172nm un 222nm eksimēru lampu kvēlizlādes raksturlielumi

172nm un 222nm eksimēru lampu kvēlizlādes raksturlielumi

3. nodaļa Plazmas fizikas pamati

3.5.1. Kvēlizlādes raksturojums

Kvēlizlāde ir agrāks izlādes veids un kalpo par pamatu dažāda veida izlādei.

1. Kvēlizlādes aizdedze

Vakuuma traukā, kurā ir tikai katoda un anoda elektriskais lauks, kad vakuuma pakāpe ir zem 1 Pa, pēc līdzstrāvas barošanas avota pievienošanas gāze tiek jonizēta, un uz sagataves notiek kvēlizlāde, apstrādājamās detaļas virsmu ieskaujot kvēlojošam slānim. Kvēlizlādes strāvas blīvums ir aptuveni mA/cm² ar spriegumu no 400 līdz 5000 V, padarot to par augsta-sprieguma, zemas-strāvas-blīvuma izlādes formu. Kvēlizlādes laikā rodas ierosmes luminiscences un rekombinācijas luminiscences parādības, un gaismas krāsa mainās atkarībā no gāzes. Atsevišķos īpašos lietojumos, piemēram, vakuuma ultravioletās gaismas avotos, līdzīgus spīduma izlādes principus var izmantot arī, lai radītu noteiktu viļņu garumu gaismu, piemēram, 172 nm eksimēra lampas vai 222 nm UV lampas, kas izmanto gāzizlādes ierosmi, lai radītu eksimēru starojumu.

2. Katoda krituma reģions

(1) Potenciāls sadalījums katoda priekšā

Vakuuma tvertnē pirms izlādes starp-elektrodu potenciālu sadalījums ir lineārs, kā parādīts OA₀ 3-9. attēlā [10]. Pēc izlādes pozitīvais jonu blīvums un elektronu blīvums telpā ir līdzīgi. Elektronu mazās masas un lielā ātruma dēļ tie lielā ātrumā virzās uz anodu; turpretim pozitīvajiem joniem ir liela masa un tie lēni virzās uz katodu, uzkrājoties katoda tuvumā. Šis pozitīvais telpas lādiņa efekts izkropļo elektrisko lauku starp elektrodiem, kas ir līdzvērtīgs anoda A pārvietošanai uz katodu C, veidojot līdzvērtīgu anodu. Spriegums starp elektrodiem galvenokārt tiek sadalīts starp katodu un ekvivalento anodu, kas pazīstams kā katoda kritums, kā parādīts OA2 attēlā 3-9. Attālums no ekvivalentā anoda līdz katodam tiek apzīmēts kā d₂, ko sauc arī par katoda krišanas apgabala platumu [8].

Ekvivalents anods ir kā anoda pārvietošana katoda virzienā, starp{0}}elektrodu attāluma saīsināšana līdz d₂ un elektriskā lauka intensitātes E maiņa. Pirms gāzes aizdedzes lauka intensitāte E=U_d / d. U_d iedarbībā elektroni iegūst pietiekami daudz enerģijas, lai aizdedzinātu gāzi, nonākot pašpietiekamajā-izlādes stadijā. Izlādes laikā pozitīvo jonu uzkrāšanās dēļ ekvivalentais anods pakāpeniski tuvojas katodam C, kas nozīmē, ka anods efektīvi pārvietojas no pozīcijas A uz A1 un pēc tam uz A2. Attāluma saīsināšana starp katodu un anodu palielina elektriskā lauka intensitāti, E₂=U_d / d₂. Ja telpas spiediens p paliek nemainīgs, elektronu vidējais brīvais ceļš λ_e ir nemainīgs, tāpēc elektronu enerģija eE₂ λ_e ≫ eE λ_e. Sākotnējā elektronu enerģija eE λ_e ir pietiekama, lai jonizētu gāzi, un starp-elektrodu spriegums U_d joprojām var uzturēt izlādes procesu. Tāpēc, tiklīdz gāze tiek aizdedzināta, starp-elektrodiem spriegums pa Paschen līkni automātiski samazinās līdz U_min, kurā brīdī attālums starp ekvivalento anodu un katodu ir d_e, un izlāde nonāk stabilā normālā kvēlizlādes reģionā. Attālums no pozitīvo jonu akumulācijas slāņa līdz katodam ir d_e. d_e ir iepriekš minētais d₂, kas nozīmē, ka pozitīvs jonu apvalka slānis veidojas ļoti mazā attālumā d_e no katoda. Potenciāla kritums starp katodu un anodu galvenokārt tiek sadalīts d_e diapazonā, kā rezultātā rodas straujš sprieguma kritums un augsts elektriskā lauka stiprums. Šajā šaurajā d_e intervālā elektroni un joni tiek paātrināti. Pozitīvie joni paātrina un bombardē katodu, izraisot no tā sekundāros elektronus. Elektroni paātrinās pret anodu, neelastīgi saduroties ar neitrāliem gāzes atomiem d_e intervālā, galu galā izveidojot vienu elektronu, lai apmierinātu pašnoturīgas izlādes nosacījumu un uzturētu gāzes izlādi.

