תהליכים הקשורים ליינון-בציפוי יונים עם מנורות אקסימר 172 ננומטר
3.3.3 אלקטרון-התנגשויות גז המובילות ליינון
(1) תהליך יינון
כאשר אלקטרון מתנגש בגז, אלקטרון ברמת האנרגיה הנמוכה ביותר של אטום נייטרלי A סופג אנרגיה מהאלקטרון הנוצר, בורח מהמגבלה האטומית ועוזב את האטום. האטום הופך ליון חיובי A⁺ חסר אלקטרון, ואלקטרון נוסף מיוצר בחלל הפריקה. תהליך זה נקרא יינון. תהליך היינון מתבטא כך: A + e⁻ → A⁺ + 2e⁻
האנרגיה הנספגת במהלך היינון נקראת אנרגיית היינון, והפוטנציאל הנדרש להענקת אנרגיית יינון זו לאטום נקרא פוטנציאל היינון, המסומן כ-U_I. טבלה 3-3 מפרטת את פוטנציאל היינון U_I עבור אלמנטים מסוימים. סוג זה של תהליך יינון מכונה הסוג הראשון של התנגשות לא אלסטית [3-7].
תהליך יינון אלקטרון אחד מאטום נקרא יינון ראשוני; איבוד שני אלקטרונים הוא יינון משני; לאבד שלושה זה יינון שלישוני. אם אלקטרונים מיוננים בזה אחר זה, זה נקרא יינון עוקב; אם שני אלקטרונים או יותר מיוננים בבת אחת, זה נקרא יינון מרובה, והיון שנוצר נקרא יון בעל מטען רב. התהליך האחרון מתרחש לעתים רחוקות.
בטכנולוגיית ציפוי יונים מודרנית, אור האולטרה-סגול בוואקום (VUV) המיוצר על ידי מנורת אקסימר 172 ננומטר יכול לסייע בשיפור יעילות היינון על ידי מתן עירור אנרגיה נוסף לתהליך היינון.
(2) מקדם יינון דיפרנציאלי
למרות שהאנרגיה של אלקטרון עולה על פוטנציאל היינון או פוטנציאל העירור, לא כל התנגשות גורמת ליינון או עירור. הפרופורציה שמובילה ליינון או עירור נקראת הסתברות יינון או הסתברות עירור, בהתאמה.
גודל הסתברות היינון תלוי באנרגיית האלקטרון. מספר היונים המיוצר על ידי אלקטרון הנוסע 1 ס"מ בגז בלחץ של 133.3 Pa ו-0 מעלות מוגדר כמקדם היינון הדיפרנציאלי, מסומן כ-S_e. באופן דומה, קיים מקדם עירור דיפרנציאלי.
איור 3-4 מציג את עקומות הקשר בין מקדם היינון הדיפרנציאלי S_e לבין אנרגיית האלקטרונים ε עבור מספר גזים [3]. כפי שמוצג באיור 3-4, העקומות של גזים שונים מציגים בדרך כלל מקסימום, כאשר השיא מופיע בטווח של 50-100 eV. (איור 3-4: עקומות קשר בין מקדם היינון הדיפרנציאלי S_e ואנרגיית האלקטרון ε לגזים. הציר האנכי הוא "מקדם יינון דיפרנציאלי (יונים)", הציר האופקי הוא אנרגיית אלקטרונים, והעקומות מערבות Hg, Ar, Ne, He, H₂.)
כאשר אנרגיית האלקטרונים גבוהה מדי, מידת יינון הגז פוחתת במקום זאת. הסיבה לכך היא שבמהלך המגע בין האלקטרון הנוצר לאטום הגז, ניתוק האלקטרון החיצוני ביותר ממגבלה של גרעין האטום כדי לייצר יינון דורש זמן חילופי אנרגיה מסוים. אם אנרגיית האלקטרון גבוהה מאוד ומהירותו מהירה מדי, זמן האינטראקציה בין האלקטרון לאטום קצר מאוד, לא מספיק לחילופי אנרגיה, וכתוצאה מכך מקדם יינון דיפרנציאלי נמוך יותר.
