Komplexní diagnostika reaktivního plazmatu doutnavého výboje

Mgr. Pavel Dvořák, Ph.D.

Doctoral thesis

Complex diagnostics of reactive glow discharges

Abstract:

Dizertační práce "Komplexní diagnostika reaktivního plazmatu doutnavého výboje" se věnuje převážně diagnostice nízkotlakého, vodíkového, vysokofrekvenčního (13,56\,MHz), kapacitně vázaného výboje. Experimenty byly prováděny v kulovém vakuovém reaktoru z nerezové oceli se dvěma rovnoběžnými kruhovými elektrodami, z nichž jedna byla zemněná a na druhou bylo přivedeno vf. napětí. K diagnostice byla použita vysokofrekvenčně kompenzovaná Langmuirova sonda s referenční sondou, nekompenzovaná napěťová sonda, dále pak hmotnostní a energiová analýza kladných iontů a neutrálního plynu a optická emisní spektroskopie. Spočítal jsem citlivost vstupní iontové optiky použitého hmotnostního a energiového analyzátoru (PPM 421 Balzers) a její závislost na energii iontů. V práci se věnuji studiu dvou režimů lišících se především potenciálem plazmatu. Skokový přechod mezi režimy není vázán pouze na vodíkové výboje. Je vyvolán změnou tlaku nebo vf. výkonu a vykazuje hysterezi. Přechod provázela několikanásobná změna potenciálu plazmatu, pokles stejnosměrného napětí na stěnové vrstvě prostorového náboje u vf. elektrody, změna asymetrie a vzhledu výboje. Pomocí rovnic popisujících obecné vlastnosti stěnových vrstev se mi podařilo vysvětlit existenci právě dvou režimů i jejich základní vlastnosti. Pomocí referenční sondy byla prokázána nelinearita stěnové vrstvy (tj. závislost odporu stěnové vrstvy na protékajícím stejnosměrném proudu), která závisela především na proudu tekoucím vrstvou. Parametry stěnové vrstvy měly na její nelinearitu malý vliv. Bylo ukázáno, že uvedené nelineární chování může být v některých případech využito k odhadu parametrů plazmatu tam, kde není možné věrohodně interpretovat měření Langmuirovou sondou, např. ve stěnových vrstvách. Práce dále uvádí závislosti parametrů vodíkového výboje na tlaku, poloze ve výboji a vf. výkonu a okrajově se dotýká problematiky příměsí (Ar, N2 a O2). Při nízkém tlaku jsem pozoroval tenkou, intenzivně zářící "horkou" vrstvu na okraji oblasti prostorového náboje u horní elektrody odpovídající ostrému maximu koncentrace a energie elektronů. Mezi detekovanými ionty (H3+, H2+, H+) se vyskytovaly rychlé ionty H+ s energií o cca 10 eV překračující hodnotu odpovídající maximu potenciálu plazmatu. Jejich existence byla vysvětlena disociační ionizací molekul H2 přes repulzivní stav "2 Sigma u+" aktivovanou vysokoenergetickými elektrony, jejichž přítomnost byla potvrzena pomocí Langmuirovy sondy. Dále jsem studoval např. frekvenční spektrum potenciálu plazmatu, tvar a základní momenty rozdělovací funkce elektronů, teploty charakterizující plazma nebo disociační stupeň molekul vodíku.

Abstract:

The main object of this work was the diagnostics of the low-pressure, high-frequency, capacitively coupled hydrogen plasma. The experiments were carried out in a spherical stainless steel reactor with two horizontally mounted, parallel, stainless steel electrodes of 80 mm in diameter. The upper electrode, embedded in a grounded ring, was driven at the frequency of 13.56 MHz. The bottom electrode was grounded. For diagnostic purposes I used the RF compensated Langmuir probe with a reference probe, an uncompensated potential probe, a positive ion mass and energy spectrometer (PPM 421 Balzers) and the optical emission spectroscopy. I calculated the energy-dependent transmission function of the entry ion optics of the PPM. Two regimes of discharge were studied. They differed mainly in the plasma potential, the dc voltage between the plasma and the powered electrode, the discharge asymmetry and the visual appearance of the discharge. The abrupt transition between the regimes was induced by a change of the gas pressure or the RF power and it showed a hysteresis. The existence of the two regimes and their basic properties were explained by means of well-known equations, that describe the sheaths in capacitively coupled discharges. The nonlinearity of the sheath for dc current was proved, i.e. the sheath resistance depended on the dc current flowing through the sheath. The nonlinearity depended mainly on the dc current, the parameters of the sheath were not very important. It was shown, that the nonlinear behaviour can be used in some cases for the approximate evaluation of the plasma parameters, especially in the sheaths, where the interpretation of the Langmuir probe measurements is not reliable. This work shows the dependences of the plasma parameters describing the hydrogen capacitively coupled discharge on the gas pressure, the position in the discharge and the RF power. It marginally concerns the problems of the admixtures of Ar, N2 and O2. At low pressure there was observed a thin, intensively radiating layer at the plasma-sheath boundary at the RF electrode. In this layer the electron concentration and temperature had sharp maxima. Among the detected ions (H3+, H2+, H+) there was detected a group of fast H+ ions with kinetic energy approx. 10 eV higher than the maximum value of the energy gained in the sheath. The presence of this group was explained by the dissociative ionisation of molecules H2 via the repulsive state 2 Sigma u+, that was activated by high-energy electrons. Further the frequency spectrum of the plasma potential, the shape of the EED and its most important moments, the temperatures characterizing the plasma, dissociation degree of the hydrogen molecules and other subjects were studied.

Keywords

plazma, kapacitně vázaný výboj, vodík, diagnostika, režimy plazmatu, plasma, capacitively coupled discharge, hydrogen, diagnostics, plasma regimes

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 1. 2006

Thesis defence

• Date of defence: 25. 1. 2006
• Supervisor: prof. RNDr. Jan Janča, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Plasma Physics