Postopki,-povezani z ionizacijo pri ionskem nanašanju s 172 nm ekscimer žarnicami
3.3.3 Trki-elektronskega plina, ki vodijo do ionizacije
(1) Postopek ionizacije
Ko elektron trči v plin, elektron na najnižji energijski ravni nevtralnega atoma A absorbira energijo vpadnega elektrona, se izogne atomski omejitvi in zapusti atom. Atom postane pozitiven ion A⁺, ki mu manjka en elektron, v prostoru za razelektritev pa nastane dodaten elektron. Ta proces se imenuje ionizacija. Postopek ionizacije je izražen kot: A + e⁻ → A⁺ + 2e⁻
Energija, absorbirana med ionizacijo, se imenuje ionizacijska energija, potencial, potreben za prenos te ionizacijske energije na atom, pa se imenuje ionizacijski potencial, označen kot U_I. Tabela 3-3 navaja ionizacijske potenciale U_I za nekatere elemente. Ta vrsta ionizacijskega procesa se imenuje prva vrsta neelastičnega trka [3–7].
Proces ionizacije enega elektrona iz atoma imenujemo primarna ionizacija; izguba dveh elektronov je sekundarna ionizacija; izguba treh je terciarna ionizacija. Če se elektroni ionizirajo enega za drugim, se to imenuje sukcesivna ionizacija; če sta dva ali več elektronov ionizirana hkrati, se to imenuje večkratna ionizacija, nastali ion pa se imenuje večkratno nabit ion. Slednji proces se zgodi redko.
V sodobni tehnologiji ionizacije lahko vakuumska ultravijolična (VUV) svetloba, ki jo proizvaja 172 nm excimer žarnica, pomaga povečati učinkovitost ionizacije z zagotavljanjem dodatnega vzbujanja energije za ionizacijski proces.
(2) Diferencialni ionizacijski koeficient
Čeprav energija elektrona presega ionizacijski potencial ali potencial vzbujanja, vsak trk ne povzroči ionizacije ali vzbujanja. Delež, ki vodi do ionizacije ali vzbujanja, se imenuje verjetnost ionizacije oziroma verjetnost vzbujanja.
Velikost verjetnosti ionizacije je odvisna od energije elektronov. Število ionov, ki jih proizvede elektron, ki potuje 1 cm v plinu pri tlaku 133,3 Pa in 0 stopinj, je definirano kot diferenčni ionizacijski koeficient, označen kot S_e. Podobno obstaja diferencialni koeficient vzbujanja.
Slika 3-4 prikazuje krivulje razmerja med diferenčnim ionizacijskim koeficientom S_e in energijo elektronov ε za več plinov [3]. Kot je prikazano na sliki 3-4, krivulje za različne pline običajno kažejo maksimum, vrh pa se pojavi v območju 50–100 eV. (Slika 3-4: Krivulje razmerja med diferencialnim ionizacijskim koeficientom S_e in energijo elektronov ε za pline. Navpična os je "diferencialni ionizacijski koeficient (ioni)", vodoravna os je energija elektronov, krivulje pa vključujejo Hg, Ar, Ne, He, H₂.)
Ko je energija elektronov previsoka, se namesto tega zmanjša stopnja ionizacije plina. To je zato, ker med stikom med vpadnim elektronom in atomom plina ločitev najbolj oddaljenega elektrona od omejitve atomskega jedra za ionizacijo zahteva določen čas izmenjave energije. Če je energija elektrona zelo velika in je njegova hitrost prehitra, je čas interakcije med elektronom in atomom zelo kratek, nezadosten za izmenjavo energije, kar povzroči nižji diferencialni ionizacijski koeficient.
Napetost pri žareči razelektritvi je nad 1000 V, pri obločni razelektritvi pa 20–70 V. Diferencialni ionizacijski koeficient pri obločni razelektritvi je večji kot pri žareči razelektritvi. Zato je gostota plinskih ionov in kovinskih ionov pri obločni razelektritvi večkrat večja kot pri žarilni razelektritvi. S pomočjo obsevanja iz 172 nm excimer žarnice je mogoče delno kompenzirati nizko stopnjo ionizacije pri žareči razelektritvi.
(3) Stopnja ionizacije
Stopnja ionizacije je razmerje med številom ionov, ki nastanejo po izpustu plina, in skupnim številom atomov, označeno kot [3–6,8], s formulo:=(n_i) / (n_i + n_a)=n_i / n_o
kjer je: n_i - število ionov; n_a - število nevtralnih atomov; n_o - skupno število težkih delcev.
Če v postopkih nanašanja prevlek n_i predstavlja število kovinskih ionov in n_o skupno število kovinskih ionov in nevtralnih atomov, potem je stopnja ionizacije kovine.
3.3.4 Druga vrsta neelastičnega trka
Vzbujanje in ionizacija, ki ju povzročijo drugi dejavniki, imenujemo druga vrsta neelastičnega trka [3–12].
