A large-area inductively coupled plasma (ICP) source capable of securing azimuthal plasma uniformity at a 40.00 MHz has been developed. The antenna, referred to as a capacitor distributed resonance antenna, minimizes the azimuthally non-uniform antenna capacitive field with eight distributed vertical capacitors. The antenna was designed to maximize the antenna current using L-C series resonance. Based on plasma diagnostics with a 13.56 MHz conventional ICP, comparative analyses were performed in terms of the plasma density, electron temperature, and frequency characteristics of the electron energy probability function (EEPF). In addition, the frequency dependency of the EEPF was found in the collisional ($ν_{en}$ > ω), normal skin ($v_{th} /δ ≪ (ω^2 + ν_{en}^2)^{1/2}$) regime and the physical causes were examined. Also, a cooling mechanism for bulk electrons, according to increased capacitive coupling, was discovered in a high frequency discharge using inductively coupled plasma. It was found that when antenna voltage increases by high frequency driving, the threshold energy required for wall loss in the sheath collapse phase decreases, and electrons with lower energy can participate in the wall loss. This expansion of the depletion range for high energy electrons decreases the effective temperature for bulk electrons. To confirm this, we carried out Electron Energy Probability Function (EEPF) measurement and particle-in-cell (PIC) simulation according to increased driving frequency.
본 연구를 통해 고주파(40.00 MHz)에서 방위방향의 플라즈마 균일도를 확보할 수 있는 대면적 유도결합 플라즈마 원을 개발하였다. 커패시터 분배 공명 안테나(Capacitor Distributed Resonance Antenna)라 불리는 이 안테나는 분배된 8개의 수직 커패시터를 통해 방위적으로 불 균일한 안테나 축전 전기장를 최소화 했으며, L-C 직렬 공진을 이용하여 안테나 전류를 극대화 시킬 수 있도록 설계하였다. 플라즈마 진단을 통해 13.56 MHz 일반적인 유도 결합 플라즈마와의 플라즈마 밀도, 전자온도, 전자에너지 확률 분포함수 (Electron Energy Probability Function) 를 비교 분석하였고, 기존에 보고되지 않은 collisional ($ν_{en}$ > ω), normal skin ($v_{th} /δ ≪ (ω^2 + ν_{en}^2)^{1/2}$) 조건에서 전자에너지 확률 분포함수의 주파수 의존성을 발견하고 그 물리적 원인을 분석하였다.
또한 유도 결합 플라즈마를 이용한 고주파 방전에서 축전 결합 증가에 따른 벌크(bulk) 전자의 냉각 작용을 발견하였다. 고주파 구동에 의해 안테나 전압이 증가하는 경우, 쉬스(sheath) 붕괴 위상에서 벽 소실에 필요한 문턱 에너지가 감소해 보다 낮은 에너지의 전자들도 벽 소실에 참여할 수 있음을 확인하였다. 이러한 고 에너지 전자들의 고갈영역의 확장은 벌크 전자들의 유효 전자온도를 감소시키게 된다. 이를 확인하기 위해 구동 주파수 증가에 전자에너지 확률 분포함수 측정과 particle-in-cell (PIC) 전산모사가 수행되었다.
