CZ29519U1 - Vysokofrekvenční aparatura pro měření parametrů plazmatu s využitím vlnové rezonance elektronové cyklotronové vlny - Google Patents

Vysokofrekvenční aparatura pro měření parametrů plazmatu s využitím vlnové rezonance elektronové cyklotronové vlny Download PDF

Info

Publication number
CZ29519U1
CZ29519U1 CZ2016-32296U CZ201632296U CZ29519U1 CZ 29519 U1 CZ29519 U1 CZ 29519U1 CZ 201632296 U CZ201632296 U CZ 201632296U CZ 29519 U1 CZ29519 U1 CZ 29519U1
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
frequency
plasma
resonance
wave
electron
Prior art date
Application number
CZ2016-32296U
Other languages
English (en)
Inventor
Zdeněk Hubička
Martin Čada
Štěpán Kment
Jiří Olejníček
Petr Adámek
Vítězslav Straňák
Original Assignee
Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i. filed Critical Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i.
Priority to CZ2016-32296U priority Critical patent/CZ29519U1/cs
Publication of CZ29519U1 publication Critical patent/CZ29519U1/cs

Links

Landscapes

  • Plasma Technology (AREA)

Description

Oblast techniky
Technické řešení spadá do oblasti měření parametrů nízkotlakého plazmatu, které se používá pro různé aplikace, jako je plazmatická depozice tenkých vrstev, plazmové leptání, plazmové iontové zdroje atd. a týká se konstrukce vysokofrekvenční aparatury pro měření parametrů plazmatu s využitím vlnové rezonance elektronové cyklotronové vlny
Dosavadní stav techniky
V současné době existuje mnoho měřících metod parametrů plazmatu, mezi které patří různé sondové metody, radiofrekvenční (RF) a mikrovlnné (MW) diagnostiky. MW rezonanční metody atd.
Elektronová koncentrace a elektronová teplota je nej častěji měřena různými modifikacemi Langmuirovské sondy popsané například v publikacích: I. Langmuir, Η. M. Mott-Smith, Gen. Elec. Rev. 26 (1923) 731.; D. Bohm, Ε. H. S. Burhop, H. S. W Massey, The Characteristics of Electrical Discharges in Magnetic Fields, A. Guthrie, R. K. Wakerling (Eds.), McGraw-Hill, New York (1949), p. 77.; B. M. Annaratone, M. W Allen, J. E. Allen, J. Phys. D: Appl. Phys. 25 (1992) 417. Také se používají RF sondy popsané v publikaci; J. P Booth, N. St. J. Braithwaite, A. Goodyear and P. Barroy, Measurements of characteristic transients of planar electrostaticprobes in coldplasmas, Review of Scientific Instruments 71 (2000) 2722-2727. Dále se pak k měření elektronové koncentrace a elektronové teploty používají různé RF rezonanční sondy popsané v patentových spisech US 8190366 B2, US 6741944 B1 a US 3265967 A. Tyto vysokofrekvenční systémy se většinou zabývají analýzou šíření elektromagnetických vln plazmatem, případně umístěním plazmatu do různých druhů uzavřených nebo otevřených rezonátorů, kde se sleduje změna rezonanční frekvence vzniklá změnou dielektrické konstanty přítomností plazmatu.
MW metody zahrnují interferometru, měření odrazu vln při dosažení kritické frekvence, nebo tzv. rezonanční „hairpin“ sondu apod. a jsou popsány např. ve statích: Heald, M. A. and Wharton, C. B., „Plasma Diagnostics with Microwaves“, 2nd ed., Krieger Malabar, FL. (1978); Huddlestone, R. H„ and Leonard, S. L., eds., „Plasma Diagnostic Techniques“, Academie Press, New York. (1965); R. L. Stenzel, „Microwave resonator probe for localized density measurements in weakly magnetized plasmas“, Rev. Sci. Instrum. 47, (1976) 603; R. B. Piejak, V A. Godyak, R. Garner, B. M. Alexandrovich and N. Sternberg, „The hairpin ressnator: A plasma density measuring technique revisited“, Journal of Applied Physics 95 (7), (2004) 3785. Všechny tyto MW metody pracují s kruhovou frekvencí elektromagnetické vlny vyšší, než je plazmová frekvence elektronů, která je typicky v řádu 6-30 GHz, podle velikosti koncentrace elektronů v plazmatu. Přesná měřící zařízení pro tuto oblast frekvencí jsou relativně nákladná a náročná na implementaci v průmyslových depozičních systémech. Nevýhodou sondových metod, jako je např. Langmuirovská sonda, je pokrytí měřící sondy tenkou vrstvou, která způsobuje nepřesnost měření, což je popsáno ve statích: P. Spatenka, H. Suhr, Plasma Chemistry and Plasma Processing 13 (1993) 555; P Spatenka, Z. Beneš, Frontiers in Low Temperature Plasma Diagnostic, Book of Papers, Bad Honnef, Germany (1997), 227.
