RU2777900C2 - Method for diagnosing plasma method and langmuir probe with a protective ring for implementation thereof - Google Patents
Method for diagnosing plasma method and langmuir probe with a protective ring for implementation thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2777900C2 RU2777900C2 RU2021100442A RU2021100442A RU2777900C2 RU 2777900 C2 RU2777900 C2 RU 2777900C2 RU 2021100442 A RU2021100442 A RU 2021100442A RU 2021100442 A RU2021100442 A RU 2021100442A RU 2777900 C2 RU2777900 C2 RU 2777900C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- probe
- plasma
- protective ring
- langmuir
- area
- Prior art date
Links
- 239000000523 sample Substances 0.000 title claims abstract description 67
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 title claims abstract description 38
- 230000001681 protective Effects 0.000 title claims abstract description 29
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к экспериментальной технике диагностики плазмы и может быть использовано для плоского одиночного зонда Ленгмюра.The invention relates to an experimental technique for plasma diagnostics and can be used for a flat single Langmuir probe.
Из существующего уровня техники известен способ зондовой диагностики плазмы с помощью одиночного зонда Ленгмюра (патент РФ №2642493, кл. Н05Н 1/100, 03.11.2016). Суть способа заключается в том, что в плазму помещают зонд, в виде отрезка металлической нити, подключенной через источник зондового напряжения к металлическому корпусу газоразрядного устройства или дополнительному опорному электроду с принятием мер по защите зондовой цепи от электрических наводок и по очистке собирающей поверхности зонда и регистрируют его вольт-амперные характеристики.From the existing level of technology, a method for probe diagnostics of plasma using a single Langmuir probe is known (RF patent No. 2642493,
Недостатком данного способа устройств является то, что из-за образования двойного электрического слоя на поверхности зонда площадь, «собирающая» электроны, изменяется, что приводит к погрешности в определении вольтамперных характеристик, а, следовательно, и в вычислениях концентрации и температуры плазмы.The disadvantage of this method of devices is that due to the formation of a double electric layer on the surface of the probe, the area that "collects" electrons changes, which leads to errors in determining the current-voltage characteristics, and, consequently, in calculating the concentration and temperature of the plasma.
Из существующего уровня техники известен способ зондовой диагностики плазмы с помощью электрического зонда Ленгмюра (патент РФ №2503158, кл. Н05Н 1/100, 27.12.2012) основанный на активном зондировании исследуемой плазмы током малой интенсивности. Суть способа заключается в том, что в плазму помещают зонд, прикладывают к нему дискретные ступенчатые импульсы напряжения. Далее, регистрируя вольтамперные характеристики, измеряют потенциал пространства плазмы.From the existing state of the art, a method for probe diagnostics of plasma using an electric Langmuir probe (RF patent No. 2503158,
Недостатком данного способа является то, что из-за образования двойного электрического слоя на поверхности зонда площадь, «собирающая» электроны, изменяется, что приводит к погрешности в определении вольтамперных характеристик, а, следовательно, и в вычислениях концентрации и температуры плазмы.The disadvantage of this method is that due to the formation of a double electric layer on the surface of the probe, the area "collecting" electrons changes, which leads to errors in determining the current-voltage characteristics, and, consequently, in calculating the concentration and temperature of the plasma.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ зондовой диагностики плазмы и устройство для его осуществления (Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969, 292 с.), Суть способа заключается в том, что в плазму помещают металлический проводник (далее - зонд) различной формы - плоской, цилиндрической или сферической. С помощью внешнего источника напряжения задают потенциал зонда одного из инициирующих разряд электродов (чаще всего находящегося под нулевым потенциалом). Регистрируют зависимость тока на зонд от подаваемого на него потенциала, т.е. снимают зондовую вольтамперную характеристику (ВАХ), по которой судят о концентрации электронов плазмы.Closest to the claimed technical solution is the method of plasma probe diagnostics and a device for its implementation (Kozlov O.V. Electric probe in plasma. M .: Atomizdat, 1969, 292 p.), The essence of the method is that a metal conductor (hereinafter referred to as the probe) of various shapes - flat, cylindrical or spherical. Using an external voltage source, the potential of the probe of one of the electrodes initiating the discharge (most often at zero potential) is set. The dependence of the current to the probe on the potential applied to it is recorded, i.e. remove the probe current-voltage characteristic (CVC), which is used to judge the concentration of plasma electrons.
