Analysis of characteristics of inductively coupled plasmas using two-dimensional simultaneous plasma diagnostics

Abstract

본 논문에서는 과도 플라즈마 진단을 위해 2차원 동시 진단 장치를 개발하였고, 이를 적용하여, ICP 소스의 특성을 연구하였다. 기존의 2차원 진단 장치는 릴레이 회로를 이용하기 때문에 동시 측정이 어려워 정상 상태의 플라즈마만 측정 가능하다. 과도 플라즈마 측정을 위해 DAQ와 회로를 재구성하여 진단 장치를 개발하였고, 이를 핵융합 장치 KSTAR 외곽 영역 (far-SOL 영역) 플라즈마에 적용하였다. 2차원으로 측정된 결과는 경계국부모드(Edge Localized Mode, ELM) 필라멘트로 약 70 m/s의 속력을 가지고 폴로이달 방향으로 진행하는 것을 확인하였다. RF 입력 전력이 사각파 및 삼각파와 변조되어 인가된 과도 플라즈마를 진단하였다. 측정된 과도 플라즈마의 2차원 분포를 분석하여 ICP 소스의 특성을 연구하였다. 첫째로, 사각파 변조 플라즈마 (펄스 플라즈마)에서 2차원 플라즈마 분포를 1밀리초 시간 분해능으로 웨이퍼 레벨에서 측정하였다. 활성 글로우 단계 동안, 이온 선속 및 전자 온도 분포는 안테나 전력 흡수 및 중성 가스 주입의 영향을 받았다. 이로 인해, 안테나 형태의 이온 선속 분포가 측정되었으며, 중성 가스 주입 영역의 밀도가 높은 것을 확인하였다. 또한, 애프터 글로우 단계에서, 이온 선속의 분포는 확산 방정식으로 결정되는 것을 확인하였다. 전자 온도는 안테나 근처에서 먼저 감소한 후 사라졌다. 측정된 결과는 펄스 플라즈마의 일반적인 특성과 일치하였다. 두 번째로, E-H 및 H-E 모드 전이 동안의 플라즈마 2차원 분포가 100 밀리초 시간 분해능으로 웨이퍼 레벨에서 측정되었다. 인가 전력이 삼각파와 변조되어 E-H 및 H-E 모드 전이에 사용되었으며, 두 가지 다른 압력에서 전자 밀도와 전자 온도의 2차원 분포를 얻었다. E-H 모드 전이 동안, 비 국소 전자 동역학은 낮은 압력에서 유지된다. 따라서, 전자 온도의 분포는 평탄하고, 전자 밀도의 분포는 볼록하다. 그러나, 고압에서는, 전자 동역학은 비 국소에서 국소 전자 동역학으로 바뀐다. E 모드 방전에서, 전자 동역학은 비 국소적인 동역학을 따르고, H 모드 방전에서 국소적인 동역학을 따른다. 이 경우, 평탄했던 전자 온도의 분포가 볼록한 형태로 바뀐다. 전자 밀도의 경우에는, 전자 동역학의 변화에도 불구하고, E 및 H 모드 방전 모두에서 볼록한 분포를 가진다. 이러한 결과는 국소 전자 동역학 영역에서의 확산 효과로 이해될 수 있다. 또한 히스테리시스 (Hysteresis)는 상대적으로 고압인 100 mTorr에서만 관찰되었다. 이 히스테리시스의 압력 의존성은 이온화 효율로 설명이 가능하다. 이온화 효율은 아르곤 가스에서 다단계 이온화 모델 및 속도 상수 (Rate constant)에 대한 전자 에너지 분포함수 (EEPF)의 다양한 형태를 고려하여 계산되었다. 고압에서는 E-H 모드 전이 중에 드뤼베스틴(Druyvesteyn) 분포가 맥스웰 (Maxwellian) 분포로 바뀌면서 이온화 효율이 증가한다. 그러나, 저압에서는 이온화 효율은 바이 맥스웰 (bi-Maxwellian) 분포에서 맥스웰 분포로 바뀌며 감소한다. 저압과 고압에서의 상반된 이온화 효율 경향으로 인해서 히스테리시스는 고압에서만 발견된다. 또한 다단계 이온화의 압력 의존성을 확인하려고 OES를 사용하여 여기 상태의 상대적인 원자 밀도를 측정하였다. 이 결과, 또한 전력과 압력이 증가함에 따라 전체적인 여기 상태의 원자 밀도가 증가하는 것으로 나타났다. 따라서, 히스테리시스는 전자 에너지 분포함수의 변화 및 다단계 이온화에 의해 고압에서만 관찰이 된다. 이 플라즈마 동시 측정 장비를 이용하면 핵융합 플라즈마의 난제인 경계 국부 모드의 물리적 현상을 이해하는데 도움이 되며, 저온 플라즈마 방전 시, 가스 유입 효과, 아크 및 다양한 과도 플라즈마의 2차원 분포를 연구할 수 있다. 이는 산업 플라즈마뿐만 아니라 학술적인 연구에도 유용할 것으로 기대된다.; In this dissertation, two-dimensional simultaneous plasma diagnostics was developed for the observation of transient plasma such as tokamak edge plasma and pulsed plasmas. By using this plasma diagnostic tool, characteristics of the inductively coupled plasma are investigated when the rf input power is modulated with a square and ramp wave. Firstly, the two-dimensional simultaneous plasma diagnostic system is introduced. Because the previous studies of the diagnostic device use multiplexer and relays to measure plasma current sequentially, each probe needs time to operate the relay. Due to this operating time, only steady-state plasma can be measured. Thus, the time-resolved diagnostics is difficult. The DAQ and circuits were reconstructed to diagnose transient plasma. The floating harmonic method and floating harmonic sideband