[논문]비대칭 전극계에서의 1차원적 RF 플라즈마 모델링에 관한 연구

소순열; 임장섭

doi:10.5207/jieie.2004.18.5.035

비대칭 전극계에서의 1차원적 RF 플라즈마 모델링에 관한 연구
Study on RF Plasma Modeling Between Unequal-Sized Electrodes Using One-dimensional Fluid Method 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.18 no.5, 2004년, pp.35 - 41

소순열 (훗가이도대학교 정보과학연구과 전자정보전공) , 임장섭 (목포해양대학교 해양전자통신공학부)

초록
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본 연구에서 사용된 방전 기체는 오염물의 제거 및 박막 표면 정제 등의 연구 분야에 응용되고 있는 질소 가스를 사용하였으며, 1차원 동심구 모델의 개발로 인하여, 접지 면적을 넓게 함에 따라 경방향으로의 플라즈마 분포가 중심축의 분포와 동일하다는 1차원적 가정이 적절하지 못하다는 Barnes 모델을 보완할 수 있었다. 일정한 인가 전압하에서는 입체각($\omega$)의 증가에 따라 질소 플라즈마를 구성하는 각 입자의 수밀도 분포, 전계 및 포텐셜이 감소함을 볼 수 있었다. 그러나 면적비가 증가하면서 구동 전극에서의 각 입자들의 움직임은 상대적으로 높은 전계로부터 더욱 활발하게 형성됨에 따라 직렬 연결된 블로킹 콘덴서에서 발생하는 자기 바이어스 전압은 증가하는 것을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In computational study on RF(Radio Frequency) plasmas, a 1D fluid models with an advantage of a short computational time are often adopted. However, in order to obtain realistic calculation results under a typical chamber geometry with unequal-sized electrodes, modeling of the plasma space is an issue to be investigated. In this paper, it is focused on that how much a 1D model can approximate a 2D model. 1D fluid models with unequal-sized electrodes, which have spherical and frustum geometry systems, were developed and their results were compared with those of 2D model with Gaseous Electronic Conference cell structure. Behavior of $N_2$ RF plasmas has been simulated using 1D and 2D fluid models and a technique to take account of unequal-sized electrodes in a 1D fluid models has been examined. Features of the plasma density and the electric potential were discussed as characteristic quantities representing the asymmetry of the chamber geometry.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이러한 점에 관하여 검토하고자 하며, 경방향으로의 1차원적 가정도 적절히 표현 가능한 동심구 모델을 개발하고 비교 분석하고자 한다. 본 연구에서 사용된 방전 기체는 오염물의 제거 및 박막 표면 정제 등의 연구 분야에 응용되고 있는 질소 가스를 사용하였으몌7], 최근에 질소 플라즈마는 새로운 분야로의 응용 범위를 확대하는데 이용되고 있어, 그 특성을 보다 상세히 이해할 필요가 있다.

가설 설정

전극방향으로 입사흐}는 전자 속은 전자 열 속 도의 함수로 결정되어진다. 그리고, 전극 면으로 향한 전자는 전부 흡수되는 것으로 가정하였다. 전극 면 에너지 및 전자 2차 방출 계수를 0.
방전 챔버의 형상은 GEC(Gaseous Electronics Confeiwce reference cell) 모델을 기준으로 하여 가정되었다[12]. 그림 2에 1차원 및 2차원 모델을 보여주고 있다.