Недостатком данного способа является то, что из-за образования двойного электрического слоя на поверхности зонда площадь, «собирающая» электроны, изменяется, что приводит к погрешности в определении вольтамперных характеристик, а, следовательно, и в вычислениях концентрации и температуры плазмы.The disadvantage of this method is that due to the formation of a double electric layer on the surface of the probe, the area "collecting" electrons changes, which leads to errors in determining the current-voltage characteristics, and, consequently, in calculating the concentration and temperature of the plasma.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является повышение точности определения параметров плазмы (электронной концентрации и температуры нестационарной плазмы), за счет уменьшения погрешности измерений.The task to be solved by the claimed invention is to improve the accuracy of determining the parameters of the plasma (electron density and temperature of non-stationary plasma), by reducing the measurement error.
Техническим результатом является уменьшение погрешности измерений электронной концентрации и температуры нестационарной плазмы на 14-21%.The technical result is to reduce the measurement error of the electron density and temperature of non-stationary plasma by 14-21%.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе зондовой диагностики плазмы, включающем установку зонда в плазму и регистрацию вольтамперной характеристики, по которой определяют параметры плазмы, согласно изобретению, устанавливают на зонд защитное кольцо из проводящего материала, затем вводят в плазму зонд с защитным кольцом, посредством которого обеспечивают возникновение на зонде и на защитном кольце электрических слоев, перекрывающих друг друга, и тем самым уменьшают площадь обоих электрических слоев.The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the method of probe diagnostics of plasma, including installation of the probe into the plasma and registration of the current-voltage characteristic, according to which the plasma parameters are determined, according to the invention, a protective ring made of a conductive material is installed on the probe, then the probe is introduced into the plasma with a protective ring, by means of which it is ensured that electrical layers overlap each other on the probe and on the protective ring, and thereby reduce the area of both electrical layers.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается также тем, что в устройстве для зондовой диагностики плазмы, содержащем источник питания, зонд и блок измерения, подключенные к зонду, согласно изобретению, зонд содержит защитное кольцо из проводящего материала. При введении зонда с защитным кольцом в плазму, на защитном кольце и на зонде возникают электрические слои, перекрывающие друг друга, и тем самым уменьшающие площадь обоих электрических слоев.The problem is solved, and the technical result is also achieved by the fact that in the device for probe diagnostics of plasma, containing a power source, a probe and a measurement unit connected to the probe, according to the invention, the probe contains a protective ring made of a conductive material. When a probe with a protective ring is introduced into the plasma, electrical layers appear on the protective ring and on the probe, overlapping each other, and thereby reducing the area of both electrical layers.
Из-за того, что на поверхности зонда возникает двойной электрический слой, площадь «собирающая» электроны, постоянно изменяется, из-за чего возникают погрешности в измерениях. При добавлении защитного кольца из проводящего материала двойной электрический слой будет возникать так же и на нем. В результате, между защитным кольцом и зондом возникнет область, в которой два электрических слоя будут пересекать друг друга. В результате перекрывания площадь обоих электрических слоев уменьшится, за счет чего уменьшится погрешность снятых вольтамперных характеристик, а, следовательно, и измерений.Due to the fact that a double electric layer appears on the surface of the probe, the area "collecting" electrons is constantly changing, which causes errors in measurements. When adding a protective ring of conductive material, an electric double layer will also appear on it. As a result, a region will appear between the protective ring and the probe, in which two electrical layers will cross each other. As a result of overlapping, the area of both electrical layers will decrease, due to which the error of the taken current-voltage characteristics will decrease, and, consequently, the measurements.