המתח בפריקת זוהר הוא מעל 1000 וולט, בעוד שבפריקת קשת הוא 20–70 וולט. מקדם היינון הדיפרנציאלי בפריקת קשת גדול מזה שבפריקת זוהר. לכן, הצפיפות של יוני גזים ויוני מתכת בפריקת קשת גבוהה פי כמה מאשר בפריקת זוהר. בעזרת הקרנה ממנורת אקסימר 172 ננומטר, ניתן לפצות חלקית על קצב היינון הנמוך בפריקת זוהר.
(3) שיעור יינון
קצב היינון הוא היחס בין מספר היונים שנוצרו לאחר פריקת גז למספר הכולל של האטומים, המסומנים כ-[3–6,8], עם הנוסחה:=(n_i) / (n_i + n_a)=n_i / n_o
שבו: n_i - מספר יונים; n_a - מספר אטומים ניטרליים; n_o - מספר כולל של חלקיקים כבדים.
בתהליכי ציפוי, אם n_i מייצג את מספר יוני המתכת ו-n_o את המספר הכולל של יוני מתכת ואטומים ניטרליים, אז הוא קצב יינון המתכת.
3.3.4 סוג שני של התנגשות לא אלסטית
עירור ויינון הנגרמים על ידי גורמים אחרים נקראים הסוג השני של התנגשות לא אלסטית [3-12].
תהליך העברת מטען הנגרם על ידי יונים חיוביים כאשר יון חיובי מתנגש באטום גז, תרומת מחצית האנרגיה שלו ליינון אטום גז בעל מסה דומה מחייבת את היון החיובי בעל אנרגיה גבוהה מאוד. עם זאת, בפריקת גז, רק חלק קטן מהיונים החיוביים מגיע לאנרגיות גבוהות כל כך, כך שהסתברות היינון הנגרמת על ידי יונים חיוביים נמוכה מאוד.
עם זאת, תהליך העברת המטען בין יונים חיוביים לאטומים הוא קל יחסית: כאשר יון באנרגיה גבוהה-מתנגש עם אטום ניטרלי-נמוך באנרגיה, רק חילופי מטען מתרחשים ללא חילופי אנרגיה, וכתוצאה מכך אטום ניטרלי באנרגיה גבוהה- ויון באנרגיה נמוכה{{3}. תהליך זה נקרא העברת מטען, מבוטא כך: A⁺ + B (ε↓) → A + B⁺ (ε↓)
תהליך העברת המטען מתרחש בתדירות גבוהה הרבה יותר מהתנגשויות לא אלסטיות והוא אחד המקורות החשובים ליונים ואטומים ניטרליים-באנרגיה גבוהה בחלל הפריקה. יוני-נמוכים באנרגיה ממשיכים להאיץ מתחת לשדה החשמלי ויכולים להפוך שוב ליונים בעלי-אנרגיה גבוהה.
יינון מצטבר הנגרמת על-ידי אטומים מט-יציבים אטומים מט-יציבים הם אטומים נרגשים-ארוכים שדורשים רק אנרגיה קטנה נוספת כדי לעורר עוד יותר או ליינון. תפקידם מגביר את האפשרות למעברים עוקבים וליינון עוקב מצטבר.
לדוגמה, פוטנציאל היינון של כספית הוא 10.434 וולט. אטום מט-סטלי כספית עם אנרגיה של 4.66 eV צריך רק להתנגש באלקטרון בעל אנרגיה של 5.774 eV כדי ליינן את אטום הכספית. לפיכך, נוכחותם של אטומים גרא-יציבים מורידה למעשה את פוטנציאל היינון של הגז, מאפשרת עלייה בהסתברות היינון וממלאת תפקיד חשוב בשיפור קצב היינון. אנרגיית הפוטונים הנפלטת על ידי מנורת אקסימר 172 ננומטר יכולה לסייע ביצירת אטומים גראטיסטיים, ולקדם עוד יותר את תהליך היינון המצטבר.
