Studies on electron heating are done during the rf power coupling change in the discharge mode transition (E-H mode transition) in a planar inductive discharge of 13 MHz without electrostatic screen (Faraday shield). An inert argon gas is used as the discharge gas and the operating pressure is fixed at 5 mTorr. The variation of the plasma impedance is measured by the commercial rf high-voltage probe and the home- made Rogowski coil. Also, the evolution of the electron energy distribution function (EEDF) is observed with an rf compensated Langmuir probe and the trend of its integrals, electron density and effective electron temperature, and especially plasma potential against rf power are presented. It is demonstrated that the plasma potential is gov- erned primarily by the high-energy electron tail in a plasma with bi-Maxwellian EEDF. The interdependence of the EEDF and the plasma potential is discussed. The experimental results show that the plasma potential against rf power reflects a change in the relative contribution of capacitive power coupling to electron heating.
The study on the phenomena of the discharge mode transition from the E-mode to the H-mode in high-frequency (19 MHz) inductively coupled argon discharges is performed. Experimental observation is done at the low pressure of 10 mTorr and the high frequency of 19 MHz over a range of rf power, 40-525 W. First of all, the discharge mode transition is observed through a change of luminous intensity. On the other hand, the characteristics of the mode transition in a 6.5 MHz discharge is investigated for the purpose of the comparison with that in 19 MHz discharge. The transition in 19 MHz discharge is found to occur at the relatively high rf power of about 280 W compared with the mode transition in the 6.5 MHz discharge. Also, some distinctive features are compared to low- frequency discharges during this transition. In particular, during the E-H mode transition the apparent changes of plasma potential are observed and the sudden variation of plasma potential is proposed. as an important factor that indicates the change of power coupling. The features of the discharge mode transition in high-frequency discharge are discussed by considering the power coupling at each mode by measurements of the electron energy distribution functions.
The detail structures of the EEPFs for three rare gases are presented and in particular, the EEDF transition against gas pressure (EEDF transition into a Druyvesteyn-like distribution) can be observed. The energy diffusion coefficient which describes electron heating is calculated using 2-D simulation for each discharge condition. The observed transitions are explained with the energy dependence of the energy diffusion coefficient and various electron collision processes.
A measurement of the electron energy distribution function (EEDF) is done over a helium pressure range of 10-100 mTorr in a planar inductive plasma and the electron energy diffusion coefficient which describes the electron heating is calculated based on the same discharge conditions using 2-D simulation. It is found that even though the helium discharge gas is a non-Ramsauer gas, the measured EEDF shows a bi-Maxwellian distribution with low-energy electron group at low pressures below 20 mTorr. It is shown that this is attributed to the combined effects of the formation of low-energy electrons through the cooling mechanism of energetic electrons enhanced by the capacitive field, the low heating rate of the low-energy electrons, the non-local property of low-energy electron kinetics, and the low electron-electron collision frequency which can be estimated from the total electron bounce frequency.
최근, 고밀도 플라즈마 원으로 개발되어 여러 반도체 공정에서 응용되고 있는 평판형 유도결합 플라즈마 (Planar ICP 또는 TCP)에서 전자 가열 및 E-H 모드 전이에 관한 연구를 수행하였다. 전자 동력학 연구를 위해 기본적으로 측정해야할 플라즈마 변수인 전자 에너지 분포 함수 (EEDF)의 측정으로 위해 rf 보상 랑뮈어 탐침 시스템 및 전자 에너지 분포 함수 측정 시스템이 개발되었다. 각종 노이즈 회로 및 소자를 응용하여 3-4차 이상의 전자 에너지 분포 함수 해상도를 얻을 수 있었으며, 이온화 에너지가 비교적 높은 헬륨 가스 플라즈마에서도 이온화 에너지 이상의 에너지 영역까지 측정할 수 있었다.