Pro generaci nízkotlakého plazmatu byl vyvinut vysokofrekvenční induktivně vázaný systém ve stejnosměrném magnetickém poli, kde je generována elektronová cyklotronová elektromagnetická vlna s pravotočivou kruhovou polarizací a s kruhovou frekvencí ω, která se šíří ve směru vektoru vloženého stacionárního magnetického pole B. Tyto systémy se nazývají ECWR (Electron Cyclotron Wave Resonance, elektron -cyklotronová vlnová rezonance) zdroje plazmatu a jsou popsané ve statích: B. Pfeiffer, Skin Effect in Anisotropic Plasmas and Resonance Excitation of Electron-Cyclotron Waves, I. Theory, J. Appl. Phys, 37, (1966) 1624; B. Pfeiffer, Skin Effect in Anisotropic Plasmas and Resonance Excitation of Electron-Cyclotron Waves, II. Experiments, Journal of Applied Physics 37, (1996) 1628; H. Qechsner, Electron Cyclotron Wave Resonances and Power Absorption Effects in Electrodeless Low Pressure H. F Plasmas With a Superitnposed Static Magnetic Field, Plasma Physics, Vol. 16 (9), (1974) 835- 844.
- 1 CZ 29519 UI
Cyklotronová vlna je generována v obdélníkovém nebo kruhovém páskovém závitu s délkou nebo průměrem d ve směru vektoru přiloženého magnetického pole B. Elektronová cyklotronová elektromagnetická vlna s pouze pravotočivou kruhovou polarizací se šíří takto magnetovaným plazmatem podél směru přiloženého stacionárního vektoru magnetické indukce B na kruhových frekvencích a> nižších, než je cyklotronová frekvence elektronů mc v aplikovaném stejnosměrném magnetickém poli, a také na frekvencích nižších, než je elektronová plazmová frekvence plazmatu ωρ daná elektronovou koncentrací ne podle vztahu:
(1) /nee2
Jeome kde e je náboj elektronu, me je hmotnost elektronu, ε0 je permitivita vakua. Pro cyklotronovou frekvenci elektronů a>c platí:
kde B je velikost přiloženého stacionárního magnetického pole.
Pro index lomu nr šíření pravotočivé elektromagnetické vlny tímto magnetovaným plazmatem platí známý vztah popsaný ve stati: Pfeiffer B., Skin Effect in Anisotropic Plasmas and Resonance Excitation ofElectron-Cyclotron Waves. I. Theory, J. Appl. Phys., 37, (1966) 1624-8:
(3) ní
1+ΛΖ-2— ω
V ÚL· iúZ.
l+-„ —2—+—£ kde v je srážková frekvence elektronů s neutrálními atomy či molekulami, i je imaginární jednotka. V nízkotlakém plazmatu je často splněna podmínka, že ν«ω a pak lze vztah (3) zjednodušit na:
kde nr je reálná část indexu lomu a imaginární část indexu lomu je pro tento případ nula. Podle vztahu (4) roste index lomu k nekonečnu, když se ω blíží zdola k (ůc. Pro dané stacionární magnetické pole B, které určuje velikost cyklotronové frekvence <uc podle vztahu (2), lze nastavit změnou budící frekvence velikost nr na velkou hodnotu, a to takovou, aby velikost vlnové délky byla nastavena tak, aby v prostoru budícího závitu vznikla vlnová rezonance této elektronové cyklotronové vlny se vznikem stojaté elektromagnetické vlny v budícím závitu. Tato vlnová rezonance se nazývá ECWR rezonance. Podmínku pro vznik této rezonance lze vyjádřit podle vztahu:
(5) d = (2k+i)^ = Sií
2 ω ηΓ kde dje délka budícího závitu podél vektoru stacionárního magnetického pole B, k=Q, 1,2,3,... je řád rezonance a yp] je vlnová délka cyklotronové vlny v plazmatu s magnetickým polem B, c je rychlost světla ve vakuu. ECWR rezonance lze také dosáhnout podle (4) změnou (Oc při konstantním ω, kde měníme změnou velikosti stacionárního magnetického pole B.
