Glimmentladungseigenschaften von 172-nm- und 222-nm-Excimerlampen

Glimmentladungseigenschaften von 172-nm- und 222-nm-Excimerlampen

Kapitel 3 Grundlagen der Plasmaphysik

3.5.1 Eigenschaften der Glimmentladung

Die Glimmentladung ist eine frühere Form der Entladung und dient als Grundlage für verschiedene Arten von Entladungen.

1. Zündung einer Glimmentladung

In einem Vakuumbehälter mit nur einem elektrischen Kathoden- und Anodenfeld wird das Gas nach dem Anschließen der Gleichstromversorgung ionisiert, wenn der Vakuumgrad unter 1 Pa liegt, und es kommt zu einer Glimmentladung auf dem Werkstück, wobei die Werkstückoberfläche von einer Glühschicht umgeben ist. Die Glimmentladungsstromdichte liegt in der Größenordnung von mA/cm², wobei die Spannung zwischen 400 und 5000 V liegt, was es zu einer Entladungsform mit hoher -Spannung und niedriger-Stromdichte- macht. Bei der Glimmentladung treten Anregungslumineszenz- und Rekombinationslumineszenzphänomene auf, und die Farbe des Lichts variiert je nach Gas. In bestimmten Spezialanwendungen, wie beispielsweise Vakuum-Ultraviolettlichtquellen, können ähnliche Glimmentladungsprinzipien auch zur Erzeugung von Licht bestimmter Wellenlängen verwendet werden, beispielsweise 172-nm-Excimerlampen oder 222-nm-UV-Lampen, die eine Gasentladungsanregung nutzen, um Excimerstrahlung zu erzeugen.

2. Kathodenfallregion

(1) Potenzialverteilung vor der Kathode

Im Vakuumbehälter ist die Potentialverteilung zwischen den -Elektroden vor der Entladung linear, wie durch OA₀ in Abbildung 3-9 dargestellt [10]. Nach der Entladung sind die positive Ionendichte und die Elektronendichte im Raum ähnlich. Aufgrund der geringen Masse und der hohen Geschwindigkeit der Elektronen bewegen sie sich mit hoher Geschwindigkeit zur Anode; Im Gegensatz dazu haben positive Ionen eine große Masse und bewegen sich mit geringer Geschwindigkeit zur Kathode, wobei sie sich in der Nähe der Kathode ansammeln. Dieser positive Raumladungseffekt verzerrt das elektrische Feld zwischen den Elektroden, was einer Bewegung der Anode A in Richtung der Kathode C entspricht und eine äquivalente Anode bildet. Die Spannung zwischen den Elektroden verteilt sich hauptsächlich zwischen der Kathode und der äquivalenten Anode, was als Kathodenabfall bezeichnet wird, wie durch OA₂ in Abbildung 3-9 dargestellt. Der Abstand von der äquivalenten Anode zur Kathode wird als d₂ bezeichnet, auch Breite des Kathodenfallbereichs genannt [8].

Die äquivalente Anode ist wie eine Verschiebung der Anode in Richtung Kathode, wodurch der Abstand zwischen den -Elektroden auf d₂ verkürzt und die elektrische Feldstärke E geändert wird. Vor der Gaszündung beträgt die Feldstärke E=U_d / d. Unter der Wirkung von U_d gewinnen Elektronen ausreichend Energie, um das Gas zu zünden und in die Phase der selbsterhaltenden Entladung einzutreten. Während der Entladungsentwicklung nähert sich die äquivalente Anode aufgrund der Ansammlung positiver Ionen allmählich der Kathode C, was bedeutet, dass sich die Anode effektiv von Position A nach A₁ und dann nach A₂ bewegt. Durch die Verkürzung des Abstands zwischen Kathode und Anode erhöht sich die elektrische Feldstärke E₂=U_d / d₂. Wenn der Raumdruck p unverändert bleibt, ist die mittlere freie Elektronenweglänge λ_e konstant, sodass die Elektronenenergie eE₂ λ_e ≫ eE λ_e ist. Die ursprüngliche Elektronenenergie eE λ_e reicht aus, um das Gas zu ionisieren, und die Spannung zwischen den Elektroden U_d kann den Entladungsprozess weiterhin aufrechterhalten. Sobald das Gas gezündet ist, sinkt daher die Spannung zwischen den Elektroden automatisch entlang der Paschen-Kurve auf U_min, wobei an diesem Punkt der Abstand zwischen der äquivalenten Anode und der Kathode d_e beträgt und die Entladung in den stabilen normalen Glimmentladungsbereich eintritt. Der Abstand von der Akkumulationsschicht für positive Ionen zur Kathode beträgt d_e. d_e ist das zuvor erwähnte d₂, was bedeutet, dass sich in einem sehr kleinen Abstand d_e von der Kathode eine positive Ionenhüllenschicht bildet. Der Potentialabfall zwischen Kathode und Anode verteilt sich hauptsächlich im d_e-Bereich, was zu einem steilen Spannungsabfall und einer hohen elektrischen Feldstärke führt. In diesem schmalen d_e-Intervall werden Elektronen und Ionen beschleunigt. Positive Ionen beschleunigen und bombardieren die Kathode und regen so Sekundärelektronen an. Elektronen beschleunigen in Richtung Anode, kollidieren unelastisch mit neutralen Gasatomen im d_e-Intervall und erzeugen schließlich ein Elektron, um die Bedingung der selbsterhaltenden Entladung zu erfüllen und die Gasentladung aufrechtzuerhalten.