제안 방법

또한 블로킹 콘덴서 용량©）은 40[pF], 가스 압력은 500[mTbrr]로 설정하였다. GEC 모델 （이하 2차원 모델로 통칭）은 내경 R = 10.0[cm], 전극반경 r=5.0[cm] 그리고 전극 간 거리 d=2.‘J5[cm]로 구성되어 있으며, 이를 기본으로 하여 전극 반경 및 전극 간 거리를 동일하게 설정한 1차원 모델을 고려하였다. 2차원 모델에서는 챔버의 외벽이 접지되어 있기 때문에, 이러한 비대칭적 구조를 재현하기 위해, 1차원 모델에서는 접지 전극의 반경을 구동 전극의 반경보다 넓게 형성하여 계산하였다.
그러나 이 모델은 2차원 모델의 형상을 충실히 계산하기 위해서 접지 면적을 크게 할 수 록, 접지 전 극단 말 부가 구동 전극으로부터 크게 벗 어나는 부자연스러운 즉, 경방향으로는 중심축과 동일하다는 1차원적 가정이 부적합한 형상을 이루게 된다. 따라서, 전극 면적을 파라메타로 하여 방전 공간 형상을 정할 때, 위치 z에 대한 방전 공간 체적 요 소를 구 좌표계의 위치 丘로 두어 동일한 식으로 기술하는 방법을 고안하였다. 이 점을 유의하면, 2.
본 시뮬레이션에서는 볼츠만 방정식에서 구해지 는 전송방정식을 기본으로 한 1차원 유체 모델을 이용하여 질소 플라즈마의 계산을 행하였다. 충돌 단면적은 1988년 Ohmoii의 데이터를 사용하였다[8] (그림 1 참조).
01로 설정하였다. 본 연구에서는 방전을 a 영역으로 해석하였으며, 전극 면에서의 경계 조건으로 2차 전자를 고려하였다
본 연구에서는 질소 가스를 이용하여 비대칭적 전 극계의 플라즈마 현상을 1차원 모델로부터 재현하였다, 2차원 모델(z축 대칭 3차원 모델), 1차원 Bames 모델 및 동심 구 모델로부터 비대칭적 특성을 조사하였으며, 각 모델들의 비교. 분석을 행하였다.
본 절에서는 1차원 및 2차원 모델의 결과를 비교 . 분석하였다.

대상 데이터

본 시뮬레이션에서는 볼츠만 방정식에서 구해지 는 전송방정식을 기본으로 한 1차원 유체 모델을 이용하여 질소 플라즈마의 계산을 행하였다. 충돌 단면적은 1988년 Ohmoii의 데이터를 사용하였다[8] (그림 1 참조). 유체 모델은 각 하전입자의 연속방정식, 전자 에너지 보존 방정식 및 포아송 방정식으로 구성되어 진다.

성능/효과

1차원 동심 구 모델에서도 2차원 모델과 유사한 비대칭적 질소 플라즈마의 특성 즉, 각 입자 수밀도의 피크치가 구동 전극 면 방향으로 치우쳐 분포하는 점, 구동 전극 면에서의 전계가 접지 전극 면보다 높게 형성되는 점 및 자기 바이어스 전압의 형성을 얻을 수 있었으며, 그 결과도 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 1차원 모델에서는 경방향 (r) 으로의 운동과 가드링 효과에 의한 전리 반응의 증대 등의 영향을 고려할 수 없는 것으로부터 다소의 오차가 존재하는 것을 볼 수 있다.
1차원 동심구 모델의 개발로 인하여, 접지 면적을 넓게 함에 따라 경방향으로의 플라즈마 분포가 중심축의 분포와 동일하다는 1차원적 가정이 적절하지 못하다는 Barnes 모델을 보완할 수 있었다. 일정한 인가전압하에서는 입처)각 9)의 증가에 따라 질소플라즈마를 구성하는 각 입자의 수밀도 분포, 전계 및 포텐셜이 감소함을 볼 수 있었다.
이 부분을 명확히 하기 위해서는 앞으로 보다 많은 연구가 필요하다고 할 수 있겠다. 그러나 동심 구 모델로부터, Barnes의 모델과 비교해서도 동일한 결과를 얻을 수 있었으며 이것은 Barnes의 단점을 보완하여 경방향으로의 1차 원적 가정이 적절히 표현 가능하다는 것을 알 수가 있었다.
일정한 인가전압하에서는 입처)각 9)의 증가에 따라 질소플라즈마를 구성하는 각 입자의 수밀도 분포, 전계 및 포텐셜이 감소함을 볼 수 있었다. 그러나 면적비가 증가하면서 구동 전극에서의 각 입자들의 움직임은 상대적으로 높은 전계로부터 더욱 활발하게 형성됨에 따라 직렬 연결된 블로킹 콘덴서에서 발생하는 자기 바이어스 전압은 증가하는 것을 알 수 있었다.
2차원 모델은 방전 챔버의 형상을 적절히 표현 가능한 이점을 가지고 있으나 계산량의 증가로 인한 시간적 손실을 감안하지 않으면 안된다. 따라서 계산 비용의 손실이 적으며, 비대칭적 챔버의 형상이 재현 가능하도록 1차원적 모델을 고려하였다 1차원 모델을 통해서도 2차원 모델에서 계산 가능하였던 비대칭적 플라즈마 특성을 얻을 수 있었다. 물론, 경 방향(r)으로의 운동과 가드링 효과에 의한 전리 반응의 증대 등의 영향을 고려할 수 없는 것으로부터 다 소의 오차가 존재하는 것은 배제할 수 없다.