전자 동력학에서 비국부성 (nonlocal)이 우세한 방전 조건인 5 mTorr의 낮은 아르곤 압력에서 모드 전이가 일어날 때, 전자 에너지 분포 함수의 전개를 측정하였다. Rf 전력이 증가함에 따라 낮은 전자 밀도의 E-모드에서 높은 전자 밀도의 H-모드로의 전이가 일어난다. 모드 전이시 탄성 에너지 영역에서의 전자 에너지 분포는 두 개의 에너지 분포가 결합된 형태의 이중 멕스웰 분포에서 멕스웰 분포로의 전개를 관측할 수 있었으며, 충분히 높은 rf 전력에서는 높은 전자 밀도에 의한 축전 전기장의 차폐와 높은 전자-전자 충돌로 인해 완전한 멕스웰 분포를 보임을 확인하였다. 반면, 비탄성 에너지 영역에서는 전자와 중성 가스간의 비탄성 충돌로 인해 전자 에너지 분포 함수가 왜곡되어지는 현상을 측정할 수 있었다. 더욱이 특정의 조건에서는 높은 에너지 전자의 벽면으로의 손실로 인해 전자 에너지 분포 함수의 꼬리 부근에서의 왜곡 현상 또한, 관찰되었다. 플라즈마 전위의 분포가 모드 전이가 일어나면서 크게 바뀌며, 이러한 플라즈마 전위의 변화는 전자 에너지 분포 함수에서 높은 에너지 전자군에 의해 지배 되어지며, 형성된 플라즈마 전위에 의해 높은 에너지 전자군의 왜곡되는 상호 의존성이 논의되었다.
낮은 rf 주파수 및 높은 rf 주파수에서의 모드 전이 현상에 대한 비교가 이루어졌으며, 높은 rf 주파수에서는 기존의 실험 현상으로는 모드 전이를 규정할 수 없었다. 그러나, 공정 조건에 의존하지 않고 공통적으로 관찰되는 현상이 플라즈마 전위의 급속한 감소임 을 밝혀낼 수 있었으며, 이러한 플라즈마 전위의 급속한 변화는 플라즈마와 안테나에서 방출되는 전기장들과의 상호 결합의 변화에 의존함을 전자 에너지 분포 함수의 전개로 부터 확인할 수 있었다. 따라서, 이러한 실험적인 결과들로부터 rf 전력의 변화에 따라 모드 전이가 일어날 때, 플라즈마 전위의 급속한 변화는 전자 가열로의 축전 전기장 상대적인 기여도와 밀접한 관계가 있으며, 모드 전이시 전력 결합의 변화를 알려주는 주요 변수임을 제시할 수 있었다.
아르곤 가스 방전에서 공정 압력이 높아짐에 따라 아르곤 가스 특유의 성질인 Ramsauer 효과에 의해 전자 에너지 분포 함수가 Druyvesteyn 분포로 전개됨을 확인할 수 있었으며, 이차원 모델링을 통해 전자 가열을 기술해 주는 전자 에너지 확산 함수를 얻음으로써 Ramsauer 효과에 의한 낮은 에너지들의 가열 메커니즘이 존재함을 증명하였다. 따라서, 전자 에너지 분포 함수가 Druyvesteyn 분포로 전개되는 임계 조건이 ν≫ω (즉, $ν_{eff} \approx ν$, 여기서 $ν_{eff} = \sqrt{ν^2 + ω^2}$는 유효 충돌 주파수)를 만족하는 압력 조건임을 기대할 수 있다.
Non-Ramsauer 가스인 헬륨 방전에서 낮은 압력에서 전자 에너지 분포 함수가 낮은 에너지 전자군을 포함하고 있음을 측정하였다. 본 실험 조건에서는 20 mTorr 이하의 공정 압력에서 는 전자 에너지 분포 함수가 이중 멕스웰 분포를 가진다. 이러한 낮은 압력에서 이중 멕스웰 분포는 축전 전기장에 의한 낮은 에너지 전자군의 형성 및 전자 에너지에 따른 전자 에너지 확산 계수의 에너지 의존성, 낮은 에너지 전자들의 플라즈마 전위에 의한 감금 효과, 그리고 전자 잔류 시간의 길어짐 ($\tau_l \nu_{ee} \ll 1$)에 따른 낮은 전자-전자 충돌 주파수의 결합된 효과로부터 형성됨을 증명하였다.
