L'interaction entre la lampe UV excimer et la décharge d'arc

L'interaction entre la lampe UV excimer et la décharge d'arc

3.6.1 Caractéristiques de la décharge en arc

Lorsque la densité de courant dans une décharge luminescente anormale devient très élevée, des ions bombardent intensément la surface de la cathode, provoquant un échauffement local de la cathode et l'émission d'un grand nombre d'électrons thermoioniques. Cela réduit la résistance spatiale, provoque une forte chute de la tension entre les électrodes et une augmentation soudaine du courant, transformant la décharge luminescente en décharge d'arc. Le tableau 3-8 compare les caractéristiques de la décharge en arc et de la décharge luminescente [10].

3.6.2 Types de décharges en arc

Classification par tension de décharge(1) Décharge d'arc à basse-pression : décharge d'arc à des pressions de gaz inférieures à 100 Pa, également appelée arc sous vide. La température des électrons dans la colonne d'arc atteint 10⁴–10⁵ K, tandis que la température des particules lourdes est légèrement supérieure à la température ambiante, formant un plasma hors -équilibre. Ce type d'arc est souvent combiné aveclampes UV excimerpour une excitation auxiliaire afin d’améliorer l’activité du plasma et l’efficacité de la réaction. (2) Décharge d'arc à haute-pression : se produit dans des arcs de gaz ou de vapeur à des pressions supérieures à 100 Pa ; les arcs à pression atmosphérique sont des arcs à haute-pression. La colonne à arc est caractérisée par un équilibre thermique entre les électrons, les ions positifs et les atomes ou molécules de gaz neutres, avec des températures de gaz atteignant 4 000 à 20 000 K dans une colonne à arc resserrée.

Classification par mécanisme de formation de décharge d'arcEn fonction de la forme de décharge d'arc, elle est divisée en décharge d'arc thermoionique et en décharge d'arc à émission de champ à cathode froide-, qui sont présentées séparément ci-dessous.

3.6.3 Décharge par arc thermoionique

Émission thermoionique [10,13,14]Lorsque la température de la surface du métal est très élevée et que l’énergie des électrons dépasse le travail de sortie, les électrons s’échappent de leurs liaisons et sont émis. Lorsque la densité de courant thermoionique est élevée, elle forme une décharge d’arc cathodique thermoionique. La décharge d'arc cathodique thermoionique autonome-est maintenue par une émission thermoionique stable de la cathode. Les métaux réfractaires avec des coefficients de résistance à haute température, tels que le tungstène, le molybdène ou le tantale, sont généralement utilisés pour l'émission thermoionique. Le tableau 3-9 [10] répertorie la relation entre la densité d'émission thermoionique et la température pour le tantale ; plus la température est élevée, plus la densité d'émission thermoionique est grande.

La densité d'émission thermoionique est calculée par l'équation suivante : J=AT2e−X/kT J=AT^2 e^{-X / kT} J=AT2e−X/kT où :

JJJ - Densité de courant thermoionique (A/cm²) ;

AAA - Constante d'émission thermoionique du matériau [A/(cm²·K²)] ;

TTT - Température du matériau de la cathode (K) ;

XXX - Fonction de travail électronique (eV) ;

kkk - Constante de Boltzmann, k=1.38×10−23k=1.38 \\times 10^{-23}k=1.38×10−23 J/K.

D'après l'équation, puisque AAA, XXX et kkk sont constants pour un matériau donné, la densité d'émission thermoionique du matériau cathodique augmente rapidement avec l'augmentation de la température.

Matériaux à émission thermoioniqueLes matériaux d'émission thermoioniques courants dans la technologie de placage ionique comprennent les métaux réfractaires tels que le tungstène, le molybdène, le tantale et l'hexaborure de lanthane [11]. (1) Métaux réfractaires : le tungstène fonctionne à des températures d'émission thermoioniques de 2 600 à 2 900 K, généralement sous forme de filament ; tantale à 2 400–2 800 K, souvent sous forme tubulaire ; molybdène à 2 200–2 500 K, généralement sous forme de filament, de feuille ou de tube. (2) Hexaborure de lanthane : un émetteur thermoionique de type céramique- avec une température d'émission thermoionique d'environ 1 700 K (inférieure à celle des tubes au tantale) et une constante d'émission élevée, permettant une émission thermoionique à des températures plus basses. Dans des applications pratiques, lorsque l'hexaborure de lanthane est utilisé comme matériau d'émission, il peut également être combiné avec le rayonnement UV des lampes UV excimer pour optimiser davantage l'efficacité de l'émission d'électrons dans des environnements à basse température.

