[논문]유도결합형 플라즈마에서 압력에 따른 Ar Gas의 전기적 특성분석

조주웅; 이영환; 허인성; 김광수; 최용성; 박대희

[국내논문] 유도결합형 플라즈마에서 압력에 따른 Ar Gas의 전기적 특성분석
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조주웅 (원광대학교) , 이영환 (원광대학교) , 허인성 (원광대학교) , 김광수 (원광대학교) , 최용성 (원광대학교) , 박대희 (원광대학교)

Low-Pressure inductively coupled RF discharge sources have important industrial applications mainly because they can provide a high-density electrodeless plasma source with low ion energy and low power loss. In an inductive discharge, the RF power is coupled to the plasma by an electromagnetic interaction with the current flowing in a coil. In this paper, the experiments have been focussed on the electric characteristic and carried out using a single Langmuir probe. The internal electric characteristics of inductively coupled Ar RF discharge at 13.56 [MHz] have been measured over a wide range of power at gas pressure ranging from $1{\sim}70$ [mTorr].

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문제 정의

따라서, 본 논문은 고주파방전에서 중요한 요소인 전자밀도와 전자온도를 구하기 위한 기초연구로서, Ar 가스 유도결합 플라즈마의 전류-전압특을 측정하였다. Ar 가스 압력을 1~70 [mTorr]로변화시키면서, 플라즈마의 전류-전압 특성을 측정하였다.

가설 설정

유도결합 플라즈마는 전자, 이온, 중성 원자, 중성 분자 등의 입자들로 구성되어 있으며 플라즈마를 구성하는 모든 입자들이 국소적으로 열적 평형을 이루어서 동일한 온도로 맥스웰 분포를 갖는다고 가정할 수 있다.

제안 방법

측정하였다. Ar 가스 압력을 1~70 [mTorr]로변화시키면서, 플라즈마의 전류-전압 특성을 측정하였다.
펌프를사용하였다. 진공을 만들기 위한 챔버는초기 진공도를 1.0x10-4 [Torr]로 배기하고, 가이슬러관을 이용하여 진공관 내부에 존재하는 이물질을 제거하였다. 진공장비는 측정기기와 연결하고, 접지시켜 폐회로를 구성하였다.
2 [mm]에 길이 6 [mm]의 길이만을 남기고 넣어서 플라즈마와 절연되도록 한 단일 탐침봉이다. Probe에 인가하는 전압은 공급 전류가 최대 2 [A]인 power supply< 사용하여 -100 [V] 부터 +100 [V]까지 10 [V] 간격으로 증가시키며 DMM/193A를 이용하여 전류를 측정하였다. 사용된 아르곤 가스의 순도는 99.
10 [W] 전력에서 I-V특성과 비교하기 위하여 13.56[Mhz]의 주파수에서 RF전력이 압력에 따라 변하는 전압-전류특성을 30 [W] 전력에서 측정하였다. 이 결과를 그림 3에 나타내었다.
Ar 가스 압력을 1-70 [mTorr]까지 변화시키면서 측정한 결과, 전압-전류 특성에서 부동전압이 안정적인 경향을 나타냄을 관측하였고, 이론식에 의하여 전류 값의 변화를 살펴보았다.
이러한 기본적인 유도결합 플라즈마 물리량을 알기 위해 측정하는 플라즈마의 전류-전압 특성곡선을 측정하였다.

대상 데이터

56 [MHz]의 고주파 전원을 매칭 박스를 통해 반사전력을 0이 되도록 조정하여 안테나 코일에 인가하여 전달하였다. 고주파 전원은 주파수 출력을 위하여 동관으로 제작된 안테나를 사용하였다. 안테나 코일은 고주파 전원과플라즈마를 전자기적으로 결합시키는 유도결합 소자로서, 외경 95 [mm]의 동관을 7 [mnj 간격으로 4회 나선형 (helical)으로 감아서 사용하였다.
금속선은 높은 용융점을 가지는 물질이어야 하고, 플라즈마와 화학 반웅을 잘 일으키지 않아야 한다. 본 논문에서 사용된 탐침봉의 재질은 녹는점이 높은 몰리브덴, 텅스텐, 백금 등이 사용되는데[4], 여기서는 텅스텐을 사용하였고, glass로 절연하였다. 크기는 직경 1.
Probe에 인가하는 전압은 공급 전류가 최대 2 [A]인 power supply< 사용하여 -100 [V] 부터 +100 [V]까지 10 [V] 간격으로 증가시키며 DMM/193A를 이용하여 전류를 측정하였다. 사용된 아르곤 가스의 순도는 99.99 [%]이고, MFC 밸브를 통하여 방전관 안에 유입시켜서 압력을 1~ 70 [mTorr]까지 변화하면서 측정하였다.

이론/모형

56 [MHz]이고, 주파수 발진기의 최대 출력은 300 [W]이다. 플라즈마의 전류 측정은 Langmuir probe를 이용하여 측정하였다. 탐침봉은 전도성의 금속 선과 이를 둘러싸고 있는 세라믹 물질로 구성된다.

성능/효과

이와 같은 실험결과에 의한 전류는 다음의 조건하에서의 이론식과 비교될 수 있다.[6] 플라즈마는 매우 얇은 외 장 (sheath)이 형 성 하고, 요동지역 내 에서 입자들은 비충돌적이며, 자기장이 외부에서 걸리지 않고, 플라즈마의 유동이 없으며, 탐침에 도달한 전자는 모두 포획된다는 가정하에서 전류는 아래에 서술하는 바와 같이 정량화된다. 우선 평형상태의 플라즈마 내에서의 전자의 움직임은 식 (1) 의 볼쯔만 관계식으로 나타낼 수 있다.

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