Взаємодія між ексимерною УФ лампою та дуговим розрядом

Взаємодія між ексимерною УФ лампою та дуговим розрядом

3.6.1 Характеристики дугового розряду

Коли щільність струму в аномальному тліючому розряді стає дуже високою, іони інтенсивно бомбардують поверхню катода, викликаючи локальний нагрів катода та емісію великої кількості термоелектронних електронів. Це зменшує просторовий опір, спричиняє різке падіння між-електродної напруги та раптове збільшення струму, перетворюючи тліючий розряд на дуговий. У таблиці 3-8 порівнюються характеристики дугового і тліючого розрядів [10].

3.6.2 Типи дугового розряду

Класифікація за напругою розряду(1)-дуговий розряд низького тиску: дуговий розряд за тиску газу нижче 100 Па, також відомий як вакуумна дуга. Температура електронів у стовпі дуги досягає 10⁴–10⁵ К, тоді як температура важких частинок трохи вища за температуру навколишнього середовища, утворюючи не-рівноважну плазму. Цей вид дуги часто комбінують зексимерні ультрафіолетові лампидля допоміжного збудження для підвищення активності плазми та ефективності реакції. (2) Дуговий розряд під високим{2}}тиском: відбувається в газових або парових дугах при тиску понад 100 Па; дуги при атмосферному тиску є дугами високого-тиску. Стовп дуги характеризується тепловою рівновагою між електронами, позитивними іонами і атомами або молекулами нейтрального газу, при цьому температура газу досягає 4000-20000 К у звуженому стовпі дуги.

Класифікація за механізмом утворення дугового розрядуЗалежно від форми дугового розряду його поділяють на термоелектронний дуговий розряд і дуговий розряд із холодною катодною емісією-, які представлено окремо нижче.

3.6.3 Термоелектронний дуговий розряд

Термоелектронна емісія [10,13,14]Коли температура поверхні металу дуже висока і енергія електронів перевищує роботу виходу, електрони вириваються зі своїх зв’язків і випромінюються. Коли щільність термоелектронного струму висока, він утворює термоелектронний катодний дуговий розряд. Самопідтримуваний термоелектронний катодний дуговий розряд підтримується стабільною термоелектронною емісією з катода. Як правило, для термоемісії використовують тугоплавкі метали з високим температурним коефіцієнтом опору, наприклад вольфрам, молібден, тантал. У таблиці 3-9 [10] наведено співвідношення між густиною термоелектронної емісії та температурою для танталу; чим вища температура, тим більша щільність термоелектронної емісії.

Щільність термоелектронної емісії обчислюється за таким рівнянням: J=AT2e−X/kT J=AT^2 e^{-X / kT} J=AT2e−X/kT де:

JJJ - Щільність термоелектронного струму (А/см²);

AAA - Константа термоелектронної емісії матеріалу [A/(см²·K²)];

TTT - Температура матеріалу катода (K);

XXX - Робота виходу електрона (еВ);

kkk - стала Больцмана, k=1.38×10−23k=1.38 \\рази 10^{-23}k=1.38×10−23 Дж/К.

З рівняння, оскільки AAA, XXX і kkk постійні для даного матеріалу, густина термоелектронної емісії з матеріалу катода швидко зростає з підвищенням температури.

Термоемісійні матеріалиЗвичайні термоемісійні матеріали в технології іонного покриття включають тугоплавкі метали, такі як вольфрам, молібден, тантал і гексаборид лантану [11]. (1) Тугоплавкі метали: вольфрам працює при температурах термоелектронного випромінювання 2600–2900 К, як правило, у формі нитки; тантал при 2400–2800 К, часто в трубчастій формі; молібдену при 2200-2500 К, зазвичай у вигляді ниток, листів або труб. (2) Гексаборид лантану: термоелектронний випромінювач керамічного -типу з температурою термоелектронного випромінювання близько 1700 К (нижчою, ніж у танталових трубок) і високою константою випромінювання, що забезпечує термоелектронне випромінювання за нижчих температур. У практичних застосуваннях, коли гексаборид лантану використовується як емісійний матеріал, його також можна поєднати з ультрафіолетовим випромінюванням від ексимерних ультрафіолетових ламп для подальшої оптимізації ефективності емісії електронів у середовищах із низькою -температурою.