העברת אנרגיה מאטומים מט-יציבים לאלקטרונים כאשר אטום מט-יציי נרגש A_m מקיים אינטראקציה עם אלקטרון, הוא מעביר אנרגיה לאלקטרון, מגביר את מהירות האלקטרון, תוך שהוא חוזר למצב הקרקע. תהליך עירור הפוך זה מתבטא כך: A_m + e⁻ → A + e⁻ (ε↑)
העברת אנרגיה בין אטומים מט-יציבים מעוררים A_m וקרקע-אטומי מצב זה גורם לאטום מצב הקרקע-להתרגש בעוד האטום המט-יציבים חוזר למצב הקרקע, מבוטא כ: A_m + B → A + B_m
אפקט Penning כאשר יון גז A⁺ או אטום מט-יציב A_m מתנגשים בסוג אחר של אטום B, אם פוטנציאל היינון או העירור של A גדול מזה של B, ההתנגשות גורמת ליינון של B ולדה{1}}עירור של A למצב הקרקע. תהליך זה נקרא אפקט Penning, המתבטא כך: A⁺ + B → A + B⁺ + e⁻ A_m + B → A + B⁺ + e⁻
פוטנציאל היינון והעירור של גזים גבוהים בהרבה מאלה של מתכות, מה שהופך את ההשפעות של Penning ביניהן לסבירות גבוהה ויוצרות יותר יוני מתכת. אפקט Penning בולט במיוחד בפילמור פלזמה, ומנורת אקסימר 172 ננומטר יכולה לשפר את מידת עירור הגז, ולהגדיל את ההסתברות לאפקט Penning.
אינטראקציה של אטומים מט-יציבים נרגשים A_m עם מולקולות גז מורכבות BC כאשר אטום מט-יציבי נרגש A_m יוצר אינטראקציה עם מולקולת גז מורכבת BC, זה גורם למולקולה להתנתק לחלקיקים יסודיים (אטומים פעילים). הקבוצות הפעילות מיוננות לאטומי מצב קרקע-, המתבטאים כך: A_m + BC → A + B + C A_m + BC → A + B⁺ + C + e⁻
מהתגובות שלעיל, ברור שלאחר ש-אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה עוברים התנגשויות לא אלסטיות עם גז כדי לייצר אטומים ויונים נרגשים באנרגיה גבוהה, חלקיקי-האנרגיה הגבוהה הללו מתערבים עוד יותר בהתנגשויות-לא אלסטיות מורכבות מהסוג השני עם אטומי גז ואטומי מתכת נמוכים-. כתוצאה מכך נוצר מספר רב של יונים ואטומים ברמות אנרגיה שונות בחלל הפריקה, עם אנרגיות גבוהות בהרבה מאלו של אטומי הגז המוכנסים או אטומי מתכת שהתאדו זה עתה. ביישומים הכוללים מקורות אולטרה סגולים מסוימים של ואקום, כגון מנורת האקסימר 172 ננומטר, אינטראקציות אלו יכולות לשפר עוד יותר את יעילות הדיסוציאציה של גזים מורכבים.
בשל קצב היינון הנמוך בפריקת זוהר (בדרך כלל 1%-3%), פחות יונים נוצרים, והאנרגיה שלהם יורדת לאחר התנגשויות עם חלקיקים בעלי אנרגיה נמוכה{{2}, בעוד שהאנרגיה של אטומים בעלי אנרגיה נמוכה- עולה. כתוצאה מכך נוצר מספר רב של חלקיקים פעילים עם אנרגיה מתונה בחלל הפריקה. בינתיים, אנרגיות האלקטרונים גבוהות, בעוד שאנרגיות היונים והאטומים נמוכות יחסית, ויוצרות פלזמה שאינה -בשיווי משקל.
יינון תרמי עירור תרמי ויינון תרמי הנגרמות כתוצאה מהתנגשויות אטומיות במהירות- ניתנים לצפייה רק כאשר טמפרטורת הגז מגיעה מעל 3000 K.