Popsané ECWR rezonance v budícím páskovém závitu se používá pro generaci nízkotlakého plazmatu s vysokou koncentrací iontů a elektronů a zároveň velmi nízkého tlaku. Těchto výhod ECWR generace plazmatu se používá pro PECVD depoziční procesy, iontové zdroje a plazmové leptání. Technologické využití zdrojů ECWR plazmatu je popsáno ve stati: Hans Oechsner, Theorttical background and some applications of ECWR-plasmas, Vacuum 83 (4), (2009) 727731.
-2CZ 29519 Ul
Úkolem nového technického řešení je využití vlnové rezonance elektronové cyklotronové vlny ECWR v páskovém závitu výhradně pro měření parametrů plazmatu, a to zejména koncentrace elektronů. Elektronová cyklotronová vlna má v tomto případě dostatečně malou amplitudu, aby neovlivňovala měřené plazma.
Podstata technického řešení
Stanoveného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je vysokofrekvenční aparatura pro měření parametrů plazmatu s využitím vlnové rezonance elektronové cyklotronové vlny s využitím vlnové rezonance elektronové cyklotronové vlny za účelem určení jeho parametrů, zejména koncentrace elektronů v plazmatu, které je tvořeno vakuovou komorou 2, jejíž vnitřní prostor je propojen s vývěvou 6 a je v něm umístěn vodivý páskový závit 4 nad jehož měřícím prostorem 1 délky d je umístěn plazmový zdroj 7 napojený na zásobník 15 pracovního plynu, vyznačující se tím, že páskový závit 4 je přes měřič 9 vysokofrekvenční impedance napojen na signálový vysokofrekvenční generátor 10 s nastavitelnou frekvencí, přičemž podél bočních stěn páskového závitu 4 je umístěna dvojice Helmholtzových cívek 3 sloužících ke generování stacionárního magnetického pole Bav měřícím prostoru I páskového závitu 4 jsou ve směru vektoru stacionárního magnetického pole B ustaveny alespoň dvě vysokofrekvenční magnetické sondy ϋ, které jsou samostatně propojeny přes vysokofrekvenční detektory 12 k indikátorům 13 velikosti signálu.
Ve výhodném provedení technického řešení je vakuová komora 2 propojena s vývěvou 6 přes regulační ventil 5 a plazmový zdroj 7 je napojen na zásobník 15 pracovního plynu přes průtokoměr 14.
Předkládaným technickým řešením se dosahuje nového a vyššího účinku v tom, že popsaným způsobem měření s využitím znázorněné aparatury je možné pomocí identifikace vlnové ECWR rezonance výhradně určit v měřícím prostoru páskového závitu parametry plazmatu, a to zejména koncentraci elektronů.
Objasnění výkresů
Konkrétní příklady provedení technického řešení jsou schematicky znázorněny na přiložených výkresech kde:
obr. 1 znázorňuje schéma základního měřícího systému s ECWR vlnovou rezonancí pro měření parametrů nízkotlakého plazmatu ve vakuovém reaktoru se zdrojem plazmatu za nízkého tlaku a obr. 2 znázorňuje detail měřícího systému s páskovým závitem pro ECWR vlnovou rezonanci s trojicí vysokofrekvenčních magnetických sond.
Výkresy znázorňující představované technické řešení a následně popsaný příklad konkrétního provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu technického řešení.
Příklady uskutečnění technického řešení
Vysokofrekvenční aparatura pro měření parametrů plazmatu podle technického řešení je tvořena vakuovou komorou 2, jejíž vnitřní prostor je přes regulační ventil 5 propojen s vývěvou 6. Vakuová komora 2 je vybavena elektricky vodivým páskovým závitem 4, nad jehož měřícím prostorem 1 délky d je umístěn plazmový zdroj 7 a podél jehož bočních stěn je umístěna dvojice Helmholtzových cívek 3 sloužících ke generování stacionárního magnetického pole B, jehož směr vektoru je kolmý na směr plazmatu generovaného ze zdroje 7. Plazmový zdroj 7 je přes průtokoměr 14 napojen na zásobník 15 pracovního plynu umístěný vně vakuové komory 2 a páskový závit 4 je přes měřič 9 vysokofrekvenční impedance napojen na signálový vysokofrekvenční generátor W s nastavitelnou frekvencí, například v rozsahu 10 až 1000 MHz, kde přístroje 9 a 10 jsou rovněž umístěny vně vakuové komory 2, když propojení páskového závitu 4 směrem vně vakuové komory 2 je realizováno přes elektrickou průchodku 8. V měřícím prostoru i páskového závitu 4 jsou pak ve směru vektoru stacionárního magnetického pole ustaveny tři vysoko-3 CZ 29519 Ul frekvenční magnetické sondy ϋ které jsou samostatně propojeny přes vysokofrekvenční detektory 12 k indikátorům 13 velikosti signálu, jak je patrné z obr. 2.
