[논문]CF4, CH4, Ar 혼합기체의 전자이동속도

김상남

doi:10.5370/kieep.2011.60.3.105

CF4, CH4, Ar 혼합기체의 전자이동속도
The Drift Velocity of Electrons in CF4, CH4, Ar Mixtures Gas 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.60 no.3, 2011년, pp.105 - 109

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Drift Velocity of Electrons in pure $CF_4$, $CH_4$ and mixtures of $CF_4$ and Ar. Have been analyzed over a range of the reduced electric field strength between 0.1 and 350[Td] by the two-term approximation of the Boltzmann equation (BEq.) method and the Monte Carlo simulation (MCS). The results of the Boltzmann equation and the Monte Carlo simulation have been compared with the data presented by several workers. The deduced transport coefficients for electrons agree reasonably well with the experimental and simulation data obtained by Nakamura and Hayashi. The energy distribution function of electrons in $CF_4$-Ar mixtures shows the Maxwellian distribution for energy. That is, f(${\varepsilon}$) has the symmetrical shape whose axis of symmetry is a most probably energy. The measured results and the calculated results have been compared each other.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문은 CF4(Tetrafluoro Methane), CH4(Methane) 순수기체와 CF4-Ar 혼합기체에서 전자의 이동속도를 볼츠만 방정식의 Backward prolongation법과 Monte Carlo Simulation 법에 의해 E/N=0.1～300 Td(E:전계, N:기체분자 수밀도, 1 Td=1×10-17V·㎠, 0℃, 1 Torr) P=0.1, 0.5, 1.0 Torr, 온도: 300K 범위에서 계산함으로써 이들 기체들이 가지고 있는 기초적인 물성을 해석하여 그 응용성을 검토하는 것을 목적으로 한다.

제안 방법

순수 CF₄ 기체의 전자 수송계수에 대해 몬테칼로 시뮬레이션과 볼츠만 수치해석을 통하여 고찰하였다.
전계 중에 존재하는 약전리 기체 플라즈마 중에서 전자의 이동에 대한 전자 수송계수 특성에 대한 정량적인 계산은 방전공간 내에서 나타나는 전체의 전자를 추적하여 전자에너지 분포함수와 전자군의 동향을 조사하고 이들 전자의 물리량을 가상적으로 샘플링(sampling)하며, 그들 하전입자의 운동을 컴퓨터로 추적하여 확률적으로 결정하는 것이다.

대상 데이터

본 연구에 이용한 CF₄의 전자충돌단면적은 운동량 변환 단면적(Q_m), 진동 여기 단면적(Q_v1, Q_v2), 부착 단면적(Q_a), 여기 단면적(Q_ex), 해리단면적(Q_d) 및 전리단면적(Q_i)으로 구성 되어 있다.

이론/모형

또한 전자 여기(Q_ex)의 Threshold에너지 부근에 비교적 큰 부착단면적을 가지고 있으며, 이것이 전자부성특성을 나타내는 원인이 된다. 그리고 해리 단면적(Q_d)과 전리단면적(Q_i)은 그림 3.1과 같은 Nakamura[15]의 실험치를 이용하였다
본 논문에서는 볼츠만 방정식에 의한 전리, 부착 및 실효 전리계수의 수치해석은 Philip E. Luft의 Backward prolongation계산법을 이용하였다[14]. 또한 전자가 음극에서부터 양극에 도달할 때까지 SPARC WORKSTATION(SS-20)으로 반복 추적하여 계산하였고 그림2-1에 본 시뮬레이션 전체의 개략적인 과정을 전자 시뮬레이션 흐름도로 나타내었다.
이 Ar의 전자 충돌 단면적은 저에너지 영역(0～0.23eV)에서 Bell과 Scott의 계산 값을 이용하였고 전자에너지 0.136 ～54.4 eV영역의 범위에서는 Arati Dasgupta의 실측값을, 60 ～150 eV범위에서는 Fon의 측정값을 이용하였다[20, 21, 22].

