The cutoff probe is one of the promising diagnostics, because of the following advantages: a simple and robust probe system, no complex equations and assumptions, free from the rf noise and probe contamination effects, and good measurement accuracy for the electron density measurement in low temperature plasma measurement. The cutoff probe has been actively investigated in both area of experiment and theory for low temperature plasma diagnostic. However, in order to apply the cutoff probe to the high density magnetized plasma, two important issues should be solved - thermal protection and short distance (a few mm) wave propagation in magnetized plasmas.
In this thesis, a study on cutoff probe improvement for high density magnetized plasma measurement is shown. The above problems can be solved using the following methods: (a) Ceramic covers were used for thermal protection. (b) In magnetized plasmas, the cutoff peak can be analyzed using circuit model with effective permittivity for magnetized plasma.
When the cutoff probe is used in the high density plasma diagnostics, the probe can be faced with measurement problems because the high influx energy from the plasma can damage the probe tips, especially for the dielectric material in the vicinity of the probe tips. Because this damage cannot only cause an error in the measurement of electron density but also acts as a contamination source in the plasma, a solution for the cutoff probe damage induced by high influx of ions and electrons is needed for the reliable measurement of the cutoff probe in high density plasma. To solve this problem, a cutoff probe shielded by the ceramic tube is proposed. In chapter 2, the author addressed numerous aspects of the Ceramic Shielded Cutoff probe: the problems of the normal cutoff probe for the high density plasma measurement, the validity for the application of probe system to high density plasma measurement, the transmission spectrum characteristics of the cutoff probe, and the experimental/simulation results.
The transmission spectrum of a cutoff probe in magnetized plasma is investigated by a circuit simulation and experiment. The circuit simulation was calculated using a permittivity tensor that can be changed depending on the direction of the magnetic field and electric field which is generated by radiating antenna of the cutoff probes instead of a permittivity of non-magnetized plasma. The experiments was performed at various probe directions and magnetic field strength while maintaining the plasma density constant. When the magnetic field and electric field are same directions, the measured cutoff frequency can be used for the plasma frequency(fpe) same as non-magnetized plasma results. However, electric field is perpendicular with the magnetic field, the measured cutoff frequency can be considered for upper hybrid frequency(fuh = (f_pe^2+f_ce^2)^{1/2}). All results are consistent with a circuit simulation results.