Décharge d'arc à cathode creuse(1) Conditions de décharge en arc à cathode creuse : La figure 3-25 montre le principe de la décharge en arc à cathode creuse [10]. Un tube de tantale sert de pistolet à cathode creuse, connecté à la borne négative de l'alimentation en arc, tandis qu'une anode est placée dans la chambre de revêtement et connectée à la borne positive. L'alimentation en arc se compose d'une combinaison parallèle d'une alimentation d'allumage et d'une alimentation d'entretien. Lors de l'introduction du gaz argon, l'irradiation UV d'une lampe UV excimer peut favoriser l'ionisation initiale du gaz, réduisant la tension d'allumage à environ 1 000 V, déclenchant une décharge luminescente avec des courants atteignant 30 à 40 A. L'alimentation électrique de maintien fonctionne à 20 à 70 V avec des courants d'arc de 80 à 300 A. Le gaz argon introduit à travers le tube de tantale produit une décharge d'arc à cathode creuse à un niveau de vide d'environ 100 Pa.

Premièrement, une haute tension de plusieurs centaines de volts enflamme le gaz, produisant une décharge luminescente à cathode creuse. En raison de l'effet de cathode creuse dans la décharge luminescente, la densité de courant à l'intérieur de la cathode creuse est très élevée, générant un grand nombre d'ions argon qui bombardent la paroi du tube de tantale. La température du tube de tantale s'élève au-dessus de 2 100 degrés, émettant des électrons thermoioniques. Les électrons de la décharge gazeuse et les électrons thermoioniques forment ensemble un flux d'électrons à haute densité - dirigé vers l'anode, chauffant l'anode à son arrivée. La décharge en arc cathodique creuse est une décharge en arc cathodique thermoionique auto-entretenue.

(2) Répartition de la température de la cathode creuse : La répartition de la température après une décharge stable en arc de cathode creuse est illustrée à la figure 3-26 [10]. La racine du tube de tantale, soutenue par une pince refroidie à l'eau, a la température la plus basse ; l'extrémité ouverte du tube est légèrement plus froide en raison du rayonnement thermique ; la température la plus élevée se produit à une distance lll (environ 20 mm) de l'extrémité ouverte.

(3) Perte de puissance dans l'arc à cathode creuse : La figure 3-27 montre la perte de puissance dans l'arc à cathode creuse [10], où WtotalW_{\\text{total}}Wtotal​ est la puissance totale de l'arc à cathode creuse, et WanodeW_{\\text{anode}}Wanode​ et WcathodeW_{\\text{cathode}}Wcathode​ sont les puissances dissipées à l'anode et à la cathode, respectivement. La figure montre que, pour différents courants de décharge de cathode creuse, la majeure partie de la puissance est dissipée à l’anode, et très peu à la cathode. Dans le placage ionique à cathode creuse, l'anode est un lingot de métal placé dans un creuset, et environ 60 % de la puissance du pistolet à cathode creuse est utilisée pour chauffer et évaporer le métal.

Décharge de pistolet à arc à filament chaudLa décharge en arc produite par un pistolet à arc à filament chaud appartient également au type de décharge à arc thermoionique [10, 13, 14]. Le pistolet à arc à filament chaud est installé au sommet de la chambre de revêtement, avec des filaments de tungstène et de tantale à l'intérieur du corps du pistolet. Le pistolet est équipé d'une alimentation de chauffage et d'une alimentation d'arc. Une alimentation électrique de chauffage à basse -tension et à -courant élevé chauffe les filaments de tungstène et de tantale à des températures élevées, émettant des électrons de haute-densité. En pratique, l'irradiation auxiliaire d'une lampe UV excimer peut pré-activer les électrons sur les surfaces des filaments, augmentant ainsi l'émission électronique initiale. Après avoir introduit de l'argon gazeux dans le pistolet à arc à filament chaud et connecté l'alimentation électrique de l'arc, les électrons thermoioniques à haute densité - ionisent l'argon gazeux, produisant des électrons supplémentaires. Les électrons thermoioniques à haute densité et les électrons provenant de la décharge d'argon convergent vers un flux d'électrons en arc dirigé vers l'anode.