성능/효과

의 높은 에너지측의 Threshold가 낮고 급하게 떨어지는 경우, c) Q_m의 구배가 큰 경우 NDC는 현저하다고 발표하였다. 본 연구에서 MCS와 BEq로 계산된 이동속도는 거의 일치하였고 E/N=20～100 Td 범위에서의 실험치는 큰 차이가 나타났다.
전자이동속도는 E/N의 증가에 대해서 거의 선형적으로 증가하고 이론값과 측정값이 일치하였다. 높은 E/N영역의 전자 속도 분포함수에는 비등방성이 강하여 전계로 인한 전자의 속도 성분은 증가하였다. 이는 전자에너지가 10 [eV]이상에서는 Ar원자의 비탄성 충돌작용으로 에너지 분포함수의 형태가 낮은 에너지 쪽으로 증가분이 크게 되어 탄성산란특성의 전방산란영향이 크게 작용하여 이동속도는 증가하기 때문이라고 사료된다.
따라서 본 연구에 이용한 충돌단면적(운동량변환 단면적, 여기 단면적, 진동 여기 단면적 및 전리·부착 단면적 등)의 타당성이 밝혀졌다.
1～1 Td의 영역에서는 CH₄ 기체가 갖는 큰 진동여기단면적과 운동량변환단면적의 작용으로 나타나는 에너지분포의 비등방성에 의한 2항 근사 해석의 오차와 전자부성특성이 이동 속도의 감소로 생각된다. 또한 Ohmori와 Carter의 실험치와 MCS와 BEq의 Data를 비교하여도 이동속도의 특성곡선이 잘 일치됨을 보여준다. 한편 각각의 압력에 대한 이동속도의 특성을 보면 압력이 P=0.
본 논문에서는 2항 근사의 볼츠만 방정식과 몬테칼로법에 의하여 순수 CH₄ 및 Ar에 미량의 CF₄를 혼합한 기체 중에서 전자이동속도를 시뮬레이션에 의해 정량적으로 계산하였으며, 일반적으로 증가한 반면, CF₄-CH₄ 혼합가스에서만 초기에서는 증가하다가 10-80Td에서는 감소하다가 그 이상에서는 전자 이동속도가 증가하는 경향이 나타났다. 따라서 본 연구에 이용한 충돌단면적(운동량변환 단면적, 여기 단면적, 진동 여기 단면적 및 전리·부착 단면적 등)의 타당성이 밝혀졌다.
의 구배가 큰 경우 NDC는 현저하다고 발표하였다. 본 연구에서 MCS와 BEq로 계산된 이동속도는 거의 일치하였고 E/N=20～100 Td 범위에서의 실험치는 큰 차이가 나타났다. 이것은 Nakamura와 Hayashi의 단면적중 Q_m의 차이 때문이며 Hayashi의 Q_m이 더 깊은 RTM을 가지고 있기 때문이다 [24, 25].
본 연구에서 압력(P=1 Torr)의 경우 MCS와 BEq로 계산된 이동속도는 거의 일치하는 경향이 있다. 그러나 E/N=0.
이처럼 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션으로 MCS법과 볼츠만 법에 의한 결과 값은 실험값과 거의 일치하는 것으로 최근에 공학적으로 유효한 수단이 되고 있으며 우수한 프로그램이라는 것이 입증됨으로써 실험에 드는 비용 및 시간을 크게 절약할 수 있고 CF₄ 플라즈마를 이용한 기판가공 기술, 반도체의 박막 공정, 플라즈마 에칭기술, Plasma CVD의 활용 및 기초적인 data를 얻는데 크게 기여할 것으로 판단되어진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자의 이동에 대한 전자 수송계수 특성에 대한 정량적인 계산은 어떻게 결정되는가?	전계 중에 존재하는 약전리 기체 플라즈마 중에서 전자의 이동에 대한 전자 수송계수 특성에 대한 정량적인 계산은 방전공간 내에서 나타나는 전체의 전자를 추적하여 전자에너지 분포함수와 전자군의 동향을 조사하고 이들 전자의 물리량을 가상적으로 샘플링(sampling)하며, 그들 하전입자의 운동을 컴퓨터로 추적하여 확률적으로 결정하는 것이다.
	Ar의 RTM을 갖는 Qm과 CF4 또는 CH4의 낮은 에너지 영역의 Qv등에 의해 혼합기체의 전자이동속도와 NDL에서 NDC 현상이 보여지는 이유는?	이 그림에서 Hayashi와 Nakamura가 측정한 순수 CF4 기체는 운동량변환단면적 0.1～0.8 eV부근에서 넓은 RTM과 큰 진동여기단면적이 존재한다. 혼합기체의 NDC에서 적은 혼합 비율의 기체(CF4또는 CH4)의 Qm의 영향은 거의 없다. 따라서 Ar의 RTM을 갖는 Qm과 CF4 또는 CH4의 낮은 에너지 영역의 Qv등에 의해 혼합기체의 전자이동속도와 NDL에서 NDC 현상이 보여진다.
	약전리 기체 방전 플라즈마 현상은 무엇을 가능케 하였는가?	최근 새로운 산업 응용분야에서 방전 플라즈마 응용기술이 폭넓게 이용되고 있다. 특히 약전리 기체 방전 플라즈마 현상은 높은 에너지 밀도의 발생이 가능하게 하였으며, 제어핵 융합으로 미래의 에너지 자원 개발, 반도체 박막공정, 에칭, plasma display, 기체 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition), 기체 Laser 등의 새로운 가공법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