Proces prenosa naboja, ki ga povzročijo pozitivni ioni Ko pozitivni ion trči ob atom plina, prispeva polovico svoje energije k ionizaciji atoma plina podobne mase, zahteva, da ima pozitivni ion zelo visoko energijo. Vendar pri plinski razelektritvi le majhen del pozitivnih ionov doseže tako visoke energije, zato je verjetnost ionizacije, ki jo povzročijo pozitivni ioni, zelo majhna.
Vendar pa je postopek prenosa naboja med pozitivnimi ioni in atomi razmeroma enostaven: ko visoko-energijski ion trči z nizko-energijsko nevtralnim atomom, pride samo do izmenjave naboja brez izmenjave energije, kar ima za posledico visoko-energijsko nevtralen atom in nizko-energijski ion. Ta proces se imenuje prenos naboja, izražen kot: A⁺ + B (ε↓) → A + B⁺ (ε↓)
Proces prenosa naboja poteka veliko pogosteje kot neelastični trki in je eden od pomembnih virov ionov in visoko{0}}energijsko nevtralnih atomov v prostoru za praznjenje. Nizko{2}}energijski ioni še naprej pospešujejo pod električnim poljem in lahko spet postanejo visoko{3}}energijski ioni.
Kumulativna ionizacija, ki jo povzročajo metastabilni atomi Metastabilni atomi so dolgo{0}}živi vzbujeni atomi, ki potrebujejo le majhno dodatno energijo za nadaljnje vzbujanje ali ionizacijo. Njihova vloga poveča možnost zaporednih prehodov in kumulativne zaporedne ionizacije.
Na primer, ionizacijski potencial živega srebra je 10,434 V. Metastabilni atom živega srebra z energijo 4,66 eV mora le trčiti z elektronom z energijo 5,774 eV, da ionizira atom živega srebra. Tako prisotnost metastabilnih atomov učinkovito zniža potencial ionizacije plina, kar olajša povečanje verjetnosti ionizacije in igra pomembno vlogo pri izboljšanju stopnje ionizacije. Energija fotonov, ki jo oddaja 172 nm ekscimer žarnica, lahko pomaga pri tvorbi metastabilnih atomov, kar dodatno spodbuja proces kumulativne ionizacije.
Prenos energije od metastabilnih atomov do elektronov Ko vzbujeni metastabilni atom A_m interagira z elektronom, prenese energijo na elektron, poveča hitrost elektrona, medtem ko se vrne v osnovno stanje. Ta obratni proces vzbujanja je izražen kot: A_m + e⁻ → A + e⁻ (ε↑)
Prenos energije med vzbujenimi metastabilnimi atomi A_m in atomi osnovnega-stanja Zaradi tega je osnovni{2}}atom vzbujen, medtem ko se metastabilni atom vrne v osnovno stanje, izraženo kot: A_m + B → A + B_m
Penningov učinek Ko plinski ion A⁺ ali metastabilni atom A_m trči z drugo vrsto atoma B, če je potencial ionizacije ali vzbujanja A večji od potenciala B, trk povzroči ionizacijo B in de-vzbujanje A v osnovno stanje. Ta proces se imenuje Penningov učinek, izražen kot: A⁺ + B → A + B⁺ + e⁻ A_m + B → A + B⁺ + e⁻
Ionizacijski in vzbujevalni potenciali plinov so veliko višji kot potenciali kovin, zaradi česar so Penningovi učinki med njimi zelo verjetni in proizvajajo več kovinskih ionov. Penningov učinek je še posebej izrazit pri plazemski polimerizaciji in 172 nm ekscimer žarnica lahko poveča stopnjo vzbujanja plina, kar poveča verjetnost Penningovega učinka.
Interakcija vzbujenih metastabilnih atomov A_m z molekulami sestavljenega plina BC Ko vzbujeni metastabilni atom A_m sodeluje z molekulo sestavljenega plina BC, povzroči disociacijo molekule na osnovne delce (aktivne atome). Aktivne skupine so ionizirane v atome osnovnega -stanja, izražene kot: A_m + BC → A + B + C A_m + BC → A + B⁺ + C + e⁻
Iz zgornjih reakcij je razvidno, da po tem, ko so visoko{0}}energijski elektroni podvrženi neelastičnim trkom s plinom, da nastanejo visoko-energijski vzbujeni atomi in ioni, ti visoko-energijski delci nadaljujejo s kompleksnimi neelastičnimi trki druge-vrste z nizko-energijskimi plinskimi atomi in kovinskimi atomi. Posledica tega je veliko število ionov in atomov na različnih ravneh energije v prostoru za praznjenje, z energijami, ki so veliko višje od energije vnesenih plinskih atomov ali sveže izhlapenih kovinskih atomov. Pri aplikacijah, ki vključujejo določene vakuumske ultravijolične vire, kot je 172 nm ekscimer žarnica, lahko te interakcije dodatno povečajo učinkovitost disociacije sestavljenih plinov.
