Prosesau sy'n gysylltiedig ag ïoneiddiad mewn platio ïon â lampau excimer 172 nm
3.3.3 Electron-Gwrthdrawiadau Nwy yn Arwain at Ionization
(1) Proses ionization
Pan fydd electron yn gwrthdaro â nwy, mae electron yn lefel egni isaf atom niwtral A yn amsugno egni o'r electron digwyddiad, yn dianc o'r cyfyngiad atomig, ac yn gadael yr atom. Mae'r atom yn troi'n ïon positif A⁺ gan golli electron, a chynhyrchir electron ychwanegol yn y gofod rhyddhau. Gelwir y broses hon yn ionization. Mynegir y broses ïoneiddiad fel: A + e⁻ → A⁺ + 2e⁻
Gelwir yr egni sy'n cael ei amsugno yn ystod ionization yn egni ionization, a gelwir y potensial sydd ei angen i roi'r egni ïoneiddiad hwn i'r atom yn botensial ionization, a ddynodir fel U_I. Mae Tabl 3-3 yn rhestru'r potensial ionization U_I ar gyfer rhai elfennau. Cyfeirir at y math hwn o broses ionization fel y math cyntaf o wrthdrawiad anelastig [3-7].
Gelwir y broses o ïoneiddio un electron o atom yn ïoneiddiad cynradd; colli dau electron yn ionization uwchradd; colli tri yn ionization trydyddol. Os caiff electronau eu ïoneiddio fesul un, fe'i gelwir yn ïoneiddiad olynol; os yw dau neu fwy o electronau yn cael eu ïoneiddio ar unwaith, fe'i gelwir yn ionization lluosog, a gelwir yr ïon canlyniadol yn ïon â gwefr luosi. Anaml y mae'r broses olaf yn digwydd.
Mewn technoleg platio ïon modern, gall y golau uwchfioled gwactod (VUV) a gynhyrchir gan lamp excimer 172 nm gynorthwyo i wella effeithlonrwydd ïoneiddio trwy ddarparu cyffro ynni ychwanegol ar gyfer y broses ïoneiddio.
(2) Cyfernod Ionization Gwahaniaethol
Er bod egni electron yn fwy na'r potensial ionization neu'r potensial cyffroi, nid yw pob gwrthdrawiad yn arwain at ïoneiddiad neu gyffro. Gelwir y gyfran sy'n arwain at ionization neu excitation yn debygolrwydd ionization neu'r tebygolrwydd excitation, yn y drefn honno.
Mae maint y tebygolrwydd ionization yn dibynnu ar yr egni electronau. Diffinnir nifer yr ïonau a gynhyrchir gan electron sy'n teithio 1 cm mewn nwy ar bwysedd o 133.3 Pa a 0 gradd fel y cyfernod ïoneiddiad gwahaniaethol, a ddynodir fel S_e. Yn yr un modd, mae cyfernod cyffroi gwahaniaethol.
Mae Ffigur 3-4 yn dangos y cromliniau perthynas rhwng y cyfernod ïoneiddiad gwahaniaethol S_e ac egni electronau ε ar gyfer sawl nwy [3]. Fel y dangosir yn Ffigur 3-4, mae'r cromliniau ar gyfer nwyon amrywiol fel arfer yn dangos uchafswm, gyda'r brig yn ymddangos yn yr ystod eV 50-100. (Ffigur 3-4: Cromliniau perthynas rhwng y cyfernod ionization gwahaniaethol S_e ac egni electron ε ar gyfer nwyon. Yr echelin fertigol yw "Cyfernod ionization Gwahaniaethol (ïonau)", yr echel lorweddol yw ynni electron, ac mae'r cromliniau'n cynnwys Hg, Ar, Ne, He, H₂.)
Pan fo'r egni electron yn rhy uchel, mae gradd ionization nwy yn gostwng yn lle hynny. Mae hyn oherwydd, yn ystod y cyswllt rhwng yr electron digwyddiad a'r atom nwy, mae gwahanu'r electron mwyaf allanol o'r cyfyngiad cnewyllyn atomig i gynhyrchu ïoneiddiad yn gofyn am amser cyfnewid ynni penodol. Os yw'r egni electron yn uchel iawn ac mae ei gyflymder yn rhy gyflym, mae'r amser rhyngweithio rhwng yr electron a'r atom yn fyr iawn, yn annigonol ar gyfer cyfnewid ynni, gan arwain at gyfernod ionization gwahaniaethol is.
