유도 결합 플라즈마에서 충돌 에너지 손실의 영향에 대한 실험적 연구

Abstract

In this dissertation, the effect of the collisional energy loss on characteristics of the inductively coupled plasma is investigated. First, total energy loss per ion-electron pair lost is investigated to optimize the plasma generation at various RF powers and gas pressures in an inductively coupled plasma (ICP). The total energy loss consists of the mean kinetic energy loss per ion and electron lost at the wall and the collisional energy loss per ion-electron pair created. The ion density and electron temperature are measured to obtain the total energy loss at the plasma-sheath edge. At a fixed power, the total energy loss has a minimum value at a certain electron temperature, and at this condition, an optimal plasma generation is achieved according to the global model. Since the electron temperature is strongly dependent on the pressure, at that certain pressure the energy loss in the plasma is minimized and plasma is generated most efficiently. Interestingly, the electron temperature at which the total energy loss becomes the minimum value decreases as the power increases. Measured total energy loss is compared with the calculated ones from the global model that includes the multi-step ionizations, and these are consistent with each other. Second, a hysteresis phenomenon observed in a neon inductively coupled plasma at low gas pressure is investigated in terms of the change of the collisional energy loss. In general, the hysteresis has been reported at high pressure Ramsauer gas discharges. However, it is found that the hysteresis phenomenon occurs even at low pressure (5 mTorr) in neon plasma. Moreover, the hysteresis disappears with an increase in the pressure (10 mTorr and 25 mTorr). To analyze this hysteresis, the EEDF is measured at various powers. The EEDF at 10 mTorr maintains a bi-Maxwellian distribution both the E mode and the H mode. On the other hand, the EEDF at 5 mTorr evolves significantly between discharge modes. At 5 mTorr, the measured EEDF for the E mode has a Maxwellian distribution due to the high Ohmic heating in the bulk plasma. The EEDF for the H mode has a bi-Maxwellian distribution because the collisionless heating in the skin layer is dominant. This drastic evolution of the EEDF causes a nonlinear change in the collisional energy loss during the mode transition. Thus, the plasma can sustain the H mode discharge with high ionization efficiency, even at a lower power, which results in the hysteresis.|본 논문에서는 충돌 에너지 손실이 유도 결합 플라즈마의 특성에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구를 진행하였다. 첫 번째로 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP)에서 다양한 인가 전력과 가스 압력에서 플라즈마 생성을 최적화하기 위하여 이온-전자 한 쌍 손실당 총 에너지 손실(total energy loss)을 조사하였다. 총 에너지 손실은 이온과 전자가 벽으로 빠져나갈 때 가지고 나가는 에너지인 운동 에너지 손실과 중성 기체가 이온과 전자로 이온화될 때 소모하는 에너지인 충돌 에너지 손실(collisional energy loss)로 구성된다. 총 에너지 손실을 얻기 위해 플라즈마-쉬스 외곽에서 이온 밀도와 전자 온도를 측정하였다. 고정된 인가 전력에서 측정한 총 에너지 손실은 특정 전자 온도에서 최소가 되며, 글로벌 모델에 따라 이 조건에서 최적의 플라즈마 방전이 달성된다. 전자 온도는 가스 압력의 함수이기 때문에 특정 가스 압력에서 플라즈마의 에너지 손실이 최소화되고 플라즈마가 가장 효율적으로 생성된다는 것을 알 수 있다. 흥미롭게도 총 에너지 손실이 최소가 되는 전자 온도는 인가 전력이 증가함에 따라 감소하며 이는 충돌 에너지 손실에 의한 효과이다. 측정된 총 에너지 손실은 다단계 이온화를 포함하는 글로벌 모델로 계산한 결과와 비교되며 서로 잘 일치한다. 두 번째로 낮은 가스 압력의 네온 유도 방전에서 히스테리시스 현상을 관측하였고 이를 충돌 에너지 손실의 변화 측면에서 연구하였다. 일반적으로 히스테리시스 현상은 고압의 람사우어(Ramsauer) 가스 방전에서 관측되어왔다. 하지만 우리는 네온 플라즈마의 낮은 압력(5 mTorr)에서 히스테리시스 현상이 발생하는 것을 발견하였다. 더욱이 이 현상은 압력이 조금 더 높아지면 (10 mTorr 및 25 mTorr) 사라졌다. 이 히스테리시스 현상을 분석하기 위해 인가 전력에 따른 전자 에너지 분포 함수(electron energy distribution function, EEDF)를 측정하였다. 10 mTorr에서 EEDF는 E 모드와 H 모드 방전 모두 바이-맥스웰 분포(bi-Maxwellian distribution)를 유지하였다. 반면에 5 mTorr에서의 EEDF는 방전 모드에 따라 극적으로 변화하였다. 5 mTorr에서, E 모드의 EEDF는 벌크 플라즈마에서의 높은 충돌 가열로 인해 맥스웰 분포(Maxwellian distribution)를 갖는다. H 모드의 EEDF는 표피 깊이(skin depth) 영역에서의 비충돌 가열이 지배적이므로 바이-맥스웰 분포를 갖는다. 이러한 방전 모드의 전환 중의 급격한 EEDF 변화는 충돌 에너지 손실의 비선형적인 변화를 유발한다. 따라서 플라즈마는 H 모드에서 낮은 충돌 에너지 손실, 즉 높은 이온화 효율을 가지므로 더 낮은 인가 전력에서 H 모드 방전을 유지할 수 있게 되어 히스테리시스가 발생한다. 본 연구는 플라즈마에서 소모되는 에너지인 충돌 에너지 손실이 유도 결합 플라즈마에 미치는 영향에 대한 분석을 수행하였다. 이온화 효율에 중요한 역할을 하는 충돌 에너지 손실에 대한 분석을 통해 플라즈마의 최적 방전 조건을 얻을 수 있고 플라즈마의 불안정한 현상인 히스테리시스의 유발 원인을 규명할 수 있다. 또한 본 연구를 통해 공정에서 널리 사용되는 유도 결합 플라즈마의 방전 효율과 공정의 안정성을 향상시키는 데에 활용될 수 있을 것이다.