(2) Katoda krituma reģiona platums

Kvēlizlādes laikā elektrodu savstarpējais spriegums{0}}pārsvarā krītas katoda krišanas zonā. Katoda krišanas platums ir atkarīgs no sprieguma, gāzes sastāva un katoda materiāla. Katoda krišanas apgabalam ir dažas īpašības: nemainītos citos izlādes apstākļos, mainot tikai gāzes spiedienu p, katoda kritums U_c tiek saglabāts nemainīgs; katoda krišanas apgabala platums d_e ir apgriezti proporcionāls p, samazinās, vakuuma pakāpei samazinoties (p palielinās); ja reizinājums pd_e ir nemainīgs, U_c paliek nemainīgs; kad d=d_e, nav citu reģionu, izņemot katoda krišanas reģionu, bet izlāde joprojām var notikt; kad 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. Normāla spīduma izlāde un neparasta spīduma izlāde

1. Parastās spīdēšanas izlādes un neparastas mirdzēšanas izlādes raksturlielumu salīdzinājums

Volu{0}}ampēru raksturlīkņu analīzē tika ieviestas atšķirības starp normālu izlādi un neparastu mirdzumu. To raksturīgais salīdzinājums ir parādīts 3-5 tabulā [10].

2. Aizdedzes spriegums normālai kvēlizlādei

Aizdedzes (sadales) spriegums normālai kvēlizlādei ir minimālais aizdedzes spriegums U_min. Ja attāluma d starp katodu un anodu un gāzes spiediena p reizinājums precīzi atbilst minimālajam punktam pd_e Paschen līknē, gāzizlādes aizdedzes spriegums ir U_min. Dzelzs katodam ar argonu, slāpekli, skābekli vai ūdeņradi U_min ir tikai 100 ~ 343 V. Tabulā 3-6 ir uzskaitīti katoda kritumi normālai kvēlizlādei ar vairākiem katoda materiāliem un gāzēm [2,3,10]. Sākotnējās aizdedzes laikā nelielā katoda virsmas laukumā sākas spīdums. Palielinoties jaudai, mirdzuma laukums uz katoda virsmas pakāpeniski paplašinās, līdz tas aptver visu katodu. Šīs izplešanās laikā pa katodu spriegums paliek nemainīgs, un katoda strāva palielinās līdz ar spīduma laukumu. No 3.-6. tabulas dažādiem katoda materiāliem normālais kvēlizlādes katoda potenciāls ar argonu ir zem 165 V. Dzelzs katodam ar diatomiskām gāzēm tas ir zem 343 V.

Parasti attālums d starp katodu un anodu ir fiksēts, un ir grūti iestatīt izlādes telpas spiedienu p līdz minimālajam punktam Paschen līknē, tāpēc elektrodu savstarpējais spriegums ir jāpalielina, lai radītu spīduma izlādi. Neatkarīgi no tā, vai vakuuma kameras spiediens ir augstāks vai zemāks par šo diapazonu, starp-elektrodu spriegums ir jāpaaugstina līdz punktam B, lai pārietu no Taunsendas izlādes apgabala Ⅱ caur koronaizlādes reģionu Ⅲ un agrīnu normālu spīduma izlādes apgabalu Ⅳ uz stabilu normālu spīdizlādes apgabalu Ⅴ. Izlādes spriegums strauji pazeminās līdz punktam E, kur spriegums ir U_min. EF intervālā svelme pakāpeniski pārklāj visu katoda laukumu, spriegums paliek nemainīgs, strāva pakāpeniski palielinās, uzrādot normālas kvēlizlādes īpašības.

Ja vakuuma kameras spiediens p paliek nemainīgs un attālums starp-elektrodiem ir pārāk liels vai mazāks par minimālo d Paschen līknē, ir nepieciešams augstāks starp-elektrodu spriegums, lai izlādētu kvēlspuldzi, vai, pielāgojot elektrodu attālumu, var panākt aizdegšanos pie zemāka sprieguma, kas ir tuvu U_min.

