Samspillet mellem excimer UV-lampe og lysbueudladning

Samspillet mellem excimer UV-lampe og lysbueudladning

3.6.1 Karakteristika for lysbueudledning

Når strømtætheden i unormal glødeudladning bliver meget høj, bombarderer ioner katodeoverfladen intenst, hvilket forårsager lokal opvarmning af katoden og emission af et stort antal termionelektroner. Dette reducerer rummodstanden, forårsager et kraftigt fald i inter-elektrodespændingen og en pludselig stigning i strømmen, hvilket omdanner glødeudladningen til lysbueudladning. Tabel 3-8 sammenligner karakteristika for lysbueudladning og lysudladning [10].

3.6.2 Typer af lysbueudledning

Klassificering efter afladningsspænding(1) Lav-bueudledning: Bueudledning ved gastryk under 100 Pa, også kendt som vakuumbue. Elektrontemperaturen i buesøjlen når 10⁴–10⁵ K, mens den tunge partikeltemperatur er lidt højere end den omgivende temperatur, hvilket danner et ikke--ligevægtsplasma. Denne type bue kombineres ofte medexcimer UV-lampertil ekstra excitation for at øge plasmaaktivitet og reaktionseffektivitet. (2) Høj-bueudledning: Forekommer i gas- eller dampbuer ved tryk over 100 Pa; buer ved atmosfærisk tryk er høje-trykbuer. Buesøjlen er karakteriseret ved termisk ligevægt mellem elektroner, positive ioner og neutrale gasatomer eller molekyler, med gastemperaturer, der når 4000-20000 K i en indsnævret buesøjle.

Klassificering efter dannelsesmekanisme for lysbueafladningBaseret på formen for bueudladning er den opdelt i termionisk bueudladning og kold katodefelt-emissionsbueudladning, som introduceres separat nedenfor.

3.6.3 Termionlysbueudladning

Termionisk emission [10,13,14]Når metaloverfladetemperaturen er meget høj, og elektronenergien overstiger arbejdsfunktionen, undslipper elektroner deres bindinger og udsendes. Når den termioniske strømtæthed er høj, danner den en termionisk katodebueudladning. Selvunderholdende termionisk katode-bueudladning opretholdes af stabil termionisk emission fra katoden. Ildfaste metaller med høje temperatur-modstandskoefficienter, såsom wolfram, molybdæn eller tantal, bruges generelt til termionisk emission. Tabel 3-9 [10] viser forholdet mellem termionisk emissionstæthed og temperatur for tantal; jo højere temperatur, jo større er den termioniske emissionstæthed.

Den termioniske emissionstæthed beregnes ved følgende ligning: J=AT2e−X/kT J=AT^2 e^{-X / kT} J=AT2e−X/kT hvor:

JJJ - Termionisk strømtæthed (A/cm²);

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

TTT - Katodematerialetemperatur (K);

XXX - Elektronarbejdsfunktion (eV);

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

Fra ligningen, da AAA, XXX og kkk er konstante for et givet materiale, stiger den termioniske emissionstæthed fra katodematerialet hurtigt med stigende temperatur.

Termioniske emissionsmaterialerAlmindelige termioniske emissionsmaterialer i ionpletteringsteknologi omfatter ildfaste metaller såsom wolfram, molybdæn, tantal og lanthanhexaborid [11]. (1) Ildfaste metaller: Wolfram fungerer ved termioniske emissionstemperaturer på 2600–2900 K, typisk i filamentform; tantal ved 2400–2800 K, ofte i rørform; molybdæn ved 2200–2500 K, sædvanligvis i filament-, ark- eller rørform. (2) Lanthanumhexaborid: En termionemitter af keramisk -type med en termionemissionstemperatur på omkring 1700 K (lavere end tantalrør) og en høj emissionskonstant, der muliggør termionemission ved lavere temperaturer. I praktiske applikationer, når lanthanhexaborid bruges som emissionsmateriale, kan det også kombineres med UV-stråling fra excimer-UV-lamper for yderligere at optimere elektronemissionseffektiviteten i miljøer med lav-temperatur.

Hul katodebueudladning(1) Betingelser for hulkatodebueudladning: Figur 3-25 viser princippet for hulkatodebueudladning [10]. Et tantalrør tjener som den hule katodepistol, forbundet til den negative terminal af lysbuestrømforsyningen, mens en anode er placeret i belægningskammeret og forbundet til den positive terminal. Lysbuestrømforsyningen består af en parallel kombination af en tændingsstrømforsyning og en vedvarende strømforsyning. Mens der introduceres argongas, kan UV-bestråling fra en excimer-UV-lampe fremme den indledende gasionisering, reducere tændspændingen til omkring 1000 V, antænde glødeudladning med strømme, der når 30-40 A. Den vedvarende strømforsyning fungerer ved 20-70 V med lysbuestrømme på 80-300, der producerer Argontan-røret. hul katode lysbueudladning ved et vakuumniveau omkring 100 Pa.

For det første antænder en højspænding på flere hundrede volt gassen, hvilket frembringer hul katode-glødudladning. På grund af den hule katodeeffekt i glødeudladning er strømtætheden inde i den hule katode meget høj, hvilket genererer et stort antal argonioner, der bombarderer tantalrørets væg. Tantalrørets temperatur stiger over 2100 grader og udsender termionelektroner. Elektronerne fra gasudladning og termionelektroner danner tilsammen en elektronstrøm med høj-densitet rettet mod anoden og opvarmer anoden ved ankomsten. Hul katodebueudladning er en selv-vedholdende termionisk katodebueudladning.