(2) Breite des Kathodenfallbereichs

Während der Glimmentladung fällt die Spannung zwischen den Elektroden hauptsächlich im Kathodenabfallbereich ab. Die Breite des Kathodenabfalls hängt von der Spannung, der Gaszusammensetzung und dem Kathodenmaterial ab. Der Kathodenabfallbereich weist einige Eigenschaften auf: Unter unveränderten anderen Entladungsbedingungen hält eine Änderung nur des Gasdrucks p den Kathodenabfall U_c konstant; die Breite d_e des Kathodenabfallbereichs ist umgekehrt proportional zu p und nimmt mit abnehmendem Vakuumgrad ab (p nimmt zu); wenn das Produkt pd_e konstant ist, bleibt U_c unverändert; wenn d=d_e, gibt es außer dem Kathodenfallbereich keine anderen Bereiche, es kann aber dennoch zu einer Entladung kommen; wenn 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 Normale Glimmentladung und abnormale Glimmentladung

1. Vergleich der Eigenschaften zwischen normaler Glimmentladung und anormaler Glimmentladung

Bei der Analyse von Volt-Ampere-Kennlinien wurden die Unterschiede zwischen normaler Entladung und abnormaler Glimmentladung eingeführt. Ihr charakteristischer Vergleich ist in Tabelle 3-5 dargestellt [10].

2. Zündspannung der normalen Glimmentladung

Die Zündspannung (Durchbruchspannung) für die normale Glimmentladung ist die minimale Zündspannung U_min. Wenn das Produkt aus dem Abstand d zwischen Kathode und Anode und dem Gasdruck p genau dem Minimalpunkt pd_e auf der Paschen-Kurve entspricht, beträgt die Gasentladungs-Zündspannung U_min. Für eine Eisenkathode mit Argon, Stickstoff, Sauerstoff oder Wasserstoff beträgt U_min nur 100–343 V. Tabelle 3-6 listet die Kathodenabfälle für eine normale Glimmentladung mit mehreren Kathodenmaterialien und -gasen auf [2,3,10]. Bei der ersten Zündung beginnt in einem kleinen Bereich der Kathodenoberfläche zu glühen. Mit steigender Leistung vergrößert sich der Glühbereich auf der Kathodenoberfläche allmählich, bis er die gesamte Kathode bedeckt. Während dieser Ausdehnung entlang der Kathode bleibt die Spannung konstant und der Kathodenstrom nimmt mit der Glühfläche zu. Aus Tabelle 3-6 geht hervor, dass für verschiedene Kathodenmaterialien das normale Glimmentladungs-Kathodenpotential mit Argon unter 165 V liegt. Für Eisenkathoden mit zweiatomigen Gasen liegt es unter 343 V.

Im Allgemeinen ist der Abstand d zwischen Kathode und Anode fest und es ist schwierig, den Entladungsraumdruck p auf den Minimalpunkt auf der Paschen-Kurve einzustellen. Daher muss die Spannung zwischen den Elektroden erhöht werden, um eine Glimmentladung zu erzeugen. Unabhängig davon, ob der Vakuumkammerdruck höher oder niedriger als dieser Bereich ist, muss die Spannung zwischen den Elektroden auf Punkt B erhöht werden, um vom Townsend-Entladungsbereich Ⅱ über den Koronaentladungsbereich Ⅲ und den frühen normalen Glimmentladungsbereich Ⅳ in den stabilen normalen Glimmentladungsbereich Ⅴ überzugehen. Die Entladespannung fällt steil zum Punkt E ab, wo die Spannung U_min beträgt. Im EF-Intervall bedeckt das Glühen allmählich die gesamte Kathodenfläche, die Spannung bleibt konstant, der Strom steigt allmählich an und zeigt normale Glimmentladungseigenschaften.

Wenn der Vakuumkammerdruck p konstant bleibt und der Abstand zwischen den Elektroden zu groß oder kleiner als das Minimum d auf der Paschen-Kurve ist, ist eine höhere Spannung zwischen den Elektroden für die Glimmentladung erforderlich, oder durch Anpassen des Elektrodenabstands kann eine Zündung bei einer niedrigeren Spannung nahe U_min erreicht werden.

