האינטראקציה בין מנורת UV של אקסימר לפריקת קשת

האינטראקציה בין מנורת UV של אקסימר לפריקת קשת

3.6.1 מאפייני פריקת קשת

כאשר צפיפות הזרם בפריקת זוהר חריגה הופכת לגבוהה מאוד, יונים מפציצים בעוצמה את פני הקתודה, וגורמים לחימום מקומי של הקתודה ולפליטה של ​​מספר רב של אלקטרונים תרמיונים. זה מפחית את התנגדות החלל, גורם לירידה חדה במתח הבין-אלקטרודות ולעלייה פתאומית בזרם, מה שמעביר את פריקת הזוהר לפריקת קשת. טבלה 3-8 משווה את המאפיינים של פריקת קשת ופריקת זוהר [10].

3.6.2 סוגי פריקת קשת

סיווג לפי מתח פריקה(1) פריקת קשת בלחץ נמוך-: פריקת קשת בלחצים של גז מתחת ל-100 Pa, הידועה גם כקשת ואקום. טמפרטורת האלקטרונים בעמודת הקשת מגיעה ל-10⁴–10⁵ K, בעוד שטמפרטורת החלקיקים הכבדים גבוהה מעט מטמפרטורת הסביבה, ויוצרת פלזמה שאינה -בשיווי משקל. סוג זה של קשת משולב לעתים קרובות עםמנורות UV של אקסימרלעירור עזר לשיפור פעילות הפלזמה ויעילות התגובה. (2) פריקת קשת- בלחץ גבוה: מתרחשת בקשתות גז או אדים בלחצים מעל 100 Pa; קשתות בלחץ אטמוספרי הן קשתות לחץ גבוהות-. עמודת הקשת מתאפיינת בשיווי משקל תרמי בין אלקטרונים, יונים חיוביים ואטומי או מולקולות גז ניטרליים, כאשר טמפרטורות הגז מגיעות ל-4000-20000 K בעמודת קשת מכווצת.

סיווג לפי מנגנון היווצרות של פריקת קשתבהתבסס על צורת פריקת הקשת, היא מחולקת לפריקת קשת תרמית ולפריקת קשת פליטה- של שדה קתודה קרה, אשר מוצגות בנפרד להלן.

3.6.3 פריקת קשת תרמית

פליטה תרמית [10,13,14]כאשר טמפרטורת פני המתכת גבוהה מאוד ואנרגיית האלקטרונים עולה על פונקציית העבודה, אלקטרונים בורחים מהקשרים שלהם ונפלטים. כאשר צפיפות הזרם התרמיונית גבוהה, היא יוצרת פריקת קשת קתודה תרמית. פריקת קשת קתודה תרמיונית עצמית- נשמרת על ידי פליטה תרמיונית יציבה מהקתודה. מתכות עקשן עם מקדמי התנגדות טמפרטורה גבוהים, כגון טונגסטן, מוליבדן או טנטלום, משמשות בדרך כלל לפליטת תרמיונית. טבלה 3-9 [10] מפרטת את הקשר בין צפיפות פליטה תרמיונית לטמפרטורה עבור טנטלום; ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך צפיפות הפליטה התרמיונית גדולה יותר.

צפיפות הפליטה התרמיונית מחושבת על ידי המשוואה הבאה: J=AT2e−X/kT J=AT^2 e^{-X / kT} J=AT2e−X/kT כאשר:

JJJ - צפיפות זרם תרמיונית (A/cm²);

AAA - קבוע פליטה תרמיוני של החומר [A/(cm²·K²)];

TTT - טמפרטורת חומר הקתודה (K);

XXX - פונקציית עבודת אלקטרונים (eV);

kkk - קבוע בולצמן, k=1.38×10−23k=1.38 \\times 10^{-23}k=1.38×10−23 J/K.

מהמשוואה, מכיוון ש-AAA, XXX ו-kkk קבועים עבור חומר נתון, צפיפות הפליטה התרמיונית מחומר הקתודה עולה במהירות עם עליית הטמפרטורה.

חומרי פליטה תרמיונייםחומרי פליטה תרמיוניים נפוצים בטכנולוגיית ציפוי יונים כוללים מתכות עקשנות כגון טונגסטן, מוליבדן, טנטלום ולנטנום הקסבוריד [11]. (1) מתכות עקשן: טונגסטן פועל בטמפרטורות פליטה תרמיוניות של 2600–2900 K, בדרך כלל בצורת חוט נימה; טנטלום ב-2400-2800 K, לרוב בצורה צינורית; מוליבדן ב-2200-2500 K, בדרך כלל בצורת נימה, יריעה או צינורית. (2) לנתנום הקסבוריד: פולט תרמיוני מסוג-קרמי עם טמפרטורת פליטה תרמית בסביבות 1700 K (נמוכה מצינורות טנטלום) וקבוע פליטה גבוה, המאפשר פליטה תרמיונית בטמפרטורות נמוכות יותר. ביישומים מעשיים, כאשר משתמשים ב-lanthanum hexaboride כחומר הפליטה, ניתן לשלב אותו גם עם קרינת UV מנורות UV אקצימר כדי לייעל עוד יותר את יעילות פליטת האלקטרונים בסביבות-טמפרטורות נמוכות.