(2) Temperaturfordeling af hulkatode: Temperaturfordelingen efter stabil hulkatodebueudladning er vist i figur 3-26 [10]. Roden af ​​tantalrøret, understøttet af en vandkølet klemme, har den laveste temperatur; den åbne ende af røret er lidt køligere på grund af termisk stråling; den højeste temperatur forekommer i en afstand lll (ca. 20 mm) fra den åbne ende.

(3) Effekttab i hul katodebue: Figur 3-27 viser effekttabet i hul katodebue [10], hvor WtotalW_{\\text{total}}Wtotal​ er den samlede effekt af den hule katodebue, og WanodeW_{\\text{anode}}Wanode​ og Wcathode​sathodeW_}{\\text er den effektW_} henholdsvis anode og katode. Figuren viser, at ved forskellige hulkatodeudladningsstrømme spredes det meste af effekten ved anoden, med meget lidt ved katoden. Ved ionplettering med hul katode er anoden en metalbarre placeret i en digel, og omkring 60 % af den hule katodepistols effekt bruges til opvarmning og fordampning af metallet.

Varm filamentbuepistoludledningDen bueudladning, der produceres af en varm glødetrådsbuepistol, tilhører også den termioniske lysbueudladningstype [10,13,14]. Den varme filamentbuepistol er installeret i toppen af ​​belægningskammeret med wolfram- og tantalfilamenter inde i pistolhuset. Pistolen er udstyret med en varmestrømforsyning og en lysbuestrømforsyning. En varmestrømforsyning med lav-spænding og høj-strøm opvarmer wolfram- og tantalfilamenterne til høje temperaturer og udsender elektroner med høj-densitet. I praksis kan hjælpebestråling fra en excimer UV-lampe for{10}}aktivere elektroner på glødetrådens overflader, hvilket øger den indledende elektronemission. Efter at have introduceret argongas i den varme glødetrådsbuepistol og tilsluttet lysbuestrømforsyningen, ioniserer de termionelektroner med høj-densitet argongassen og producerer yderligere elektroner. De termionelektroner med høj-densitet og elektroner fra argonudladning konvergerer til en bueelektronstrøm rettet mod anoden.

3.6.4 Koldkatodebueudladning

(1) Koldfeltemission [10,13,14]: Positive ioner akkumuleres foran den kolde katode og danner et dipollag (også kaldet plasmakappe) mellem ionerne og katoden. I den indledende fase af emission af koldt felt kan en excimer UV-lampe hjælpe med at øge hastigheden af ​​positiv ionakkumulering, hvilket accelererer stigningen i kappens feltstyrke. Når kappens feltstyrke når 10⁷-10⁸ V/cm, sker der nedbrydning, der udsender en stor elektronstrøm, kendt som feltemission. Kold katodebueudladning bruger typisk lavt-smeltepunkt-metaller såsom kobber, sølv eller titanium som katodematerialer. Den samlede katode forbliver kold, men lysbuen forårsager lokal fordampning af katodemateriale, hvilket øger damptrykket og forkorter den gennemsnitlige frie vej til 10⁻⁸-10⁻⁴ cm.

(2) Selv-opretholdende proces med koldfelt-emissionsbueudledning: Katodeområdet i koldfelt-emissionsbueudladning er meget lille (10⁻⁶–10⁻⁴ mm²). Ved nedbrydning af kappen når mikro-områdets strømtæthed 10⁶–10⁸ A/cm² med energitæthed på (1–3) × 10⁷ W/cm². Fordampede metalatomer ioniseres til positive ioner nær buepunktet. Disse ioner fortsætter med at akkumulere foran målet og danner et dipollag, der opretholder bueudladningen.

(3) Hurtig bevægelse af koldfelt-emissionsbue på katodeoverfladen: Katodeoverfladen er ujævn, med fremspring tættere på det positive ionakkumuleringslag, der oplever højere elektrisk feltstyrke, hvilket fortrinsvis producerer feltemission og bue [9]. Efter at det udragende materiale er opvarmet og fordampet, danner en pit, falder feltstyrken, hvilket slukker buen; et andet fremspring initierer derefter feltemission og fortsætter med at fordampe belægningspartikler. Således bevæger den kolde felt-emissionsbue sig hurtigt hen over katodeoverfladen på en selv-scannende måde.

(4) Lyse buepunkter på katodeoverfladen: Under generering af koldfelt-emissionsbue er nedbrydningsområdet på katoden meget lille. I dette lille område kommer ioner ind i katoden, elektroner udsendes, og omfattende rekombinationsluminescens producerer lyse buepunkter. Da buen bevæger sig hurtigt, observeres kontinuerlig bevægelse af buepunkter på katoden.

(5) Høj plasmatæthed fra koldfelt-emissionsbue: Med et lille nedbrydningsareal og meget høj strømtæthed har fordampede atomer en høj sandsynlighed for kollisionsionisering med elektronstrømmen med høj-densitet, hvilket producerer flere ioner og elektroner. Koldfelts-emissionsbuer genererer således plasma med høj-densitet.

3.7 Roller af ladede partikler

Ladede partikler i gasudladning omfatter ioner og elektroner, som bevæger sig mod modsatte elektroder under det elektriske felt. De vigtige virkninger, når ioner når katoden og elektroner når anoden, er diskuteret nedenfor [2,3,7,10,12,14].

3.7.1 Ioners roller

En række fysiske og kemiske fænomener opstår, når ioner bombarderer katodeoverfladen. Figur 3-28 viser de forskellige effekter produceret af ionbombardement på katodeoverfladen. Den synergistiske effekt af excimer UV-lamper kan forstærke disse fysiske og kemiske overfladevirkninger, såsom at øge sputteringsudbyttet og forbedre ensartetheden af ​​overflademodifikation.