Při funkci aparatury je využito popsané vlnové ECWR rezonance v páskovém závitu 4 výhradně pro diagnostiku plazmatu, tedy efektu ECWR rezonance není použito ke generaci plazmatu ani jeho ovlivnění, ale k určení parametrů plazmatu, a to zejména koncentrace elektronů. Páskový závit 4 je napájen signálovým vysokofrekvenčním generátorem 10 o proměnné frekvenci, například v rozsahu f=10 až 1000 MHz, v prostoru vysokofrekvenčně buzeného měřícího páskového závitu 4, ve kterém je dále aplikováno regulovatelné stacionární pomocné magnetické pole B vybuzené Helmholtzovými cívkami 3 umístěnými vně páskového závitu 4, je generována pravotočivě polarizovaná elektronová cyklotronová vlna. Ta má ale dostatečně malou amplitudu, aby v měřícím prostoru I příliš neovlivňovala měřené plazma. Při vhodné velikosti frekvence buzení páskového závitu 4 a nastavené velikosti stacionárního magnetického pole B, dostáváme uvnitř závitu vlnovou ECWR rezonanci podle vztahu (5). Ze znalosti délky závitu d a budící kruhové frekvence ω lze ze vztahu (5) vypočítat reálnou část indexu lomu nr:
(6) nr = (2k+l)2ttc 2 do
Řád rezonance určené číslem k ve vztahu (5) je stanoven pomocí tri vysokofrekvenčních magnetických sond U umístěných ve středu a na obou okrajích páskového závitu 4 a tvořených malou vzduchovou cívkou s několika závity. Tyto vysokofrekvenční magnetické sondy 11 umožní určit amplitudu vysokofrekvenčního magnetického pole v daném místě.
Dále ze znalosti «r za předpokladu že platí podmínka pro kruhovou frekvenci ω buzení závitu vztah ω»ν, kde v je srážková frekvence elektronů, můžeme ze vztahu (4) určit koncentraci elektronů v měřené oblasti, když do (4) dosadíme za a <uc z (1) a (2) a dostaneme pro ny.
(7) ne (i - n?) <&&ome e2 (G>eB me kde, kruhová frekvence co budícího vysokofrekvenčního generátoru 10 a velikost stacionárního magnetického pole B jsou dva nezávislé parametry nastavené tak, aby byla v měřícím páskovém závitu 4 identifikována ECWR rezonance.
Stav ECWR vlnové rezonance v měřícím páskovém závitu 4 je identifikován dvěma způsoby:
(i) ostrou změnou vysokofrekvenční impedance měřícího páskového závitu 4 v plazmatu pro stav vlnové ECWR rezonance.
(ii) poměrem velikostí amplitud vysokofrekvenčních magnetických polí změřených uvnitř měřícího páskového závitu 4. Tyto umožní určit i řád k vlnové rezonance.
Alternativně po provedení stanovení koncentrace elektronů ne z různých dvojic B, o), pro které byla v páskovém závitu 4 identifikována ECWR rezonance, je možné nastavit co na nižší hodnoty, kde nebude již platit podmínka co»v. Pokud je pro tento případ nalezena ECWR rezonance pro tyto ω a B, je možné pro výpočet reálné částí nr použít složitější vztah (3). Pokud již známe koncentraci elektronů ne a reálnou část nr ze vztahu (6), je možné určit ze vztahu (3) i srážkovou frekvenci elektronů v. Srážková frekvence elektronů je funkcí elektronové teploty Te, kterou lze v některých případech ze srážkové frekvence v určit.
Průmyslová využitelnost
Způsob měření a aparatura konstruovaná podle technického řešení jsou vhodné pro použití při měření parametrů technologického chemicky aktivního a depozičního plazmatu. Nová měřící metoda je vhodná pro nízkotlaké plazma jako jsou HIPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering) pulzní magnetrony, iontové zdroje, systémy plazmového leptání a nízkotlaké PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) reaktory. Z principu měřící metody je zřejmé, že přesnost měření parametrů plazmatu nebude ovlivněna pokrytím páskového závitu a dalších komponent tenkou vrstvou během plazmového procesu.