Mae'r foltedd mewn gollyngiad glow yn uwch na 1000 V, tra mewn gollyngiad arc mae'n 20-70 V. Mae'r cyfernod ïoneiddiad gwahaniaethol mewn gollyngiad arc yn fwy na'r hyn mewn gollyngiad glow. Felly, mae dwysedd ïonau nwy ac ïonau metel mewn gollyngiad arc lawer gwaith yn uwch nag mewn gollyngiad glow. Gyda chymorth arbelydru o lamp excimer 172 nm, gellir gwneud iawn yn rhannol am y gyfradd ïoneiddiad isel mewn gollyngiad glow.
(3) Cyfradd ionization
Y gyfradd ionization yw cymhareb nifer yr ïonau a gynhyrchir ar ôl rhyddhau nwy i gyfanswm nifer yr atomau, a ddynodir fel [3–6,8], gyda'r fformiwla:=(n_i) / (n_i + n_a)=n_i / n_o
lle: n_i - nifer yr ïonau; n_a - nifer o atomau niwtral; n_o - cyfanswm nifer y gronynnau trwm.
Mewn prosesau cotio, os yw n_i yn cynrychioli nifer yr ïonau metel a n_o cyfanswm yr ïonau metel ac atomau niwtral, yna mae'r gyfradd ïoneiddiad metel.
3.3.4 Ail Fath o Wrthdrawiad Anelastig
Gelwir cyffro ac ioneiddiad a achosir gan ffactorau eraill yn ail fath o wrthdrawiad anelastig [3-12].
Proses Trosglwyddo Gwefr a Achosir gan Ionau Positif Pan fydd ïon positif yn gwrthdaro ag atom nwy, mae cyfrannu hanner ei egni i ïoneiddio atom nwy o fàs tebyg yn gofyn am egni uchel iawn i'r ïon positif. Fodd bynnag, mewn gollyngiad nwy, dim ond ffracsiwn bach o ïonau positif sy'n cyrraedd egni mor uchel, felly mae'r tebygolrwydd ionization a achosir gan ïonau positif yn isel iawn.
Fodd bynnag, mae'r broses trosglwyddo gwefr rhwng ïonau positif ac atomau yn gymharol hawdd: pan fydd ïon ynni uchel yn gwrthdaro ag atom ynni niwtral isel, dim ond cyfnewid gwefr sy'n digwydd heb gyfnewid ynni, gan arwain at atom ynni niwtral uchel ac ïon ynni isel. Gelwir y broses hon yn drosglwyddiad tâl, a fynegir fel: A⁺ + B (ε↓) → A + B⁺ (ε↓)
Mae'r broses trosglwyddo gwefr yn digwydd yn amlach o lawer na gwrthdrawiadau anelastig ac mae'n un o'r ffynonellau pwysig o ïonau ac atomau ynni niwtral uchel yn y gofod gollwng. Mae ïonau ynni isel yn parhau i gyflymu o dan y maes trydan a gallant ddod yn ïonau ynni uchel eto.
Ïoneiddiad Cronnus a Achosir gan Atomau Metastable Mae atomau metastabl yn atomau cynhyrfus hirhoedlog sydd angen dim ond ychydig o egni ychwanegol i gael eu cyffroi neu eu ïoneiddio ymhellach. Mae eu rôl yn cynyddu'r posibilrwydd o drawsnewidiadau olynol ac ïoneiddiad olynol cronnus.
Er enghraifft, mae potensial ïoneiddiad mercwri yn 10.434 V. Mae angen atom metastabl mercwri ag egni 4.66 eV yn unig wrthdaro ag electron sydd â 5.774 eV egni i ïoneiddio'r atom mercwri. Felly, mae presenoldeb atomau metastable yn lleihau'r potensial ionization nwy yn effeithiol, gan hwyluso cynnydd mewn tebygolrwydd ionization a chwarae rhan bwysig wrth wella'r gyfradd ionization. Gall yr egni ffoton a allyrrir gan lamp excimer 172 nm gynorthwyo i ffurfio atomau metastabl, gan hyrwyddo ymhellach y broses ïoneiddio cronnus.
