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准分子激光器用铜电极研究进展.pdf
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1、第 卷 第 期有色金属加工 年 月 :./.准分子激光器用铜电极研究进展阚金锋吕成伟马 放齐石磊张 旭(北京科益虹源光电技术有限公司北京)收稿日期:作者简介:阚金锋()男硕士工程师主要从事准分子激光器用新材料的研发摘 要:文章通过分析准分子激光器用电极的腐蚀机理重点介绍了铜合金电极在材料设计、组织调控和结构优化等方面的研究进展并最终指出了准分子激光器用铜电极的改进方向关键词:铜合金电极准分子激光器腐蚀机理氟腐蚀行为中图分类号:.文献标识码:文章编号:()或 等准分子激光器具有高输出功率大脉冲能量和短波长等优点在半导体、光伏、制造业和医疗领域有着广泛的应用 其工作原理为在腔室中通入气体放电介质然
2、后在电极之间施以高电压气体电离放电后便会产生脉冲激光 由于激光器内的含氟放电介质对材料具有强烈的腐蚀作用因此会产生电极变形氟气浓度降低杂质和有害气体生成等问题电极作为最容易与放电介质发生反应的部件含氟等离子体对其具有高度的腐蚀性腔室内电极经反复使用后便会发生侵蚀和腐蚀 侵蚀和腐蚀会导致放电间隙宽度的增加和放电扩展这两种现象都会导致放电中的能量密度降低反过来又驱使需要增加维持能量输出所必须的电极两端的电压差 另外放电扩展降低了气流的清除率导致增加的下游电弧放电从而导致能量损失和由此产生的剂量误差 一旦剂量误差率增加到预定的阈值以上则认为电极已达到其使用寿命需要进行更换 电极腐蚀机理通常准分子激光
3、器中的阳极腐蚀是阴极腐蚀的两到三倍电极腐蚀是氟侵蚀和离子溅射等多种物理现象综合作用的结果 对阳极腐蚀以 离子冲蚀、腐蚀为主该反应通常发生在第一脉冲后的脉冲爆发中每个脉冲的前几纳秒 在这段时间间隔内离子会与电极原子结合产生氟化物在阳极表面形成各种 斑 点 由 于 腐 蚀 斑 点 的 外 观 类 似 于 珊 瑚 暗礁将该金属氟化物腐蚀产物称为“暗礁层”或“暗礁化”暗礁形成是金属和氟腐蚀反应的剥离腐蚀阶段该腐蚀反应首先起始于表面腐蚀反应且随时间转变成亚表面腐蚀反应(称为内部氟化)如图 所示()表面氟化反应()内部氟化反应图 阳极氟化反应示意图 表面上的金属氟化物和下面黄铜晶格结构和热应力不匹配使腐蚀
4、产物 遭受毕林彼德沃尔斯()应力导致腐蚀产物剥落同时等离子体的作用还可致使腐蚀产物蒸发 当氟透过 第 期有色金属加工黄铜扩散并在亚表面空穴中累积时发生暗礁形成或剥离腐蚀 空穴的形成不是因为 和 穿过黄铜晶格自扩散差异造成的而是在强电场和相关的高电流密度作用下空穴聚集和金属离子向外扩散的结果显著增加阳极的耐蚀性可通过消除形成电极材料中的微孔性、阻塞空位、降低阳极成分的自扩散速率和降低晶粒边界对氟扩散的易感性等措施来进行改善对于阴极腐蚀主要是由/(激光器)或/(激光器)的正离子在阴极下落区产生的溅射引起的 等对大量由 组成的阴极铜基电极检查表明一些阴极腐蚀是由锌扩散到表面造成的 等证实黄铜合金阴极