Дуговий розряд із порожнистим катодом(1) Умови для дугового розряду з порожнистим катодом: На малюнку 3-25 показано принцип дугового розряду з порожнистим катодом [10]. Танталова трубка служить порожнистим катодним пістолетом, підключеним до негативної клеми джерела живлення дуги, тоді як анод поміщається в камеру для покриття та підключається до позитивної клеми. Джерело живлення дуги складається з паралельної комбінації джерела живлення запалювання та джерела підтримуючого живлення. Під час введення газу аргону УФ-опромінення від ексимерної УФ-лампи може сприяти початковій іонізації газу, знижуючи напругу запалювання приблизно до 1000 В, запалюючи тліючий розряд зі струмом, що досягає 30–40 А. Підтримуюче джерело живлення працює при напрузі 20–70 В із струмом дуги 80–300 А. Газ аргон, який вводиться через танталову трубку, створює порожнисту катодний дуговий розряд на рівні вакууму близько 100 Па.

Спочатку висока напруга в кілька сотень вольт запалює газ, утворюючи тліючий розряд із порожнистим катодом. Через ефект порожнистого катода в тліючому розряді щільність струму всередині порожнистого катода дуже висока, що генерує велику кількість іонів аргону, які бомбардують стінку танталової трубки. Температура танталової трубки піднімається вище 2100 градусів, випромінюючи термоелектронні електрони. Електрони газового розряду та термоелектронні електрони разом утворюють електронний потік високої-щільності, спрямований до анода, нагріваючи анод після прибуття. Порожнистий катодний дуговий розряд — це само-термічний катодний дуговий розряд.

(2) Розподіл температури порожнистого катода: Розподіл температури після стабільного дугового розряду з порожнистим катодом показано на малюнку 3-26 [10]. Найнижчу температуру має корінь танталової трубки, що підтримується водоохолоджуваним затискачем; відкритий кінець трубки трохи холодніший за рахунок теплового випромінювання; найвища температура спостерігається на відстані lll (близько 20 мм) від відкритого кінця.

(3) Втрата потужності в дузі з порожнистим катодом: на малюнку 3-27 показано втрати потужності в дузі з порожнистим катодом [10], де WtotalW_{\\text{total}}Wtotal​ — загальна потужність дуги з порожнистим катодом, а WanodeW_{\\text{anode}}Wanode​ і WcathodeW_{\\text{cathode}}Wcathode​ — це потужності, що розсіюються на аноді та катоді відповідно. На малюнку показано, що при різних струмах розряду на порожнистому катоді більша частина потужності розсіюється на аноді, а на катоді – дуже мало. У іонному покритті з порожнистим катодом анодом є металевий злиток, поміщений у тигель, і близько 60% потужності гармати з порожнистим катодом використовується для нагрівання та випаровування металу.

Гаряча дугова розрядкаДуговий розряд, який створюється дуговою гарматою з гарячою ниткою, також відноситься до типу термоелектронного дугового розряду [10,13,14]. Гарячий дуговий пістолет встановлений у верхній частині камери для покриття, а вольфрамові та танталові нитки всередині корпусу пістолета. Пістолет оснащений джерелом живлення нагріву та джерелом живлення дуги. Джерело живлення низької-напруги з високим-струмом нагріває вольфрамові й танталові нитки до високих температур, випускаючи електрони високої-щільності. На практиці допоміжне опромінення від ексимерної УФ-лампи може попередньо-активувати електрони на поверхнях ниток розжарювання, збільшуючи початкову емісію електронів. Після введення газу аргону в дугову гармату з гарячою ниткою та підключення джерела живлення дуги термоелектронні електрони високої-щільності іонізують газ аргон, утворюючи додаткові електрони. Термоелектронні електрони високої{14}}щільності та електрони аргонового розряду збігаються в потік електронів дуги, спрямований до анода.