פריקת קשת קתודה חלולה(1) תנאים לפריקת קשת קתודה חלולה: איור 3-25 מציג את העיקרון של פריקת קשת קתודה חלולה [10]. צינור טנטלום משמש כאקדח הקתודה החלול, המחובר למסוף השלילי של ספק הכוח בקשת, בעוד אנודה ממוקמת בתא הציפוי ומחוברת למסוף החיובי. ספק כוח הקשת מורכב משילוב מקביל של ספק כוח הצתה וספק כוח מתמשך. בזמן החדרת גז ארגון, קרינת UV ממנורת UV אקצימר יכולה לקדם יינון גז ראשוני, להפחית את מתח ההצתה לסביבות 1000 V, להצית פריקת זוהר עם זרמים המגיעים ל-30-40 A. אספקת החשמל המקיימת פועלת ב-20-70 וולט עם זרמי קשת של גז argon 0 עד 80 עד 80. פריקת קשת קתודה חלולה ברמת ואקום סביב 100 Pa.

ראשית, מתח גבוה של כמה מאות וולט מצית את הגז, ויוצר פריקת זוהר קתודה חלולה. בשל אפקט הקתודה החלולה בפריקת זוהר, צפיפות הזרם בתוך הקתודה החלולה היא גבוהה מאוד, ויוצרת מספר רב של יוני ארגון שמפציצים את דופן צינור הטנטלום. טמפרטורת צינור הטנטלום עולה מעל 2100 מעלות, פולטת אלקטרונים תרמיונים. האלקטרונים מפריקת גז והאלקטרונים התרמיונים יוצרים יחד זרם אלקטרונים בצפיפות- גבוהה המופנה לכיוון האנודה, ומחמם את האנודה עם ההגעה. פריקת קשת קתודה חלולה היא פריקת קשת קתודה תרמיונית-תמקיימת.

(2) התפלגות הטמפרטורה של הקתודה החלולה: התפלגות הטמפרטורה לאחר פריקת קשת קתודה חלולה יציבה מוצגת באיור 3-26 [10]. לשורש צינור הטנטלום, הנתמך על ידי מהדק מקורר מים, הטמפרטורה הנמוכה ביותר; הקצה הפתוח של הצינור מעט קריר יותר בגלל קרינה תרמית; הטמפרטורה הגבוהה ביותר מתרחשת במרחק lll (כ-20 מ"מ) מהקצה הפתוח.

(3) אובדן הספק בקשת קתודה חלולה: איור 3-27 מציג את אובדן ההספק בקשת קתודה חלולה [10], כאשר WtotalW_{\\text{total}}Wtotal​ הוא הספק הכולל של קשת הקתודה החלולה, ו-WanodeW_{\\text{anode}}Wanode​ ו-WcathodeW_{\\text הם הספק אנודה וקתודה, בהתאמה. האיור מראה כי בזרמי פריקת קתודה חלולה שונים, רוב הכוח מתפזר באנודה, עם מעט מאוד בקתודה. בציפוי יונים קתודיות חלול, האנודה היא מטיל מתכת המונח בכור היתוך, וכ-60% מכוח האקדח הקתודה החלול משמש לחימום ואידוי המתכת.

פריקת אקדח נימה חמהפריקת הקשת המופקת על ידי אקדח קשת נימה חמה שייכת גם לסוג פריקת הקשת התרמית [10,13,14]. אקדח קשת הנימה החמה מותקן בחלק העליון של תא הציפוי, עם חוטי טונגסטן וטנטלום בתוך גוף האקדח. האקדח מצויד בספק כוח חימום ובספק כוח קשת. אספקת חשמל לחימום-נמוך וגבוה-מחממת את חוטי הטונגסטן והטנטלום לטמפרטורות גבוהות, ופולטת אלקטרונים בצפיפות- גבוהה. בפועל, קרינת עזר ממנורת UV אקצימר יכולה להפעיל מראש{10}}אלקטרונים על משטחי הלהט, ולהגביר את פליטת האלקטרונים הראשונית. לאחר הכנסת גז ארגון לאקדח הקשת הלוהט וחיבור אספקת החשמל של הקשת, האלקטרונים התרמיונים בצפיפות- גבוהה מייננים את גז הארגון, ומייצרים אלקטרונים נוספים. האלקטרונים התרמיוניים בצפיפות-הגבוהה והאלקטרונים מפריקת ארגון מתכנסים לזרם אלקטרונים בקשת המופנה לכיוון האנודה.