Кроме того, возможно изменение диаметра защитного кольца, за счет чего будет возможно использование зонда Ленгмюра с защитным кольцом при различных давлениях.In addition, it is possible to change the diameter of the protective ring, due to which it will be possible to use a Langmuir probe with a protective ring at different pressures.
Существо изобретения поясняется чертежами, На фиг. 1 изображена конструкция устройства, на фиг. 2 изображена схема реализации способа.The essence of the invention is illustrated by drawings, Fig. 1 shows the design of the device, Fig. 2 shows a diagram of the implementation of the method.
Устройство содержит одиночный зонд Ленгмюра 1 (фиг. 1), двойной электронный слой 2, изоляционный слой 3 и защитное кольцо 4. Схема реализации способа (фиг. 2) содержит одиночный зонд Ленгмюра 1 с защитным кольцом 4, вакуумную камеру 5, электрод-анод 6, источник питания 7, блок измерения 8.The device contains a single Langmuir probe 1 (Fig. 1), a
Устройство работает следующим образом. Одиночный плоский зонд Ленгмюра 1 с защитным кольцом 4 помещают в вакуумную камеру 5. Из-за того, что на поверхности одиночного плоского зонда Ленгмюра возникает двойной электрический слой 2, площадь «собирающая» электроны, постоянно изменяется, из-за чего возникают погрешности в измерениях. При добавлении защитного кольца 4 двойной электрический слой 2 будет возникать так же и на нем. В результате, между защитным кольцом 4 и одиночным плоским зондом Ленгмюра 1 возникнет область, в которой два электрических слоя будут пересекать друг друга. В результате перекрывания площадь обоих электрических слоев уменьшится, за счет чего уменьшится погрешность снятых вольтамперных характеристик, а, следовательно, и измерений. Изменяя диаметр защитного кольца 4, можно использовать одиночный плоский зонд Ленгмюра 1 с защитным кольцом 4 при различных давлениях.The device works as follows. A single flat Langmuir
Пример конкретной реализации способа.An example of a specific implementation of the method.
Способ осуществляется следующим способом. В вакуумную камеру помещают одиночный плоский зонд Ленгмюра с защитным кольцом 4. Проводят откачку вакуумной камеры 6 до достижения предельного вакуума (200 Па), включают подачу рабочего газа 35% N2+15% H+50% Ar в вакуумную камеру и электропитания в индуктор. В вакуумной камере создается плазма. Задают напряжение 400-500 В при помощи источника питания 8. Определяют вольтамперные характеристики для установившихся значений тока заряженных частиц на одиночный плоский зонд Ленгмюра с защитным кольцом 4. Далее, согласно известным методам обработки зондовых вольтамперных характеристик определяют электронную концентрацию и температуру плазмы.The method is carried out in the following way. A single flat Langmuir probe with a
Толщина электрического слоя постоянна для идентичных условий и находится из формулы (1):The thickness of the electrical layer is constant for identical conditions and is found from formula (1):
где ε - диэлектрическая проницаемость среды;where ε is the dielectric constant of the medium;
n - концентрация заряженных частиц;n is the concentration of charged particles;
кТ - тепловая энергия иона;kT is the thermal energy of the ion;
q - заряд электронаq - electron charge
Погрешность при измерении вызвана разницей между площадью плоского зонда Ленгмюра и площадью электрического слоя. Эту погрешность можно найти из формулы (2):The measurement error is caused by the difference between the area of the flat Langmuir probe and the area of the electrical layer. This error can be found from formula (2):
где d - диаметр плоского зонда Ленгмюра.where d is the diameter of the flat Langmuir probe.
Рассчитав примерную толщину двойного электрического слоя для наших параметров и взяв значения диаметра плоского зонда Ленгмюра равным 10-15 мм получим, что погрешность площади, «собирающей» электроны равна:Calculating the approximate thickness of the electrical double layer for our parameters and taking the diameter of the flat Langmuir probe equal to 10-15 mm, we get that the error of the area that “collects” electrons is equal to:
Таким образом, из расчетов видно, что погрешность площади, «собирающей» электроны равна 14-21%.Thus, it can be seen from the calculations that the error of the area that "collects" electrons is 14-21%.