3.6.4 Дуговий розряд із холодним катодом

(1) Емісія холодного поля [10,13,14]: позитивні іони накопичуються перед холодним катодом, утворюючи дипольний шар (також званий плазмовою оболонкою) між іонами та катодом. На початковій стадії випромінювання холодного поля може допомогти ексимерна УФ-лампа, збільшуючи швидкість накопичення позитивних іонів, прискорюючи збільшення напруженості поля оболонки. Коли напруженість поля оболонки досягає 10⁷–10⁸ В/см, відбувається пробій, що випромінює великий електронний струм, відомий як польова емісія. У холодному катодному дуговому розряді як катодні матеріали зазвичай використовуються -метали-з низькою температурою плавлення, такі як мідь, срібло або титан. Загальний катод залишається холодним, але дуга спричиняє локальне випаровування матеріалу катода, збільшуючи тиск пари та скорочуючи середню довжину вільного пробігу до 10⁻⁸–10⁻⁴ см.

(2) Самопідтримуючий-процес дугового-розряду холодного поля: Площа катода в-дугового розряду холодного поля дуже мала (10⁻⁶–10⁻⁴ мм²). Під час руйнування оболонки щільність струму в мікро-області досягає 10⁶–10⁸ А/см² із густиною енергії (1–3) × 10⁷ Вт/см². Випарені атоми металу іонізуються в позитивні іони поблизу плями дуги. Ці іони продовжують накопичуватися перед мішенню, утворюючи дипольний шар, який підтримує дуговий розряд.

(3) Швидкий рух холодної-дуги з емісією холодного поля на поверхні катода: поверхня катода нерівна, з виступами, розташованими ближче до шару накопичення позитивних іонів, що відчуває більшу напруженість електричного поля, переважно створюючи емісію поля та дугу [9]. Після того, як виступаючий матеріал нагрівається і випаровується, утворюючи ямку, напруженість поля зменшується, згасаючи дугу; потім інший виступ ініціює польову емісію, продовжуючи випаровувати частинки покриття. Таким чином, дуга-емісії холодного поля швидко рухається поверхнею катода, само-самоскануючи.

(4) Яскраві дугові плями на поверхні катода: під час генерації дуги з-емісією холодного поля зона пробою на катоді дуже мала. У цій крихітній області іони потрапляють на катод, випромінюються електрони, і велика рекомбінаційна люмінесценція створює яскраві дугові плями. При швидкому русі дуги на катоді спостерігається безперервний рух дугових плям.

(5) Висока щільність плазми від холодної{1}}емісійної дуги: з малою площею пробою та дуже високою щільністю струму випарені атоми мають високу ймовірність іонізації зіткнення з потоком електронів високої{2}}щільності, утворюючи більше іонів і електронів. Таким чином, дуги-випромінювання холодного поля створюють плазму високої{5}}щільності.

3.7 Роль заряджених частинок

Заряджені частинки в газовому розряді включають іони та електрони, які рухаються до протилежних електродів під дією електричного поля. Важливі ефекти, коли іони досягають катода, а електрони досягають анода, обговорюються нижче [2,3,7,10,12,14].

3.7.1 Роль іонів

Ряд фізичних і хімічних явищ відбувається, коли іони бомбардують поверхню катода. На малюнку 3-28 показано різні ефекти, викликані іонним бомбардуванням поверхні катода. Синергічний ефект ексимерних ультрафіолетових ламп може посилити ці поверхневі фізичні та хімічні ефекти, такі як збільшення продуктивності розпилення та покращення рівномірності модифікації поверхні.