유도결합 플라즈마의 광학적 진단 및 E-H 모드 전환에서 준안정 원자 밀도의 거동

Abstract

준안정 준위 원자는 바닥상태로의 전이가 광학적으로 금지(optically forbidden)되어 있기 때문에 긴 수명을 가진다. 이러한 특성 때문에 각종 플라즈마에서 준안정 준위 원자는 플라즈마의 동작에 핵심적인 역할을 한다. 따라서 플라즈마를 안정적으로 제어하기 위해서는 준안정 준위 원자에 대한 이해가 필요하다. 본 연구에서는 유도 결합 플라즈마 (inductively coupled plasma, ICP) 발생 장치를 구성하고 헬륨(He)과 아르곤(Ar) 플라즈마를 발생시켰다. 또한 두 플라즈마에서의 헬륨 및 아르곤 준안정 준위 원자밀도 측정을 위한 레이저 흡수분광 시스템 (absorption speCTROSCopic system)을 구성하고, 플라즈마 내의 준안정 준위 원자밀도를 측정하였다. 플라즈마로부터의 방출광 스펙트럼 (optical emission spectrum) 측정을 통하여 플라즈마의 상태를 진단할 수 있었으며, 특히 방출광 스펙트럼의 급격한 변화에 의해 플라즈마의 E-H 모드 전환을 진단할 수 있었다. 두 플라즈마에서 RF 전압, 기체 압력의 동작조건에 따른 E-H 모드 전환을 관측하였으며, E-H 모드 전환에 따른 준안정 준위 원자밀도 변화를 측정하고, 이를 통하여 플라즈마 동작 모드 전환과 준안정 준위 원자밀도 변화 간의 상관 관계를 분석 및 논의하였다. 먼저 헬륨의 경우, RF 전압과 기체 압력에 따른 방출광 스펙트럼을 측정하고, 방출광 세기 변화를 측정하여 E 모드와 H 모드 두개의 동작 모드를 확인하였으며, H 모드로 전환될 때 방출광 세기가 급격하게 증가함을 확인하였다. 이를 통해 확인된 동작모드에 대해 레이저 흡수 분광법으로 23S, 21S준안정 준위의 밀도변화를 측정하였으며, E 모드에서 H 모드로 전환할 때 23S, 21S 원자밀도 모두 증가하였으나, 23S원자 밀도가 21S 원자밀도에 비해 더 큰 폭으로 증가하였다. 아르곤의 경우 레이저 흡수 분광법 뿐만 아니라 방출광 스펙트럼을 이용하여 준안정 준위 원자밀도를 진단하였다. 진단된 결과는 레이저 흡수 분광법을 이용해 측정한 결과와 비교, 분석하였다. 흡수 분광법으로 측정한 결과보다 방출광 스펙트럼을 이용해 진단한 결과가 높은 밀도로 진단되었으나, 변화하는 경향성은 레이저 흡수 분광법으로 측정한 결과와 유사하였다. 아르곤 유도결합 플라즈마에서도 헬륨과 동일하게 E 모드와 H 모드를 관측하였으나, 아르곤 플라즈마의 경우는 H 모드에서 RF 파워가 증가할수록 준안정 준위 원자밀도가 오히려 감소함을 확인하였다. 이러한 헬륨과 아르곤의 준안정 준위 원자 밀도의 거동 차이는 준안정 준위보다 윗준위(헬륨의 경우 23P, 아르곤의 경우 4s)의 영향으로 나타난다. 아르곤은 헬륨에 비해 단계적 이온화(stepwise ionization)과정이 전체 이온화에 차지하는 비율이 크다고 알려졌으며, 이온화를 통해 전자가 생성되는 과정에서 4p 준위의 원자가 단계적 이온화 과정을 통해 소모되기 때문에 헬륨과의 차이가 나타난다고 판단된다. |Atoms in metastable states have long lifetime because transition to the ground state is optically forbidden. Because of these properties, metastable atoms in various plasmas play a key role in the operation of plasmas. Therefore, to stably control plasma, it is necessary to understand metastable atoms. In this study, an inductively coupled plasma (ICP) source was constructed and helium and argon plasmas were generated. In addition, a laser absorption spectroscopic system was constructed to measure the helium and argon metastable atom densities in helium and argon plasmas. It was possible to diagnose the state of plasma by measuring the optical emission spectrum from the plasma. Especially, the E-H mode transition of the plasma was confirmed by rapid increase in the emission light spectrum. E-H mode transition was observed according to the operating conditions of RF power and gas pressure in both plasmas. and the change in the metastable atom density according to the E-H mode transition was measured. The correlation between the E-H mode transition and the change in the metastable atom density was analyzed and discussed. First, in the case of helium plasma, two operation modes of E and H were confirmed by measuring the change in the emission light intensity according to the RF voltage and gas pressure. It was observed that the emitted light intensity rapidly increased when switched to H mode. In the operation modes confirmed by the intensity measurement, the density changes of the 23S and 21S metastable levels were measured. When the E-H mode transition occurred, both the 23S and 21S atomic densities increased, but the 23S atomic density increased significantly compared to the 21S atomic density. In the case of argon plasma, the metastable level atomic density was diagnosed by using not only the laser absorption spectroscopy (LAS) but also the optical emission spectroscopy (OES). Diagnosis results by OES were compared and analyzed with results measured by using the LAS. The result of diagnosis using the OES was higher in density than the result measured by absorption spectroscopy, but the tendency to change was similar with the result measured by the LAS. In argon inductively coupled plasma, E mode and H mode were also observed as in the helium plasma, but the atomic density of metastable state decreased as the RF power increased in H mode. This difference in the behavior of the metastable atom density between helium and argon is due to the influence of a level higher than the metastable level (23P in the case of helium, 4s in the case of argon). Compared to helium, argon is known that the stepwise ionization process accounts for a larger proportion of the total ionization. In the process of generating electrons through ionization, argon 4p atoms are consumed through a stepwise ionization process, so it is judged that the difference from helium appears.