Aizdedzinot ar spriegumu, kas lielāks par U_min, ārējais barošanas avots nodrošina vairāk enerģijas nekā U_min aizdedze. Ja faktiskais pd ir tālu no pd_e, pielietotais spriegums ir lielāks, dažreiz virs 1000 V, un darbības punkts atrodas Paschen līknes kreisajā vai labajā atzarā. Pateicoties lielai enerģijai, kas tiek piegādāta katodam, pēc gāzes izlādes aizdegšanās katoda virsma nekavējoties pārklājas ar mirdzumu, nonākot neparastā kvēlizlādes zonā, nenovērojot katoda pakāpenisku mirdzuma izplešanos.

3. Nenormāla spīduma izlāde

Kad katoda virsma ir pilnībā pārklāta ar mirdzumu, izlādes strāva palielinās, pieaugot starp-elektrodu spriegumam. Palielinoties spīduma strāvai, sagataves virsmas spīduma spilgtums pastiprinās. Kad spriegums un spiediens ir fiksēts, nenormāla mirdzuma izlāde turpinās stabili. Lielākā daļa izlāžu kvēlizlādes jonu pārklājumā, magnetronu izsmidzināšanā, plazmas-pastiprinātā ķīmiskā tvaiku pārklāšanā un kvēlizlādes jonu nitrīdēšanā darbojas neparastās kvēlizlādes zonā. Šīm izlādes formām ir līdzības ar dažu ultravioleto staru avotu ierosmes mehānismiem, piemēram, 222 nm UV lampām, kas arī paļaujas uz gāzes izlādi, lai radītu noteikta viļņa garuma starojumu.

3.5.3. Dažādu raksturlielumu sadalījums starp elektrodiem kvēlizlādes gadījumā

1. Nevienmērīga gaismas intensitāte starp elektrodiem ar mainīgiem gaišajiem un tumšajiem slāņiem [3-12]

Kad gāzizlāde nonāk kvēlizlādes stadijā, mirdzuma intensitātes sadalījums no katoda uz anodu ir nevienmērīgs, un arī starp-elektrodu lādiņš, potenciāls, elektriskā lauka stiprums utt. ir nevienmērīgi. 3 Šis attēls skaidri parāda mirdzuma intensitātes (gaismas intensitātes), potenciāla, elektriskā lauka intensitātes, pozitīvā lādiņa, negatīvā lādiņa, neto lādiņa, strāvas blīvuma un gāzes temperatūras sadalījuma modeļus kvēlspuldzes izlādes laikā.

2. Katra reģiona izveides iemesli

Intervāls no katoda līdz anodam ir sadalīts Aston tumšajā telpā, katoda mirdzuma zonā, katoda tumšajā telpā, negatīvā spīduma reģionā, Faraday tumšajā telpā, pozitīvās kolonnas apgabalā, anoda tumšajā telpā un anoda spīduma zonā [10].

Attēlā 3-11 ir palielināts 3-10. attēla augšējās daļas skats, kurā redzama nevienmērīga gaismas intensitāte ar mainīgiem spilgtiem un tumšiem luminiscējošiem slāņiem starp elektrodiem svelmes izlādes laikā.

Aston tumšā telpa: joni ierosina elektronus no katoda, un, elektroniem virzoties uz anodu, tie paātrinās katoda krišanas reģionā, bet tiem nepietiek enerģijas ierosmes luminiscencei, veidojot Aston tumšo telpu.

Katoda spīduma apgabals: kad elektroni sasniedz katoda spīduma apgabalu, tiem ir pietiekami daudz enerģijas, lai ierosinātu gāzi, radot luminiscenci. Šis ierosmes luminiscences princips ir līdzīgs noteiktām eksimēra lampām, piemēram, 172 nm eksimēra lampām, kuras izmanto izlādes ierosmi, lai radītu vakuuma ultravioleto gaismu.

Katoda tumšā telpa: Lielākā daļa elektronu, kas zaudē enerģiju ierosmes laikā, kļūst par lēniem elektroniem, kuru enerģija ir zemāka par jonizācijas enerģiju. Pēc iekļūšanas katoda tumšajā telpā tie ātri atstāj augstu lauka intensitāti bez sadursmēm, līdz ar to nav luminiscences.

Negatīvā spīduma apgabals: elektroni, kas paātrināti katoda tumšajā telpā, iekļūst negatīvā spīduma apgabalā ar lielu enerģiju, radot lielāku jonizāciju un ierosmi. Šis apgabals rada bagātīgu ierosmes un rekombinācijas luminiscenci, veidojot ļoti spēcīgu mirdzumu, padarot negatīvā spīduma reģiona gaismu par spēcīgāko. Mirdzuma krāsa mainās atkarībā no izplūdes gāzes sastāva.