Beim Zünden mit einer höheren Spannung als U_min liefert die externe Stromversorgung mehr Energie als bei der Zündung mit U_min. Wenn der tatsächliche pd weit von pd_e entfernt ist, ist die angelegte Spannung höher, manchmal über 1000 V, wobei der Arbeitspunkt auf dem linken oder rechten Zweig der Paschen-Kurve liegt. Aufgrund der hohen Energie, die der Kathode zugeführt wird, bedeckt sich die Kathodenoberfläche nach der Zündung der Gasentladung sofort mit Glühen und gelangt in einen abnormalen Glimmentladungsbereich, ohne dass eine allmähliche Glühausdehnung an der Kathode beobachtet wird.

3. Anormale Glimmentladung

Nachdem die Kathodenoberfläche vollständig mit Glühen bedeckt ist, steigt der Entladestrom mit steigender Spannung zwischen den Elektroden. Mit zunehmendem Glühstrom nimmt die Glühhelligkeit der Werkstückoberfläche zu. Sobald Spannung und Druck festgelegt sind, verläuft die abnormale Glimmentladung stabil. Die meisten Entladungen bei der Glimmentladungs-Ionenplattierung, dem Magnetronsputtern, der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung und dem Glimmentladungs-Ionennitrieren erfolgen im Bereich der abnormalen Glimmentladung. Diese Entladungsformen weisen Ähnlichkeiten mit den Anregungsmechanismen bestimmter Ultraviolettquellen auf, beispielsweise 222-nm-UV-Lampen, die ebenfalls auf einer Gasentladung beruhen, um Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge zu erzeugen.

3.5.3 Verteilung verschiedener Eigenschaften zwischen Elektroden bei Glimmentladung

1. Ungleichmäßige Lichtintensität zwischen Elektroden mit abwechselnd hellen und dunklen Schichten [3-12]

Nachdem die Gasentladung in die Glimmentladungsphase eintritt, ist die Verteilung der Glühintensität von der Kathode zur Anode ungleichmäßig und auch die Verteilungen der Ladung, des Potentials, der elektrischen Feldstärke usw. zwischen den Elektroden sind ungleichmäßig. Abbildung 3-10 zeigt die charakteristische Verteilung zwischen den Elektroden bei der Glimmentladung [10]. Diese Abbildung veranschaulicht deutlich die Verteilungsmuster von Glühintensität (Lichtintensität), Potenzial, elektrischer Feldstärke, positiver Ladung, negativer Ladung, Nettoladung, Stromdichte und Gastemperatur während der Glimmentladung.

2. Gründe für die Bildung jeder Region

Das Intervall von der Kathode zur Anode ist unterteilt in den Aston-Dunkelraum, den Kathoden-Glühbereich, den Kathoden-Dunkelraum, den Negativ-Glühbereich, den Faraday-Dunkelraum, den Positiv-Säulen-Bereich, den Anoden-Dunkelraum und den Anoden-Glühbereich [10].

Abbildung 3-11 ist eine vergrößerte Ansicht des oberen Teils von Abbildung 3-10 und zeigt eine ungleichmäßige Lichtintensität mit abwechselnd hellen und dunklen Lumineszenzschichten zwischen den Elektroden während der Glimmentladung.

Aston-Dunkelraum: Ionen regen Elektronen von der Kathode an, und wenn sich Elektronen in Richtung Anode bewegen, beschleunigen sie im Fallbereich der Kathode, haben aber nicht genügend Energie für die Anregung der Lumineszenz und bilden so den Aston-Dunkelraum.

Kathodenglühbereich: Wenn Elektronen den Kathodenglühbereich erreichen, verfügen sie über ausreichend Energie, um das Gas anzuregen und Lumineszenz zu erzeugen. Dieses Anregungslumineszenzprinzip ähnelt bestimmten Excimerlampen, beispielsweise 172-nm-Excimerlampen, die eine Entladungsanregung nutzen, um Vakuum-Ultraviolettlicht zu erzeugen.

Kathodendunkelraum: Die meisten Elektronen, die während der Anregung Energie verlieren, werden zu langsamen Elektronen mit einer Energie unterhalb der Ionisierungsenergie. Nachdem sie in den Kathodendunkelraum eingedrungen sind, verlassen sie diesen bei hoher Feldstärke schnell und ohne Kollisionen, daher gibt es keine Lumineszenz.

Negativer Leuchtbereich: Im Kathodendunkraum beschleunigte Elektronen gelangen mit hoher Energie in den negativen Leuchtbereich und erzeugen mehr Ionisierung und Anregung. Dieser Bereich erzeugt reichlich Anregungs- und Rekombinationslumineszenz und erzeugt ein sehr starkes Leuchten, wodurch das Licht des Bereichs mit negativem Leuchten am stärksten ist. Die Glühfarbe variiert je nach Zusammensetzung des Entladungsgases.