후속연구

본 연구에서는 이러한 점에 관하여 검토하고자 하며, 경방향으로의 1차원적 가정도 적절히 표현 가능한 동심구 모델을 개발하고 비교 분석하고자 한다. 본 연구에서 사용된 방전 기체는 오염물의 제거 및 박막 표면 정제 등의 연구 분야에 응용되고 있는 질소 가스를 사용하였으몌7], 최근에 질소 플라즈마는 새로운 분야로의 응용 범위를 확대하는데 이용되고 있어, 그 특성을 보다 상세히 이해할 필요가 있다.

참고문헌 (16)

Won-Zoo Park, 'A Study on the Characteristics of the Radio-frequency Induction Discharge Plasma', Joumal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 13, No.3, pp.34-39(1999)
Jang-Ho Ha, Yang-Woo Jun, Sang-Tae Choi, Won-Zoo Park and Kwang-Sik Lee, 'A Measurements on the Characteristics of Electron Energy Distribution Function of Radio-frequency Inductively Couples Plasma', Jounal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 13, No.4, pp.82-86(1999)
Jing Yang, Peter L. G. Ventzek, H. Sugawara and Y. Sakai, 'Step responses of radion-frequency capacitively coupled discharges', J. Appl. Phys., Vol. 82, No.5, pp. 2093-2105(1997)

상세보기
J. P. Boeuf and L. C. Pitchford, 'Too-dimensional madeJ of a capacitively ooupled rf discharge and oomparisons with experiments in the Gaseous Electronics Conference reference reactor', Phys. Rev. E, Vol. 51, No. 2, pp. 1376-1390(1995)

상세보기
D. Herrebout, A. Bogaerts, M. Yan, R. Gijbels, W. Goa:Jheer and A. Vanhulsel, 'Modeling of a capacitively coupled radio-frequency methane plasma: Comparison between a one-dimensional and a two-dirrensional fluid madel', J. Appl. Phys., Vol. 92, No. 5, pp.2290-2295 (2002)

상세보기
Michael S. Barnes, Tina J. Colter and Midlael E. Elta, 'Large-signal time-dormin modeling of low-pressure rf glow discharge', J. Appl. Phys., Vol. 61, No.1, pp.81-89 (1987)

상세보기
J. Hugill and T. Saktioto, 'A simplified chemical kinetic madeJ for sli!tltly ionized, atmospheric pressure nitrogen plasmas", Plasma Sources Sci. Technol. Vol. 10, pp. 38 (2001)

상세보기
Y. Ohmori, M. Shimozuma and H. Tagashira, 'Boltzmann equation analysis of electron swarm behaviour in nitrogen', J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 21, pp. 724 (1988)

상세보기
A. A. Kulikovsky, ' More Accurate Scharfetter-Gummel Algorithm of Electron Transport for Semioonductor and Gas Discharge Simulation', J. Com. Phys., Vol. 119, pp. 149-155(1995)

상세보기
Ph. Belenguer and J. P. Boeuf, 'Transition between different regimes of rf glow discharges', Phys. Rev. A. Vol. 41 No.8 pp. 4447-4459(1990)

상세보기
M. A. Lieberman and A. J. Lichtenberg, Principles of Plasma difficarges and materials processing, Wiley Interscience(1994)
D. P. Lirrberopoulos and D. J. Eoonormu, 'Modeling and simulation of glow discharge plasrra reactors', J. Vae. Sci. Technol. A, Vol. 12, No.4, pp.1229-1236(1994)

상세보기
N. Sato and Y. Shida, ' Two Dimensional Fluid Model of RF Plasmas in SiH4/Ar Mixtures', Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 36, pp. 4794-4798(1997)

상세보기
Annemie Bogaerts, Erik Nevts, Renaat Giibels and Joost van der Mullen, 'Gas discharge plasmas and their applications', Spectrochimica Acta Part B,(2002)
V. Guerra, P.A. Sa and J. Loureiro, 'Electron and Metastable Kinetics in the Nitrogen Afterglow', Plasma Sources Sci. Technol. 12 pp. 59-S15(2003)
Savino Longo and Mario Capitelli, 'Harmony Between Sirrple Fluid and Particle Models of Radio-frequency Parallel-Plate Discharge', Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 33. pp. 4292-4297(1994)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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