Trosglwyddo Egni o Atomau Metastabl i Electronau Pan fydd atom metasefydlog llawn cyffro A_m yn rhyngweithio ag electron, mae'n trosglwyddo egni i'r electron, gan gynyddu buanedd yr electron, tra'n dychwelyd i gyflwr y ddaear. Mynegir y broses cyffroad gwrthdro hon fel: A_m + e⁻ → A + e⁻ (ε↑)
Trosglwyddo Egni Rhwng Atomau Metastable Cynhyrfus A_m a'r Ddaear-Cyflwr Atomau Mae hyn yn gwneud i'r ddaear-cyflwr yr atom gyffro tra bod yr atom metasefydlog yn dychwelyd i gyflwr y ddaear, wedi'i fynegi fel: A_m + B → A + B_m
Effaith corlannu Pan fydd ïon nwy A⁺ neu atom metasefydlog A_m yn gwrthdaro â math gwahanol o atom B, os yw potensial ïoneiddiad neu gyffro A yn fwy na photensial B, mae'r gwrthdrawiad yn arwain at ïoneiddiad B a dad-cyffro A i gyflwr y ddaear. Gelwir y broses hon yn effaith Penning, a fynegir fel: A⁺ + B → A + B⁺ + e⁻ A_m + B → A + B⁺ + e⁻
Mae potensial ïoneiddiad a chyffro nwyon yn llawer uwch na rhai metelau, gan wneud effeithiau Penning rhyngddynt yn debygol iawn a chynhyrchu mwy o ïonau metel. Mae'r effaith Penning yn arbennig o amlwg mewn polymerization plasma, a gall lamp excimer 172 nm wella maint y cyffro nwy, gan gynyddu'r tebygolrwydd o effaith Penning.
Rhyngweithio Atomau Metastable Cyffrous A_m â Moleciwlau Nwy Cyfansawdd BC Pan fydd atom metastabl cynhyrfus A_m yn rhyngweithio â moleciwl nwy cyfansawdd BC, mae'n achosi i'r moleciwl ddatuno'n ronynnau elfennol (atomau actif). Mae'r grwpiau gweithredol yn cael eu ïoneiddio i mewn i atomau cyflwr - wedi'u mynegi fel: A_m + BC → A + B + C A_m + BC → A + B⁺ + C + e⁻
O'r adweithiau uchod, mae'n amlwg bod electronau ynni uchel yn mynd trwy wrthdrawiadau anelastig â nwy i gynhyrchu atomau ac ïonau egni uchel, mae'r gronynnau egni uchel hyn yn ymgysylltu ymhellach ag ail wrthdrawiadau anelastig caredig ag atomau nwy ynni isel ac atomau metel. Mae hyn yn arwain at nifer fawr o ïonau ac atomau ar lefelau egni amrywiol yn y gofod gollwng, gydag egni llawer uwch na rhai'r atomau nwy a gyflwynwyd neu atomau metel wedi'u hanweddu'n ffres. Mewn cymwysiadau sy'n cynnwys rhai ffynonellau uwchfioled gwactod fel y lamp excimer 172 nm, gall y rhyngweithiadau hyn wella effeithlonrwydd daduniad nwyon cyfansawdd ymhellach.
Oherwydd y gyfradd ïoneiddiad isel mewn gollyngiad glow (1%-3% fel arfer), cynhyrchir llai o ïonau, ac mae eu hegni'n lleihau ar ôl gwrthdrawiadau â gronynnau ynni isel, tra bod ynni atomau ynni isel yn cynyddu. Mae hyn yn arwain at nifer fawr o ronynnau gweithredol gydag egni cymedrol yn y gofod rhyddhau. Yn y cyfamser, mae egni electronau yn uchel, tra bod egni ïon ac atom yn gymharol isel, gan ffurfio plasma nad yw'n gydbwysedd.
Ïoneiddiad Thermol Dim ond pan fydd tymheredd y nwy yn cyrraedd uwchlaw 3000 K y gellir gweld cyffro thermol ac ïoneiddiad thermol a achosir gan wrthdrawiadau atomig cyflym iawn.
Ffoto-ioneiddiad Mae egni golau yn cael ei fynegi fel egni ffoton hν. Pan fydd ffoton yn gwrthdaro ag atom ac mae egni ffoton digwyddiad hν yn fwy nag egni ïoneiddiad yr atom eU_I, mae ffoto-ioneiddiad yn digwydd: A + hν → A⁺ + e⁻
Pan fydd egni'r ffoton yn fwy na'r egni excitation moleciwlaidd eU_r, mae ffotoexcitation yn digwydd. Dynodir y donfedd gyfyngol ar gyfer ffotoioneiddiad fel λ_o. Yn gyffredinol, ni all golau gweladwy achosi ffotoionization nwy yn uniongyrchol; dim ond golau uwchfioled tonfedd byr (fel y golau uwchfioled gwactod a gynhyrchir gan lamp excimer 172 nm), pelydrau X, -pelydrau, a laserau sy'n gallu ei ysgogi. Fodd bynnag, mae'r tebygolrwydd o ffotogyffroi yn llawer uwch na'r un o ffotoionization. Mae goleuedd metel yn aml yn tarddu o ffotonau sy'n cael eu hamsugno gan fetelau gan achosi trawsnewidiadau, gydag egni'n cael ei ryddhau ar drawsnewidiadau dychwelyd: mae gwahanol fetelau a lefelau egni yn allyrru golau o donfeddi gwahanol, gan arwain at liwiau allyriadau gwahanol. Mae gan y lamp excimer 172 nm, fel ffynhonnell uwchfioled gwactod effeithlon, fanteision cymhwysiad sylweddol mewn prosesau platio ïon sy'n gysylltiedig â ffoto-ioneiddio.