Zaradi nizke stopnje ionizacije pri žareči razelektritvi (običajno 1–3 %) se proizvede manj ionov, njihova energija pa se zmanjša po trkih z delci z nizko-energijo, medtem ko se energija atomov z nizko{3}}energijo poveča. Posledica tega je veliko število aktivnih delcev z zmerno energijo v razelektritvenem prostoru. Medtem so energije elektronov visoke, medtem ko so energije ionov in atomov relativno nizke, kar tvori ne-ravnovesno plazmo.
Toplotna ionizacija Toplotno vzbujanje in toplotno ionizacijo, ki ju povzročajo-hitrostni atomski trki, je mogoče opaziti le, ko temperatura plina preseže 3000 K.
Fotoionizacija Energija svetlobe je izražena kot energija fotona hν. Ko foton trči v atom in energija vpadnega fotona hν preseže ionizacijsko energijo atoma eU_I, pride do fotoionizacije: A + hν → A⁺ + e⁻
Ko energija fotona preseže energijo vzbujanja molekul eU_r, pride do fotovzbujanja. Mejna valovna dolžina za fotoionizacijo je označena z λ_o. Na splošno vidna svetloba ne more neposredno povzročiti fotoionizacije plina; inducirajo jo lahko samo ultravijolična svetloba kratke-valovne dolžine (kot je vakuumska ultravijolična svetloba, ki jo proizvaja 172 nm ekscimer žarnica), rentgenski-žarki, -žarki in laserji. Vendar pa je verjetnost fotoekscitacije veliko večja od fotoionizacije. Luminescenca kovin pogosto izvira iz fotonov, ki jih kovine absorbirajo in povzročajo prehode, z energijo, ki se sprosti ob povratnih prehodih: različne kovine in ravni energije oddajajo svetlobo različnih valovnih dolžin, kar ima za posledico različne barve emisij. 172 nm ekscimer žarnica ima kot učinkovit vir vakuumskega ultravijoličnega sevanja znatne prednosti pri uporabi v postopkih ionizacije,-povezanih s fotoionizacijo.
3.3.5 Priključitev in odklop
V prostoru za praznjenje se proces, kjer elektrone ujamejo atomi ali molekule, da tvorijo negativne ione, imenuje pritrditev; obratni proces, kjer se elektroni sprostijo iz negativnih ionov, se imenuje odvajanje. Razlika v osnovni energiji med nevtralnim atomom in njegovim ustreznim negativnim ionom je opredeljena kot elektronska afiniteta E_A v enotah eV.
Načini vezave, na katere nastanejo negativni ioni pri razelektritvi plina, vključujejo: A + e⁻ → A⁻ + hν (sevalna vezava) AB + e⁻ → A⁻ + B (disociativna vezava) AB + e⁻ → AB⁻ + hν (tvorba molekularno negativnih ionov) A + B + e⁻ → A⁻ + B (ε↑)
Odvajanje V plazmi mehanizmi odvajanja vključujejo: A⁻ + B → A + B + e⁻ A⁻ + B⁻ → AB + 2e⁻
Negativni ioni, ki jih tvorijo inertni plini in kovinski atomi, so zelo nestabilni; le halogenski elementi s tem, da pridobijo en elektron, da zapolnijo skrajno zunanjo lupino, tvorijo stabilne negativne ione. V razelektritvenih okoljih, ki vključujejo 172 nm ekscimer žarnico, na dinamično ravnovesje procesov pritrjevanja in odcepitve vpliva fotonska energija, s čimer se spremeni koncentracija negativnih ionov v razelektritvenem prostoru.
3.3.6 Izginotje nabitih delcev - Deionizacija
V plazmi, dobljeni pri nizkotlačni razelektritvi plina, je veliko število nabitih delcev nenehno podvrženo obratnemu procesu ionizacije: elektroni in ioni se rekombinirajo v prostoru ali na stenah ali vstopijo v elektrode in izginejo. Ta proces se imenuje deionizacija.
Izginotje nabitih delcev na elektrodah Naelektrene delce pospeši električno polje in vstopijo v elektrode z nasprotno-polarnostjo, da izginejo: elektroni vstopijo v anodo, ioni v katodo.
Rekombinacija nabitih delcev na stenah komore Delci z nasprotnimi naboji se razpršijo zaradi koncentracijskih gradientov ter trčijo in rekombinirajo na stenah komore, pri čemer odvečna energija segreva stene.
Rekombinacija nabitih delcev v vesolju Delci z nasprotnimi naboji se rekombinirajo v prostoru v različnih oblikah, kar skupaj imenujemo prostorninska rekombinacija. V razelektritvenem prostoru se pogosto pojavljajo procesi "ionizacija - rekombinacija, ionizacija - deionizacija".
Ionska{0}}elektronska rekombinacija: A⁺ + e⁻ → A + hν (sevalna rekombinacija) AB⁺ + e⁻ → A + B (disociativna rekombinacija) A⁺ + 2e⁻ → A + e⁻ (tre-telesna rekombinacija) A⁺ + e⁻ + B → A + B (tri{11}}telesna rekombinacija)