Заявленный способ имеет следующее преимущество: повышение точности определения параметров плазмы (концентрации и температуры).The claimed method has the following advantage: improving the accuracy of determining plasma parameters (concentration and temperature).
Claims (2)
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2021100442A RU2021100442A (en) | 2022-07-12 |
RU2777900C2 true RU2777900C2 (en) | 2022-08-11 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9017513B2 (en) * | 2012-11-07 | 2015-04-28 | Lam Research Corporation | Plasma monitoring probe assembly and processing chamber incorporating the same |
RU2642493C1 (en) * | 2016-11-03 | 2018-01-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Method of local diagnostics of maxwell's plasma by single langmuir probe |
JP2019046787A (en) * | 2017-09-05 | 2019-03-22 | 東京エレクトロン株式会社 | Plasma probe apparatus and plasma processing apparatus |
RU199908U1 (en) * | 2020-04-15 | 2020-09-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» | LENGMUIR PROBE FOR DIAGNOSTICS OF GAS-METAL PLASMA |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9017513B2 (en) * | 2012-11-07 | 2015-04-28 | Lam Research Corporation | Plasma monitoring probe assembly and processing chamber incorporating the same |
RU2642493C1 (en) * | 2016-11-03 | 2018-01-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Method of local diagnostics of maxwell's plasma by single langmuir probe |
JP2019046787A (en) * | 2017-09-05 | 2019-03-22 | 東京エレクトロン株式会社 | Plasma probe apparatus and plasma processing apparatus |
RU199908U1 (en) * | 2020-04-15 | 2020-09-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» | LENGMUIR PROBE FOR DIAGNOSTICS OF GAS-METAL PLASMA |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Bertocci et al. | Noise resistance applied to corrosion measurements: II. Experimental tests | |
US7829468B2 (en) | Method and apparatus to detect fault conditions of plasma processing reactor | |
TWI411035B (en) | Method for controlling plasma processing using parameters derived through the use of a planar ion flux probing arrangement | |
TW541615B (en) | Plasma processing device for processing semiconductor wafer with plasma | |
JP4681718B2 (en) | Capacitive probe for in-situ measurement of DC bias voltage of wafer | |
JP4928817B2 (en) | Plasma processing equipment | |
RU2777900C2 (en) | Method for diagnosing plasma method and langmuir probe with a protective ring for implementation thereof | |
JP2001237097A (en) | Plasma measurement method and measurement equipment | |
Zebboudj et al. | Current and electric field measurements in coaxial system during the positive DC corona in humid air | |
Sherman et al. | The voltage, self-generated magnetic field and current distribution in a high-current vacuum arc | |
Ward et al. | Electrical breakdown in hydrogen at low pressures | |
JP3975759B2 (en) | Plasma measuring apparatus, measuring method and sensor probe | |
Barnes | The dynamic characteristics of a low pressure discharge | |
Sun et al. | Research on ion enhancement effect in micro-gap gas discharge | |
CN114216808A (en) | Gas impurity detection device and detection method | |
KR101787876B1 (en) | A method and system for measuring plasma density using capacitance, and a prove therefor | |
JPH0364897A (en) | Measuring method of plasma parameter | |
KR20100106088A (en) | Plasma diagnostic apparatus | |
Taniuchi et al. | A New Floating-Probe for Measurement of Insulated Plasma Produced by Radio-Frequency Power | |
JP2002014171A (en) | HIGH-PERFORMANCE He-3 COUNTER FOR NEUTRON | |
JP2006012424A (en) | Plasma measuring method and plasma measuring device | |
SU1177779A1 (en) | Method of determining quality of non-conducting coatings on electric-conducting base | |
Ciobanu et al. | Electron energy distribution function in the positive column of a helium-cadmium laser | |
KR20090116391A (en) | Method of measuring plasma and apparatus of processing the same | |
Wetzer et al. | The design of high-voltage insulators for spacecraft traveling wave tubes |