Studium vysokofrekvenčních nízkotlakých doutnavých výbojů

Mgr. Radek Šmíd, Ph.D.

Doctoral thesis

Study of radio frequency low pressure glow discharges

Abstract:

Předmětem předkládané práce je studium vysokofrekvenčích (vf) doutnavých výbojů využívaných pro plazmatem zesílenou depozici z plyné fáze (PECVD) v induktivním a kapacitním výboji v kyslíku a hexametyldisiloxanu (HMDSO). Pro studium vlivu průtoku kyslíku a HMDSO, tlaku plynů, směsi plynů a vf výkonu byla využita Langmuirova sonda, vf planární sonda, optická emisní spektroskopie a aktinometrie. Kapacitně vázané výboje byly studovány ve válcovém depozičním reaktor a kulovém reaktoru určeném k diagnostice plazmatu. Oba reaktory byly tvořeny rovnoběžnými elektrodami. Výboj s induktivní vazbou byl pozorován ve vf helikónovém reaktoru. Koncentrace elektronů byla měřena ve středu difúzní komory vf helikonového reaktoru v argonovém a kyslíkovém výboji s induktivní a kapacitní vazbou pomocí Langmuirovy sondy. Koncentrace elektronů rostla s dodávaným výkonem do výboje jen v případě kapacitní vazby. V induktivně vázaném výboji vykazuje maximální hodnoty, saturaci nebo dokonce pokles s dodávaným výkonem. Maxima elektronové koncentrace závisejí na dodávaném výkonu, magnetickém poli v cívkách obklopujících helikónovou anténu, typu molekul a tlaku plynu. Iontové saturační proudy naměřené vf planární sondou a intenzita argonové emisní čáry, která je úměrná koncentraci elektronů, potvrdily stejné trendy jako elektronová koncentrace. Bylo ukázáno, že přidáním HMDSO do argonového nebo kyslíkového výboje snižuje iontový proud naměřený planární sondou, takže koncentrace iontů a elektronů klesá při přidávání složitějších molekul. Studium kapacitně vázaného výboje v kulovém reaktoru ukázalo, že je výboj asymetrický a má tendenci s rostoucím výkonem rozšiřovat svůj objem ke stěnám reaktoru. Studium disociačního koeficientu kyslíku v kapacitně vázaném kulovém a válcovém reaktoru pro PECVD ukazuje, že disociační koeficient vykazuje maxima při 5 Pa a klesá směrem k vyšším a nižším průtokům kyslíku při konstantním průtoku HMDSO. V optických emisních spektrech výbojů ve směsi kyslíku/HMDSO byly pozorovány čáry a pásy CO, CO2, OH, CH, H, O.

Abstract:

The subject of the thesis is the study of radio frequency (rf) glow discharges for plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) in oxygen and hexamethyldisiloxane (HMDSO) inductively and capacitively coupled discharges. Langmuir probe, rf planar probe, optical emission spectroscopy and actinometry were employed in order to study influence of oxygen/HMDSO flow rates, gas pressures, gas mixtures and rf powers. The study of capacitively coupled discharge were done in the deposition cylindrical reactor and the diagnostics spherical reactor with parallel plate electrode configuration. Inductively coupled discharge was studied in the rf helicon reactor. Electron density was measured in the center of the diffusion chamber of the rf helicon reactor in inductively and capacitively coupled argon and oxygen discharges by Langmuir probe. Electron densities in the diffusion chamber increased with increasing rf power for capacitive coupling. It exhibited maximal values, saturation or even declination with the input power in inductively coupled discharge. The electron density maxima depended on the input power, magnetic field in the coils surrounding the helicon antenna, gas molecules and gas pressures. Ion saturation currents measured by the rf planar probe and argon emission line intensity that was proportional to the electron density confirmed the same trends as electron densities. It was shown that adding the HMDSO to argon or oxygen discharge decreased the ion current measured by planar probe thus ion and electron densities decreased with addition of more complex molecules. The study in the capacitively coupled discharge of spherical reactor showed that the discharge was asymmetrical and it increased it's volume towards the grounded walls with increasing power. Study of dissociation degree of oxygen in oxygen/HMDSO capacitively coupled discharges in the spherical and the cylindrical PECVD reactor showed that the dissociation degree exhibited maxima at 5~Pa and decreased towards higher and lower oxygen flow rates while HMDSO stayed at constant flow rate. Optical emission spectra of oxygen/HMDSO discharges exhibited lines and bands of CO, CO2, OH, CH, H and O.

Keywords

kapacitní, induktivní doutnavé výboje, sondová měření, optická emisní spektroskopie, aktinometrie, capacitively, inductively coupled glow discharges, probe measurement, optical emission spectroscopy, actinometry

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 7. 2010

Thesis defence

• Date of defence: 30. 9. 2010
• Supervisor: doc. Mgr. Lenka Zajíčková, Ph.D.
• Reader: prof. Ing. Luděk Aubrecht, CSc., doc. RNDr. František Krčma, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Plasma Physics