Faraday tumšā telpa: lielākā daļa elektronu zaudē enerģiju negatīvā spīduma reģionā, kas nav pietiekama nozīmīgai jonizācijai vai ierosmei, veidojot tumšu telpu.

Pozitīvais kolonnas reģions: elektronu blīvums un pozitīvo jonu blīvums ir gandrīz vienādi, to sauc arī par plazmas reģionu. Uzlādēto daļiņu blīvums parasti ir 10¹⁰ ~ 10¹² / cm³, kas vada strāvu gāzizlādes laikā, padarot plazmu par spēcīgu vadītāju. Elektriskā lauka stiprums pozitīvajā kolonnā ir par vairākām kārtām mazāks nekā katoda apgabalā.

Anoda reģions: Anods absorbē elektronus, jonus atgrūž, veidojot negatīvu telpas lādiņu pie anoda, strauji palielinot potenciālu un radot anoda potenciālu. Anoda apgabalā paātrinātie elektroni rada ierosmi un jonizāciju anoda tuvumā, veidojot anoda spīdumu.

Izlādes tvertnē ir redzams mirdzošo slāņu mainīgais gaišais un tumšais sadalījums no katoda uz anodu. Attēlā 3-12 parādīts mirdzums ap apstrādājamo priekšmetu līdzstrāvas kvēlizlādes jonu nitrēšanas laikā, skaidri attēlojot mainīgos slāņus.

3.5.4. Dobā katoda efekts kvēlizlādes gadījumā

1. Mirdzuma pārklāšanās parādība ar diviem paralēliem plākšņu katodiem

Iepriekšējā diskusija bija vērsta uz viena{0}}katoda izlādes īpašībām. Ja divus paralēlus plākšņu katodus ievieto vakuuma tvertnē ar A kā anodu, strāvas padeves laikā rodas kvēlizlāde. Attēlā 3-13 parādīta divu paralēlu plākšņu katoda izlādes ierīce [10].

Ja ir izpildīti gāzes aizdedzes nosacījumi, abi katodi rada kvēlizlādi, veidojot attiecīgās katoda tumšās telpas un negatīvās spīdēšanas zonas to tuvumā. Ja attālums starp diviem katodiem atbilst d₁ + d₂ > 2d_e, abos ir tumšas atstarpes un negatīvi spīduma apgabali, koplietojot Faradeja tumšās vietas un pozitīvo kolonnu. Ja d₁ + d₂ < 2d_e, abi negatīvās spīdēšanas apgabali pārklājas. Elektroni, kas emitēti no C₁, paātrinās C₁ katoda krišanas apgabalā un palēninās, iekļūstot C₂, svārstās starp elektrodiem, palielinot sadursmes varbūtību ar gāzes molekulām, izraisot lielāku ierosmi un jonizāciju, palielinot strāvas blīvumu un negatīvās mirdzēšanas intensitāti. Šo parādību sauc par dobā katoda efektu kvēlizlādes gadījumā [10].

Attēlā 3-14 parādīts gaismas intensitātes sadalījums starp divām paralēlām katoda plāksnēm [10]. Divas punktētās līnijas 3.–14. attēlā attēlo katra katoda mirdzuma intensitāti; pēc dobā katoda efekta intensitātes pārklājas ar sadalījumu kā līkni M 3-14. attēlā.

Ja negatīvā mirdzuma apgabala garums dobā katoda efektā ir d, katoda kritums ir V_c, spiediens ir p, to funkcionālā attiecība ir: pd=f(V_c)

No tā pie lielāka spiediena p ir nepieciešams mazs starp{0}}katodu attālums doba katoda efektam; pie zemāka p pietiek ar lielāku attālumu. Tādējādi fiksētam starp-katodu attālumam tas, vai rodas dobā katoda efekts, ir atkarīgs no spiediena.

Ja katods ir doba caurule, iekšējais diametrs ir vienāds ar attālumu starp paralēlām plāksnēm, radot doba katoda efektu noteiktā spiedienā, veidojot spēcīgu negatīvu mirdzumu caurules centrā.

2. Mirdzuma intensitāte pēc izlādes ar dažādiem katoda attālumiem

Tajā pašā vakuuma kamerā, vienāda vakuuma pakāpe un katoda spriegums, spīduma intensitāte mainās atkarībā no katoda formas un plāksnes attāluma, kā parādīts 3-15. attēlā.