פוטויוניזציה אנרגיית האור מתבטאת כאנרגיית פוטון hν. כאשר פוטון מתנגש באטום ואנרגיית הפוטון הנכנסת hν עולה על אנרגיית היינון של האטום eU_I, פוטווניזציה מתרחשת: A + hν → A⁺ + e⁻
כאשר אנרגיית הפוטון עולה על אנרגיית העירור המולקולרית eU_r, מתרחשת עירור פוטו. אורך הגל המגביל לפוטוניזציה מסומן כ-λ_o. בדרך כלל, אור נראה לא יכול לגרום ישירות לפוטוניזציה של גז; רק אור אולטרה סגול באורך- קצר (כגון אור אולטרה סגול ואקום המופק על ידי מנורת אקצימר 172 ננומטר), קרני X-, קרני - ולייזרים יכולים לגרום לו. עם זאת, ההסתברות של photoexcitation גבוהה בהרבה מזו של photoionization. זוהר מתכת נובע לרוב מפוטונים הנספגים על ידי מתכות הגורמות למעברים, כאשר אנרגיה משתחררת במעברים חוזרים: מתכות ורמות אנרגיה שונות פולטות אור באורכי גל שונים, וכתוצאה מכך צבעי פליטה שונים. למנורת האקסימר 172 ננומטר, כמקור אולטרה-סגול יעיל ואקום, יש יתרונות יישום משמעותיים בתהליכי ציפוי יונים הקשורים לפוטוניזציה{{12}.
3.3.5 התקשרות וניתוק
בחלל הפריקה, התהליך שבו אלקטרונים נתפסים על ידי אטומים או מולקולות ליצירת יונים שליליים נקרא התקשרות; התהליך ההפוך, שבו אלקטרונים משתחררים מיונים שליליים, נקרא ניתוק. ההבדל באנרגיית הבסיס בין אטום ניטרלי ליון השלילי המתאים לו מוגדר כזיקת האלקטרון E_A, ביחידות של eV.
דרכי התקשרות יונים שליליים נוצרים בפריקת גז כוללים: A + e⁻ → A⁻ + hν (התקשרות קרינה) AB + e⁻ → A⁻ + B (התקשרות דיסוציאטיבית) AB + e⁻ → AB⁻ + hν (היווצרות של יונים מולקולריים שליליים) A + B + e) A + B⁻
ניתוק בפלזמה, מנגנוני הניתוק כוללים: A⁻ + B → A + B + e⁻ A⁻ + B⁻ → AB + 2e⁻
יונים שליליים הנוצרים על ידי גזים אינרטיים ואטומי מתכת הם מאוד לא יציבים; רק יסודות הלוגן, על ידי השגת אלקטרון אחד כדי למלא את הקליפה החיצונית ביותר, יוצרים יונים שליליים יציבים. בסביבות פריקה המשלבות מנורת אקסימר 172 ננומטר, האיזון הדינמי של תהליכי ההתקשרות והניתוק מושפע מאנרגיית הפוטונים, ובכך משנה את ריכוז היונים השליליים בחלל הפריקה.
3.3.6 היעלמות של חלקיקים טעונים - דה-יוניזציה
בפלזמה המתקבלת מפריקת גז בלחץ נמוך-, מספר רב של חלקיקים טעונים עוברים ללא הרף תהליך הפוך של יינון: אלקטרונים ויונים מתחברים מחדש בחלל או על קירות, או נכנסים לאלקטרודות ונעלמים. תהליך זה נקרא דה-יוניזציה.
היעלמות של חלקיקים טעונים על אלקטרודות חלקיקים טעונים מואצים על ידי השדה החשמלי ונכנסים אלקטרודות -מול קוטביות כדי להיעלם: אלקטרונים נכנסים לאנודה, יונים נכנסים לקתודה.
ריקומבינציה של חלקיקים טעונים על קירות החדר חלקיקים בעלי מטענים מנוגדים מתפזרים עקב שיפוע ריכוז ומתנגשים ומתחברים מחדש על קירות החדר, עם עודף אנרגיה המחממת את הקירות.
ריקומבינציה של חלקיקים טעונים בחלל חלקיקים בעלי מטענים מנוגדים מתחברים בחלל בצורות שונות, הנקראות ביחד ריקומבינציה של נפח. בחלל הפריקה מתרחשים לעתים קרובות תהליכים של "יינון - ריקומבינציה, יינון - דהיון".
יון-רקומבינציה של אלקטרונים: A⁺ + e⁻ → A + hν (רקומבינציה קרינה) AB⁺ + e⁻ → A + B (רקומבינציה דיסוציאטיבית) A⁺ + 2e⁻ → A + e⁻ (A recombination + B +B → A recombination- + B (שלושה-שילובי גוף)