3.3.5 Ymlyniad a Datgysylltiad
Yn y gofod rhyddhau, gelwir y broses lle mae electronau'n cael eu dal gan atomau neu foleciwlau i ffurfio ïonau negatif yn ymlyniad; gelwir y broses wrthdroi, lle mae electronau'n cael eu rhyddhau o ïonau negatif, yn ddatgysylltu. Diffinnir y gwahaniaeth mewn egni sylfaen rhwng atom niwtral a'i ïon negatif cyfatebol fel yr affinedd electronau E_A, mewn unedau eV.
Ymlyniad Mae ffyrdd o ffurfio ïonau negatif mewn gollyngiad nwy yn cynnwys: A + e⁻ → A⁻ + hν (ymlyniad ymbelydrol) AB + e⁻ → A⁻ + B (atodiad datgysylltiol) AB + e⁻ → AB⁻ + hν (ffurfiant ïonau negatif moleciwlaidd) A + B + e⁻ → A⁻ + B (ε⁑)
Datgysylltiad Mewn plasma, mae mecanweithiau datgysylltu yn cynnwys: A⁻ + B → A + B + e⁻ A⁻ + B⁻ → AB + 2e⁻
Mae ïonau negyddol a ffurfiwyd gan nwyon anadweithiol ac atomau metel yn hynod ansefydlog; dim ond elfennau halogen, trwy ennill un electron i lenwi'r plisgyn mwyaf allanol, ffurfio ïonau negatif sefydlog. Mewn amgylcheddau rhyddhau sy'n cynnwys lamp excimer 172 nm, mae egni ffoton yn dylanwadu ar gydbwysedd deinamig y prosesau ymlyniad a datgysylltu, gan newid y crynodiad ïon negyddol yn y gofod rhyddhau.
3.3.6 Diflaniad Gronynnau Cyhuddedig - Deionization
Yn y plasma a geir o ollwng nwy pwysedd isel, mae nifer fawr o ronynnau wedi'u gwefru yn mynd trwy'r broses ïoneiddiad i'r gwrthwyneb yn barhaus: mae electronau ac ïonau yn ailgyfuno yn y gofod neu ar waliau, neu'n mynd i mewn i electrodau ac yn diflannu. Gelwir y broses hon yn deionization.
Diflaniad Gronynnau wedi'u Gwefru ar Electrodau Mae gronynnau wedi'u gwefru yn cael eu cyflymu gan y maes trydan ac yn mynd i mewn-electrodau polaredd i ddiflannu: mae electronau'n mynd i mewn i'r anod, mae ïonau'n mynd i mewn i'r catod.
Ailgyfuno Gronynnau wedi'u Gwefru ar Waliau Siambr Mae gronynnau â gwefrau cyferbyniol yn tryledu oherwydd graddiannau crynodiad ac yn gwrthdaro ac yn ailgyfuno ar waliau'r siambr, gyda gormod o ynni yn gwresogi'r waliau.
Ailgyfuno Gronynnau wedi'u Gwefru yn y Gofod Mae gronynnau â gwefrau cyferbyniol yn ailgyfuno yn y gofod mewn gwahanol ffurfiau, a elwir gyda'i gilydd yn ailgyfuno cyfaint. Yn y gofod rhyddhau, mae prosesau "ionization - recombination, ionization - deionization" yn digwydd yn aml.
Ion{0}}Ailgyfuniad Electron: A⁺ + e⁻ → A + hν (ailgyfuniad ymbelydrol) AB⁺ + e⁻ → A + B (ailgyfuniad dissociative) A⁺ + 2e⁻ → A + e⁻ (tri-ailgyfuniad corff) A⁺ + B + A⁺ (tri-ailgyfuniad corff)