참고문헌 (25)

Flamm D. L, "Plasma Processing of Semiconductors" Williams P F, NATO ASI series, pp.1-22. 1997.
奧田孝美, "氣體プラズマ現象", コロナ社, pp. 21-33, 1975.
山本賢三, 奧田孝美, "電離氣體", コロナ사, pp. 161-197, 1977.
武田進著, "プラズマの基礎", 朝倉書店, pp. 17-58, 1976.
森正武, "Fortran 77 數値計算プログラミング" (岩波書店), pp. 41-44, 1995.
モンテカルロ法とシミユレ-シヨン(培風館), 1989.
市川行和, 高柳和夫, 島材勳, "衝突の理論(上下)", 吉岡書店, pp. 192, 1975.
高柳和夫, "電子, 原子, 分子の衝突", 培風館, pp. 51-69, 1978.
H. Itoh, T. Matsumura, K. Satoh, Y. Nakao and H. Tagashira, "Development of electrons swarms in $CF_4$ ", Proc. 21st int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, (ICPIG) (Bochum : Germany) 1, pp. 245-6, 1993.
R. W. L. Thomas, and W. R. L. Thomas, "Monte Carlo simulation of electrical discharge in gases", J.Phys. B. Vol. 2, pp.562-570, 1969.

상세보기
S. A. J. Al-Amin and J. Lucas, "Electron swarm parameters in oxygen and methane", J. Phys. D:Appl. 18. pp. 1781-1794, 1985.

상세보기
Huxley L G H and Crompton R W "Diffusion and Drift of Electrons in gases", Wiley, 1974
Y Ohmori, K Kitamori, H Tagashira " Boltzmann equation analysis of electron swarm behavior In Methane" The Institute of Physics. 437-455 1986
Philip E. Luft. "Description of a backward prolongation program for computing transport coefficients" JILA Information center report, Vol. No. 14. 1975.
Y. Nakamura, M. Kurachi "Electron Transport Parameters in Argon and its momentum transfer cross section" J.Phys.21, pp.718-723, 1988
Y. Ohmori, K. Kitamori, M Shimozuma, and H. Tagashira, "Boltzmann equation analysis of electron swarm behaviour in methane", J. Phys. D. 19, pp.437-55, 1986.

상세보기
L. G. H. Huxley, R. W. Cormpton. "The Diffusion and Drift of Electrons in Gases" John Wiley and Sons. Inc 1974
L. E. Kline and W. E. Bies, "Measurements of swarm parameters and derived electron collision cross sections in methane", J. Appl. Phys. 65. pp. 3311-3323. 1989.

상세보기
K. L. Bell, N. S. Scott and M. A. Lennon, "The Scattering of low-energy electrons by Argon atoms" J. Phys. B: At. Mol. Phys. 17, pp. 4757-4765, 1984

상세보기
K. L. Bell, N. S. Scott and M. A. Lennon, "The Scattering of low-energy electrons by Argon atoms" J. Phys. B: At. Mol. Phys. 17, pp. 4757-4765, 1984

상세보기
Arati Dasqupta and A. K. Bhatia, "Scattering of electrons from Argon atoms" Phys. Rev. A. Vol.32, No. 6, pp.3335-3341, 1985

상세보기
W. C. Fon, K. A. Berrington, P. G. Burke, "The elastic Scattering of electrons from inert gases:
J. H. Parker and I. J. Lowke "Theory of Electron Diffusion Parallel to Electric Fields, II.Application to real Gases" Phys. Rev, Vol.181, No. 1, pp. 302-311, 1969

상세보기
山本, 生田, " $CF_4$ カスの電子衝突斷面績と輸送係數",電氣學會放電硏究會資料, ED-91-70, pp.11-20, 1991.
小田信一, 駒田正人, 中村義春, " $CF_4-Ar$ および $CF_4-Ar$ 混合氣？中の電子輸送係數の測定", 電氣學會放電硏究會資料, 中村義春, ED-92-145, 1992

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표제어: PCR

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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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