Faradayscher dunkler Raum: Die meisten Elektronen verlieren im negativen Leuchtbereich Energie, die für eine signifikante Ionisierung oder Anregung nicht ausreicht, und bilden einen dunklen Raum.

Positiver Säulenbereich: Elektronendichte und positive Ionendichte sind nahezu gleich, auch Plasmabereich genannt. Die Dichte geladener Teilchen beträgt im Allgemeinen 10¹⁰ ~ 10¹²/cm³, wodurch Strom in der Gasentladung geleitet wird und Plasma zu einem starken Leiter wird. Die elektrische Feldstärke in der positiven Säule ist um mehrere Größenordnungen kleiner als im Kathodenbereich.

Anodenbereich: Elektronen werden von der Anode absorbiert, Ionen abgestoßen und bilden in der Nähe der Anode eine negative Raumladung, wodurch das Potenzial stark ansteigt und ein Anodenpotenzial entsteht. Im Anodenbereich beschleunigte Elektronen erzeugen in der Nähe der Anode eine Anregung und Ionisierung, wodurch ein Anodenglühen entsteht.

Im Entladungsbehälter ist die abwechselnde Hell-Dunkel-Verteilung der Glühschichten von der Kathode zur Anode sichtbar. Abbildung 3-12 zeigt das Glühen um das Werkstück herum während des DC-Glimmentladungs-Ionennitrierens und zeigt deutlich abwechselnde Schichten.

3.5.4 Hohlkathodeneffekt bei Glimmentladung

1. Glimmüberlappungsphänomen mit zwei parallelen Plattenkathoden

Die vorherige Diskussion konzentrierte sich auf die Eigenschaften einer einzelnen-Kathodenentladung. Wenn zwei parallele Plattenkathoden in einem Vakuumbehälter mit A als Anode platziert werden, kommt es beim Einschalten zu einer Glimmentladung. Abbildung 3-13 zeigt die Kathodenentladungsvorrichtung mit zwei parallelen Platten [10].

Wenn die Bedingungen für die Gaszündung erfüllt sind, erzeugen beide Kathoden eine Glimmentladung und bilden in ihrer Nähe entsprechende Kathodendunkelräume und negative Glimmbereiche. Wenn der Abstand zwischen den beiden Kathoden d₁ + d₂ > 2d_e erfüllt, haben beide dunkle Räume und negative Leuchtbereiche und teilen sich Faraday-dunkle Räume und positive Säulen. Wenn d₁ + d₂ < 2d_e, überlappen sich die beiden negativen Leuchtbereiche. Von C₁ emittierte Elektronen beschleunigen im Kathodenfallbereich von C₁ und verlangsamen sich beim Eintritt in C₂, oszillieren zwischen den Elektroden, erhöhen die Kollisionswahrscheinlichkeit mit Gasmolekülen, verursachen mehr Anregung und Ionisierung, erhöhen die Stromdichte und die Intensität des negativen Leuchtens. Dieses Phänomen wird als Hohlkathodeneffekt bei der Glimmentladung bezeichnet [10].

Abbildung 3-14 zeigt die Lichtintensitätsverteilung zwischen zwei parallelen Kathodenplatten [10]. Die beiden gestrichelten Linien in Abbildung 3-14 stellen die Glühintensitäten jeder Kathode dar; Nach dem Hohlkathodeneffekt überlagern sich die Intensitäten mit der Verteilung wie Kurve M in Abbildung 3-14.

Wenn die Länge des negativen Glimmbereichs im Hohlkathodeneffekt d ist, der Kathodenabfall V_c ist, der Druck p ist, ist ihre funktionale Beziehung: pd=f(V_c)

Daher ist bei höherem Druck p ein kleiner Abstand zwischen den Kathoden für den Hohlkathodeneffekt erforderlich; bei niedrigerem p reicht ein größerer Abstand aus. Ob also ein Hohlkathodeneffekt auftritt, hängt bei einem festen Abstand zwischen den Kathoden vom Druck ab.

Wenn die Kathode eine Hohlröhre ist, entspricht der Innendurchmesser dem Abstand zwischen parallelen Platten, wodurch bei einem bestimmten Druck ein Hohlkathodeneffekt entsteht, der in der Röhrenmitte ein starkes negatives Leuchten erzeugt.

2. Glühintensität nach der Entladung bei unterschiedlichen Kathodenabständen

Bei gleicher Vakuumkammer, gleichem Vakuumgrad und gleicher Kathodenspannung variiert die Glühintensität je nach Kathodenform und Plattenabstand, wie in Abbildung 3-15 dargestellt.