Claims (2)

1. Vysokofrekvenční aparatura pro měření parametrů plazmatu s využitím vlnové rezonance elektronové cyklotronové vlny s využitím vlnové rezonance elektronové cyklotronové vlny za účelem určení jeho parametrů, zejména koncentrace elektronů v plazmatu, které je tvořeno vaku5 ovou komorou (2), jejíž vnitřní prostor je propojen s vývěvou (6) a je v něm umístěn vodivý páskový závit (4), nad jehož měřícím prostorem (1) délky (d) je umístěn plazmový zdroj (7) napojený na zásobník (15) pracovního plynu, vyznačující se tím, že páskový závit (4) je přes měřič (9) vysokofrekvenční impedance napojen na signálový vysokofrekvenční generátor (10) s nastavitelnou frekvencí, přičemž podél bočních stěn páskového závitu (4) je umístěna dvoío jice Helmholtzových cívek (3) sloužících ke generování stacionárního magnetického pole (B) a v měřícím prostoru (1) páskového závitu (4) jsou ve směru vektoru stacionárního magnetického pole (B) ustaveny alespoň dvě vysokofrekvenční magnetické sondy (11), které jsou samostatně propojeny přes vysokofrekvenční detektory (12) k indikátorům (13) velikosti signálu.
2. Vysokofrekvenční aparatura podle nároku 1, vyznačující se tím, že vakuová
15 komora (2) je propojena s vývěvou (6) přes regulační ventil (5) a plazmový zdroj (7) je napojen na zásobník (15) pracovního plynu přes průtokoměr (14).
CZ2016-32296U 2016-04-18 2016-04-18 Vysokofrekvenční aparatura pro měření parametrů plazmatu s využitím vlnové rezonance elektronové cyklotronové vlny CZ29519U1 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2016-32296U CZ29519U1 (cs) 2016-04-18 2016-04-18 Vysokofrekvenční aparatura pro měření parametrů plazmatu s využitím vlnové rezonance elektronové cyklotronové vlny