5、的侵蚀率与合金中锌含量呈相对线性的趋势且该变化趋势是由锌蒸发和母合金优先溅射机制共同作用的结果 锌通过减少铜组织中的滑移系有助于强化铜合金 它还提高了铜合金的溅射率和蒸气压同时降低了材料的熔点但是锌与氟的反应比与铜的反应强因此阴极腐蚀主要为脱锌腐蚀 铜合金电极的研究热点黄铜()合金具有良好的机械加工性能和耐腐蚀性同时还具有较高的导电、导热特性因此常被用作激光系统的放电电极 但是随着准分子激光器的要求越来越高对黄铜合金电极的耐氟化性和使用寿命提出了新的挑战.铜电极材料的设计.成分设计()掺铅铜合金电极 最早应用到激光电极中的改良黄铜材料为铅黄铜铅()不固溶于铜呈黑色质点存在于晶界上经压力加工呈游
6、离态孤立分布于固溶体中有相当强的润滑和减磨作用 另一方面铜基电极材料中含有少量的 元素可以在阳极放电表面上形成一层良好稳定的多孔氟化物层 电极表面的 原子与激光系统中的 接触形成氟化物氟化铅是一种非常稳定的化合物比氟化铜和氟化锌稳定得多因此可以阻止氟离子和氟原子进一步腐蚀电极材料()掺磷铜合金电极 磷()元素具有阻塞空位或减缓透过金属晶格自扩散的作用同时在浇铸时磷元素还有对黄铜脱气的效果从而降低合金的微孔性 等往黄铜合金中加入少量的 元素(含量 )通过对比实验得知 掺杂黄铜电极相比普通电极具有更长的使用寿命 图 为磷掺杂和普通黄铜(弹壳黄铜)电极面向等离子体方向的表面光学显微照片 如图所示掺磷
7、黄铜电极表面较光滑只在边缘发生少量的腐蚀内部基本上不含有金属氟化物腐蚀产物(暗斑)而普通黄铜电极表面已开始呈现显著的腐蚀其边缘和内部均出现大量的暗斑该斑点会使得激光器腔室内发生电弧放电()磷掺杂黄铜电极侵蚀后光学照片 ()普通黄铜电极侵蚀后光学照片图 磷掺杂和黄铜电极侵蚀后光学照片 ()掺铋铜合金电极 铋()原子由于大而笨重不易形成氟化物会优先偏析于黄铜合金的晶界中阻碍或显著减少氟沿晶界的扩散 此外铋可直接与黄铜晶格的空位相互作用并固定它们从而防止空位聚集成更大的孔洞 这种空位的固定使得氟很难扩散到黄铜中因为空位运动促进了氟(或任何原子)通过黄铜晶格的扩散 受限的空位运动也有抑制锌和铜在黄铜内
8、部自扩散总体水平的趋势以及金属离子运动出电极 等往黄铜合金中掺入约的 元素验证得知铋黄铜合金相比普通黄铜电极更具耐蚀性图 为对铋黄铜和普通黄铜电极进行动态热氟化热重量分析()测试后的显微组织照片 对于铋黄铜电极来说由于铋在铜锌合金中相对不溶且铋与氟的反应速度比铜或锌与氟的反应速度慢得多因此在电极表面形成一层含有氟化铜()、氟化锌()和少量三氟化铋()的有效保护层保护电极材料不受氟的进一步攻击 而对于普通黄铜电极 有色金属加工第 卷由于其基体中不含任何的弥散相因此其表面会有大量相互连接的孔隙沿晶界分布的孔隙会形成孔氟可以渗透到材料深处导致电极表面侵蚀()铋黄铜样品横截面显微组织照片 ()黄铜样品
9、横截面显微组织照片图 铋黄铜与黄铜电极 测试后横截面显微组织照片.铜电极材料的结构设计()氧化铝保护层电极 氧化铝()具有高热稳定性能够承受激光系统高脉冲率电流和反复的高温冲击同时 还拥有 /优异的介电强度因此使其成为绝佳的耐腐蚀绝缘体将微小的 绝缘颗粒与熔融的 黄铜粉末混合然后将混合物模压成与沟槽型腔匹配的结构再将其精确加工成零件如图 所示通常 颗粒尺寸为 颗粒占混合物体积的 该电极使用后表面黄铜会溅射出去在表面上只留下能抵抗氟化物反应的 此外该绝缘材料还可以选择 和 等()多孔 层电极结构图 ()多孔 层局部放大图图 多孔 保护层铜电极 等利用阳极氧化技术在黄铜电极表面上制备了一层 保护层
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