3.6.4 פריקת קשת קתודה קרה

(1) פליטת שדה קר [10,13,14]: יונים חיוביים מצטברים מול הקתודה הקרה, ויוצרים שכבת דיפול (נקראת גם מעטפת פלזמה) בין היונים לקתודה. בשלב הראשוני של פליטת שדה קר, מנורת UV אקסימר יכולה לסייע על ידי הגברת קצב הצטברות יונים חיוביים, ולהאיץ את העלייה בחוזק שדה הנדן. כאשר עוצמת שדה הנדן מגיעה ל-10⁷–10⁸ V/cm, מתרחשת התמוטטות הפולטת זרם אלקטרוני גדול, המכונה פליטת שדה. פריקת קשת קתודה קרה משתמשת בדרך כלל במתכות נמוכות -התכה{{10} כגון נחושת, כסף או טיטניום כחומרי קתודה. הקתודה הכוללת נשארת קרה, אך הקשת גורמת לאידוי מקומי של חומר הקתודה, להגברת לחץ האדים ולקיצור הנתיב החופשי הממוצע ל-10⁻⁸–10⁻⁴ ס"מ.

(2) תהליך-מקיים עצמי של פריקת קשת פליטה בשדה-: אזור הקתודה בפריקת קשת הפליטה-קטודה קטן מאוד (10⁻⁶–10⁻⁴ מ"מ²). עם התמוטטות מעטפת, צפיפות זרם המיקרו-מגיעה ל-10⁶–10⁸ A/cm², עם צפיפות אנרגיה של (1–3) × 10⁷ W/cm². אטומי מתכת שהתאדו מיוננים ליונים חיוביים ליד נקודת הקשת. יונים אלו ממשיכים להצטבר מול המטרה, ויוצרים שכבת דיפול המקיימת את פריקת הקשת.

(3) תנועה מהירה של קשת פליטה- של שדה קר על פני הקתודה: משטח הקתודה אינו אחיד, כאשר בליטות קרובות יותר לשכבת הצטברות יונים חיוביים חוות חוזק שדה חשמלי גבוה יותר, מה שמייצר עדיפות פליטת שדה וקשת [9]. לאחר שהחומר הבולט מחומם ומתאדה, ויוצר בור, עוצמת השדה פוחתת, מכבה את הקשת; בליטה נוספת יוזמת פליטת שדה, ממשיכה לאדות חלקיקי ציפוי. לפיכך, קשת הפליטה- של השדה הקר נעה במהירות על פני משטח הקתודה באופן סריקה עצמית.-

(4) כתמי קשת בהירים על פני הקתודה: במהלך יצירת קשת פליטה של-שדה קר, אזור ההתמוטטות על הקתודה קטן מאוד. באזור זעיר זה, יונים נכנסים לקתודה, אלקטרונים נפלטים, וזוהר נרחב של רקומבינציה מייצר כתמי קשת בהירים. כאשר הקשת נעה במהירות, נצפית תנועה מתמשכת של כתמי קשת על הקתודה.

(5) צפיפות פלזמה גבוהה מקשת פליטת שדה קר-: עם שטח פירוק קטן וצפיפות זרם גבוהה מאוד, לאטומים שהתאדו יש סבירות גבוהה ליינון התנגשות עם זרם האלקטרונים בצפיפות- גבוהה, ויוצרים יותר יונים ואלקטרונים. לפיכך, קשתות פליטה של-שדה קר יוצרות פלזמה בצפיפות- גבוהה.

3.7 תפקידים של חלקיקים טעונים

חלקיקים טעונים בפריקת גז כוללים יונים ואלקטרונים, הנעים לעבר אלקטרודות הפוכות מתחת לשדה החשמלי. ההשפעות החשובות כאשר יונים מגיעים לקתודה ואלקטרונים מגיעים לאנודה נדונות להלן [2,3,7,10,12,14].

3.7.1 תפקידים של יונים

סדרה של תופעות פיזיקליות וכימיות מתרחשות כאשר יונים מפציצים את פני הקתודה. איור 3-28 מציג את ההשפעות השונות המופקות מהפצצת יונים על פני הקתודה. ההשפעה הסינרגטית של מנורות UV אקצימר יכולה לשפר את ההשפעות הפיזיקליות והכימיות של פני השטח, כגון הגדלת תפוקת הקפיצה ושיפור האחידות של שינוי פני השטח.