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2016-32296U CZ29519U1 (cs) 2016-04-18 2016-04-18 Vysokofrekvenční aparatura pro měření parametrů plazmatu s využitím vlnové rezonance elektronové cyklotronové vlny

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ29519U1 true CZ29519U1 (cs) 2016-06-07

Family

ID=56108793

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2016-32296U CZ29519U1 (cs) 2016-04-18 2016-04-18 Vysokofrekvenční aparatura pro měření parametrů plazmatu s využitím vlnové rezonance elektronové cyklotronové vlny

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ29519U1 (cs)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ306854B6 (cs) * 2016-07-27 2017-08-09 Univerzita PalackĂ©ho Způsob vytváření tenkých depozičních vrstev pomocí nízkotlakého plazmatu a zařízení k provádění tohoto způsobu

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ306854B6 (cs) * 2016-07-27 2017-08-09 Univerzita PalackĂ©ho Způsob vytváření tenkých depozičních vrstev pomocí nízkotlakého plazmatu a zařízení k provádění tohoto způsobu

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hopwood et al. Electromagnetic fields in a radio‐frequency induction plasma
Gahan et al. Ion energy distribution measurements in rf and pulsed dc plasma discharges
Kamenski et al. An evaluation of different antenna designs for helicon wave excitation in a cylindrical plasma source
US20070252580A1 (en) Probe for Measuring Characteristics of an Excitation Current of a Plasma, and Associated Plasma Reactor
Lafleur et al. Characterization of a helicon plasma source in low diverging magnetic fields
Kaeppelin et al. Different operational regimes in a helicon plasma source
JP6078347B2 (ja) プラズマ処理装置
Shinohara et al. Helicon m= 0 mode characteristics in large-diameter plasma produced by a planar spiral antenna
Seo et al. Review of heating mechanism in inductively coupled plasma
Cunge et al. Anomalous skin effect and collisionless power dissipation in inductively coupled discharges
Lho et al. Azimuthally symmetric pseudosurface and helicon wave propagation in an inductively coupled plasma at low magnetic field
Takahashi et al. Low-magnetic-field enhancement of thrust imparted by a stepped-diameter and downstream-gas-injected rf plasma thruster
Enk et al. Radio frequency power deposition in a high-density helicon discharge with helical antenna coupling
CZ29519U1 (cs) Vysokofrekvenční aparatura pro měření parametrů plazmatu s využitím vlnové rezonance elektronové cyklotronové vlny
Binwal et al. Transverse magnetic field effects on spatial electron temperature distribution in a 13.56 MHz parallel plate capacitive discharge
Watts et al. Alfvén wave propagation in a partially ionized plasma
CZ306799B6 (cs) Způsob měření depozičního nízkotlakého plazmatu s využitím vlnové rezonance elektronové cyklotronové vlny a zařízení k provádění tohoto způsobu
Binwal et al. Passive inference of collision frequency in magnetized capacitive argon discharge
Scharwitz et al. Optimised plasma absorption probe for the electron density determination in reactive plasmas
Panevsky et al. Characterization of the resonant electromagnetic mode in helicon discharges
Virko et al. Helicon discharge excited by a planar antenna in bounded volume
Liu et al. Experimental and numerical investigations of the characteristics of electron density in O2/Ar pulsed planar-coil-driven inductively coupled plasmas
He et al. Effect of a DC gradient magnetic field on electron density in a weakly magnetized inductively coupled plasma
Vartanian et al. Propagation in ferrite-filled transversely magnetized waveguide
Gould et al. Electro-mechanical modes in plasma waveguides

Legal Events

Date Code Title Description
FG1K Utility model registered

Effective date: 20160607

MK1K Utility model expired

Effective date: 20200418