Electron-neutral collision frequency is one of the important parameter for plasma monitoring even in magnetized plasma. A method for measurement of electron-neutral collision frequency in the plasma using reactance spectrum of the plasma in the cutoff probe system instead of transmission spectrum is proposed. The highly accurate reactance spectrum of the plasma- cutoff probe system which is expected in previous circuit simulation of cutoff probe [D.W. Kim et al., Appl. Phys. Lett. 99, 131502 (2011)] was measured by using calibrated cutoff probe. The measured electron-neutral collision frequency in a good agreement with e-n collision frequency which is obtained from the measured EEDF and electron-neutral collision cross section.
마이크로웨이브를 이용한 플라즈마 진단방법은 공정 플라즈마, 핵융합 플라즈마 더나아가 지구 전리층에 대한 연구에 이르기 까지 광범위하게 쓰이고 있다. 광범위한 연구 분야와 더불어 마이크로웨이브를 활용하여 다양한 형태의 진단 장치들도 개발 되어 각각의 특성에 맞게 사용되고 있다. 이 중 컷오프 탐침은 두개의 안테나를 이용하여 플라즈마에 마이크로웨이브를 투과시켜서 얻은 투과스펙트럼의 컷오프 주파수를 이용하여 플라즈마의 전자밀도를 측정하는 방법이다. 컷오프 탐침은 다음과 같은 장점을 가진다. 첫째, 컷오프 탐침은 컷오프 주파수로 부터 전자밀도를 얻는 과정에 최소한의 가정이 사용하게 되어 량뮤어 탐침에 비해 에러가 작고 그 계산과정이 간단하다. 둘째, 1 mW 이하의 마이크로웨이브를 사용하기 때문에 플라즈마에 영향을 최소화하여 보다 정확한 플라즈마 진단이 가능하다. 셋째, 마이크로웨이브를 사용하기 때문에 탐칭에 증착이 된다하더라고 측정에 문제가 없어 공정 플라즈마에서도 측정이 용이하다. 이런 장점을 인하여 최근 컷오프 탐침에 대한 연구가 활발히 연구되고 있다. 하지만 에칭 및 증착공정에서 많이 사용되고 있는 고밀도 자화 플라즈마에 대한 연구는 량뮤어 탐침을 통한 측정이 이루어지고 있으나 증착 및 자기장에 대한 해석으로 인한 많은 어려움이 따른다. 따라서 컷오프 탐침을 이용한 연구가 요구되고 있는 상황이다. 고밀도 자화플라즈마는 다음의 두가지 문제를 극복해야 된다. 첫째, 고밀도 플라즈마의 전자와 이온으로 인한 탐침의 열적손상을 극복해야한다. 둘째, 자화 플라즈마안에서의 투과 스펙트럼에서의 컷오프 주파수와 전자 밀도와의 관계를 이해해야 한다. 고밀도 플라즈마로 부터 오는 전자와 이온으로 인한 탐침의 온도변화를 모델을 통해서 계산하여 실제 실험 결과와 비교하였다. 이를 바탕으로 세라믹을 이용한 탐침의 온도변화를 손상온도 이하로 만들었다. 탐침 보호를 위해 사용한 세라믹으로 인하여 변화하는 투과스펙트럼을 기존의 회로모델을 변형하여 해석하여 세라믹으로 보호되어도 컷오프 주파수와 전자밀도의 관계가 변하지 않음을 확인하였고 량뮤어 탐침과의 비교 실험을 통해서도 확인하였다. 자화플라즈마에서는 플라즈마의 유전율이 텐셔형태로 변해서 전기장과 자기장의 방향에 따라서 달라진다. 따라서 플라즈마의 유전율을 바탕으로 해석된 회로모델을 탐침에 의해 발생한 전기장과 자기장의 방향에 따라서 변형하여 해석하게 된다. 두 안테나 사이 방향인 전기장과 외부 자기장과 같은 방향이면 플라즈마 유전율은 기존의 플라즈마와 일치하게 되어 컷오프 주파수가 바로 플라즈마 주파수가된다. 하지만 전기장과 자기장이 수직하게 되면 컷오프 주파수는 플라즈마 주파수와 사이클로트론 주파수의 조합으로 표현하게 되어 자기장의 세기를 알게 되면 플라즈마 주파수를 얻을 수 있게 된다. 즉, 컷오프 탐침의 방향에 따라서 자기장의 효과를 피해서 측정이 가능할 수도 있고 자기장의 세기를 정확히 알면 자기장의 효과가 있다하더라고 전자밀도를 측정할 수 있다. 해당 해석은 실험을 통해서도 확인 하였다. 고밀도 자화 플라즈마가 쓰이는 에칭공정에서는 전자중성종충돌주파수가 공정 모니터링에 사용되고 있다. 컷오프 탐침의 회로모델을 이용하면 전자밀도 뿐만 아니라 전자중성종충돌주파수를 얻을 수 있고 이를 활용한 고밀도 자화 플라즈마의 모니터링도 가능할 것으로 판단된다. 컷오프 탐침을 통한 전자밀도 측정은 컷오프 주파수만을 이용했기 때문에 회로모델의 임피던스값을 정확히 얻어 낼 필요가 없었다. 하지만 임피던스 값의 미분값을 이용하여 유도된 식으로 부터 얻는 전자중성종충돌주파수는 정확한 임피던스값을 얻어낼 필요성이 제기된다. 따라서 회로의 임피던스를 교정방법을 통해서 정확히 측정해야 된다. 이렇게 얻은 임피던스 값으로 부터 전자중성종충돌주파수를 얻고 량뮤어 탐침으로 부터 얻은 전자에너지분포함수로 계산된 전자중성종충돌주파수를 비교하였다. 컷오프 탐침의 수 GHz의 고주파를 사용하기때문에 컷오프 탐침으로 부터 얻은 전자중성종충돌주파수는 량뮤어탐침과 비교하여 차이가 발생하나 보정과정을 통해서 그 차이를 극복할 수 있음을 밝혀냈다. 이와 같이 본 논문에서는 고밀도 자화 플라즈마를 측정하기 위해서 컷오프 탐침을 개선하는 연구를 수행하였다.