method were adopted. This diagnostic device was applied to the edge plasma of KSTAR tokamak. The edge localized mode (ELM) filament was observed with a speed of approximately 70 m/s in the poloidal direction through the two-dimensional results. Secondly, the characteristics of the inductively coupled plasma are investigated when the rf input power is modulated with a square and ramp wave. When the rf input power is modulated by the square wave, antenna-shaped ion flux is observed when power is turned on due to antenna-shaped power absorption caused by local electron kinetics. Moreover, the neutral gas inlet effect is observed as the ion flux in the injection area increases. When power is turned off, the radial distributions of the ion flux are followed by a diffusion solution. Furthermore, the distribution of electron temperature decreases first near the antenna position and disappears. When the rf input power is modulated by the ramp wave, the evolution of distributions during E-H and H-E mode transitions is investigated at two different pressures. At low pressure, the electron kinetics remains in the non-local region. Thus, the distributions of electron temperature are flat, and those of electron density is convex. However, at high pressure, the electron kinetics is changed from the nonlocal to the local kinetics with power. The distributions of the electron temperature are altered from flat to convex shape. Furthermore, those of the electron density at two pressures have convex shape although the electron kinetics is different. These are caused by the plasma diffusion to the wafer probe array. Between the transitions of E-H mode and reverse H-E mode transition, the hysteresis is observed. This hysteresis is obviously shown at high pressure compared to the low pressure. This can be explained by a change of collisional energy loss including effects of shape of the electron energy distribution function (bi-Maxwellian, Maxwellian, Druyvesteyn-like distribution) on the multistep ionization of excited state atoms and rate constants. During the E-H mode transition, at high pressure, Maxwellization of Druyvesteyn-like distribution is caused by enhanced electron−electron collisions, which reduces the collisional energy loss. However, at low pressure, Maxwellization of bi-Maxwellian distribution increases the collisional energy loss. These mean that the ionization efficiency is increased at high pressure. In addition, the increase of the multistep ionization at high pressure is confirmed by using optical emission spectroscopy. The overall density of excited state atoms is increased with pressure and power, which is evidence of an increase of the multistep ionization. Thus, the hysteresis is strengthened at high pressure because the increase of the multistep ionization and the change of electron energy distribution function enhances the ionization efficiency.