3.6.4 Décharge par arc à cathode froide

(1) Émission de champ froid [10,13,14] : Les ions positifs s'accumulent devant la cathode froide, formant une couche dipolaire (également appelée gaine de plasma) entre les ions et la cathode. Dans la phase initiale de l'émission en champ froid, une lampe UV excimère peut aider en augmentant le taux d'accumulation d'ions positifs, accélérant ainsi l'augmentation de l'intensité du champ de la gaine. Lorsque l'intensité du champ de la gaine atteint 10⁷–10⁸ V/cm, une panne se produit, émettant un courant électronique important, appelé émission de champ. La décharge par arc cathodique froid utilise généralement des métaux à bas -point de fusion-tels que le cuivre, l'argent ou le titane comme matériaux cathodiques. La cathode globale reste froide, mais l'arc provoque une évaporation locale du matériau cathodique, augmentant la pression de vapeur et raccourcissant le libre parcours moyen à 10⁻⁸–10⁻⁴ cm.

(2) Processus autonome de -décharge d'arc d'émission en champ froid- : la zone cathodique dans la décharge d'arc d'émission en champ froid-est très petite (10⁻⁶–10⁻⁴ mm²). Lors de la rupture de la gaine, la densité de courant de la micro-zone atteint 10⁶–10⁸ A/cm², avec une densité d'énergie de (1–3) × 10⁷ W/cm². Les atomes de métal évaporés sont ionisés en ions positifs à proximité du point d'arc. Ces ions continuent de s’accumuler devant la cible, formant une couche dipolaire qui entretient la décharge en arc.

(3) Mouvement rapide de l'arc d'émission de champ froid - sur la surface de la cathode : la surface de la cathode est inégale, avec des saillies plus proches de la couche d'accumulation d'ions positifs subissant une intensité de champ électrique plus élevée, produisant préférentiellement une émission de champ et un arc [9]. Une fois que le matériau en saillie est chauffé et évaporé, formant une fosse, l'intensité du champ diminue, éteignant l'arc ; une autre saillie initie alors une émission de champ, continuant à évaporer les particules de revêtement. Ainsi, l'arc d'émission du champ froid-se déplace rapidement à travers la surface de la cathode de manière auto-auto-balayage.

(4) Points d'arc brillants sur la surface de la cathode : lors de la génération d'arc par émission de champ froid-, la zone de claquage sur la cathode est très petite. Dans cette minuscule région, les ions pénètrent dans la cathode, des électrons sont émis et une luminescence de recombinaison étendue produit des points d'arc brillants. À mesure que l’arc se déplace rapidement, un mouvement continu des points d’arc est observé sur la cathode.

(5) Densité de plasma élevée provenant d'un arc d'émission de champ froid - : avec une petite zone de claquage et une densité de courant très élevée, les atomes évaporés ont une forte probabilité d'ionisation par collision avec le flux d'électrons à haute -densité, produisant plus d'ions et d'électrons. Ainsi, les arcs d'émission en champ froid-générent un plasma à haute-densité.

3.7 Rôles des particules chargées

Les particules chargées dans une décharge gazeuse comprennent des ions et des électrons, qui se déplacent vers des électrodes opposées sous le champ électrique. Les effets importants lorsque les ions atteignent la cathode et les électrons atteignent l'anode sont discutés ci-dessous [2,3,7,10,12,14].

3.7.1 Rôles des ions

Une série de phénomènes physiques et chimiques se produisent lorsque des ions bombardent la surface de la cathode. La figure 3-28 montre les différents effets produits par le bombardement ionique sur la surface de la cathode. L'effet synergique des lampes UV excimères peut améliorer ces effets physiques et chimiques de surface, tels que l'augmentation du rendement de pulvérisation et l'amélioration de l'uniformité de la modification de surface.