji kaybeder, bu da önemli iyonizasyon veya uyarılma için yetersizdir ve karanlık bir alan oluşturur.

Pozitif sütun bölgesi: Elektron yoğunluğu ve pozitif iyon yoğunluğu neredeyse eşittir, aynı zamanda plazma bölgesi olarak da adlandırılır. Yüklü parçacık yoğunluğu genellikle 10¹⁰ ~ 10¹²/cm³ olup, gaz deşarjında ​​akımı ileterek plazmayı güçlü bir iletken yapar. Pozitif sütundaki elektrik alan kuvveti, katot bölgesindekinden birkaç kat daha küçüktür.

Anot bölgesi: Elektronlar anot tarafından emilir, iyonlar itilir, anot yakınında negatif uzay yükü oluşur, potansiyel keskin bir şekilde artar ve anot potansiyeli oluşur. Anot bölgesinde hızlanan elektronlar, anot yakınında uyarılma ve iyonlaşma üreterek anot parıltısını oluşturur.

Boşaltma kabında, ışıma katmanlarının katottan anoda kadar değişen parlak ve karanlık dağılımı görülebilir. Şekil 3-12, DC kızdırma deşarjı iyon nitrürleme sırasında iş parçasının etrafındaki parlamayı gösterir ve alternatif katmanları açıkça gösterir.

3.5.4 Işıma Deşarjında ​​İçi Boş Katot Etkisi

1. İki Paralel Plaka Katotlu Parıldama Üst üste Gelme Olayı

Önceki tartışma tek-katot deşarj özelliklerine odaklanmıştı. Anot olarak A bulunan bir vakum kabına iki paralel plakalı katot yerleştirilirse, güç verildiğinde akkor deşarjı meydana gelir. Şekil 3-13 iki paralel plakalı katot boşaltma cihazını [10] göstermektedir.

Gaz ateşleme koşulları karşılandığında, her iki katot da ışıma deşarjı üreterek ilgili katot karanlık alanlarını ve bunların yakınında negatif ışıma bölgelerini oluşturur. İki katot arasındaki mesafe d₁ + d₂ > 2d_e'yi karşıladığında, her ikisi de karanlık alanlara ve negatif parlama bölgelerine sahip olup Faraday karanlık alanlarını ve pozitif sütunu paylaşmaktadır. d₁ + d₂ < 2d_e olduğunda, iki negatif ışıma bölgesi üst üste gelir. C₁'den yayılan elektronlar, C₁'nin katot düşme bölgesinde hızlanır ve C₂'lere girerken yavaşlar, elektrotlar arasında salınım yapar, gaz molekülleri ile çarpışma olasılığını artırır, daha fazla uyarılma ve iyonlaşmaya neden olur, akım yoğunluğunu ve negatif ışıma yoğunluğunu artırır. Bu olaya ışıltılı deşarjda içi boş katot etkisi adı verilmektedir [10].

Şekil 3-14 iki paralel katot plakası [10] arasındaki ışık yoğunluğu dağılımını göstermektedir. Şekil 3-14'teki iki kesikli çizgi, her bir katottan gelen ışıma yoğunluklarını temsil etmektedir; İçi boş katot etkisinden sonra yoğunluklar üst üste gelir ve dağılım Şekil 3-14'teki M eğrisi gibi olur.

İçi boş katot etkisinde negatif ışıma bölgesi uzunluğu d ise, katot düşüşü V_c, basınç p ise fonksiyonel ilişkileri şöyledir: pd=f(V_c)

Bundan dolayı, daha yüksek basınçta (p), içi boş katot etkisi için küçük-katot arası mesafeye ihtiyaç vardır; daha düşük p'de daha büyük mesafe yeterlidir. Bu nedenle, sabit-katot arası mesafe için içi boş katot etkisinin oluşup oluşmaması basınca bağlıdır.

Katot içi boş bir tüp ise, iç çap paralel plakalar arasındaki mesafeye eşittir ve belirli bir basınçta içi boş katot etkisi yaratarak tüpün merkezinde güçlü bir negatif parıltı oluşturur.

2. Farklı Katot Mesafeleriyle Deşarj Sonrası Işıma Yoğunluğu

Aynı vakum odası, aynı vakum derecesi ve katot voltajı altında, Şekil 3-15'te gösterildiği gibi ışıma yoğunluğu katot şekline ve plaka mesafesine göre değişir.