Elektronfűtési mechanizmusok rádiófrekvenciás gázkisülésekben

Átírás

1 Elektronfűtési mechanizmusok rádiófrekvenciás gázkisülésekben Munkabeszámoló Derzsi Aranka Wigner FK SZFI Komplex Folyadékok Osztálya 213 április 16

2 Előzmények / Visszatekintés 27 aug. 21 szept. Marie Curie Fellow: Early Stage Researher Analytical Glow Discharge Network Kutatási téma: analitikai célú ködfénykisülések Modellezés - katódporlasztás szimulációja 21 ápr. 6 Munkabeszámoló Gázkisülések alkalmazása szilárd minták összetételének analízisére 21 szept. Akadémiai fiatal kutató Kutatási téma: rádiófrekvenciás gerjesztésű gázkisülések 212 jún. 4 Ph.D védés, Kolozsvári Babeș-Bolyai Tudományegyetem Statistical physics models for biological and sociological phenomena Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16

3 Az előadás vázlata Motiváció Rádiófrekvenciás (RF) kisülések Általános jellemzők Működési módok Elektronegatív RF kisülések Vizsgálati módszerek Eredmények: - Elektronfűtés egyfrekvenciás CF 4 kisülésekben - Elektronfűtés és elektromos aszimmetria kétfrekvenciás CF 4 kisülésekben Egyéb témák / További tervek Publikációk / Tudománymetriai adatok Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16

4 Motiváció RF gerjesztésű gázkisüléseknek számos alkalmazásuk van Rétegleválasztás pl. napelemgyártás Különböző követelmények alacsony átlagos ionenergia nagy ion fluxus Felületmarás pl. chipgyártás, mikrostruktrúrák létrehozása nagy átlagos ionenergia felületre merőleges, nagy ion fluxus Felületkezelés pl. biokompatibilis felületek létrehozása, sterilizálás reaktív részecskék a felületnél Fontos, hogy az alkalmazásnak megfelelően tudjuk beállítani / változtatni a plazma paramétereit. Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16

5 n RF gázkisülések - Jellemzők Egy RF periódusra átlagolt sűrűségek Plazma Földelt elektróda tértöltött réteg az elektródák közelében kvázisemleges plazma Elektropozitív plazma n n e Táplált elektróda V(t) C RF elektronok ionok Elektronegatív plazma n e n n elektróda távolság: 1 cm - 5 cm Töltött részecskék fűtése x Plazma elektronegativitása: n n e elektróda felület: 1 cm 2 - m 2 gerjesztő frekvencia: 1 MHz - 1 MHz gáz nyomása:.1 Pa atm. nyomás Az elektronok oszcillálnak a két elektróda között és eközben nyernek energiát. részecskesűrűség: m -3 elektron hőmérséklet: néhány ev ion hőmérséklet: gázhőmérséklet Az ionok a tértöltött rétegen áthaladva nyernek energiát. Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16

6 n ionfluxus <ionenergia> RF gázkisülések - Jellemzők Egy RF periódusra átlagolt sűrűségek Plazma Földelt elektróda tértöltött réteg az elektródák közelében kvázisemleges plazma Ionfluxus ( i ) és ionenergia ( E ) i egymástól független szabályozása az eletródáknál Elektropozitív plazma n e n V(t) C RF Táplált elektróda elektronok ionok Elektronegatív plazma i n n e n n n e E i elektróda távolság: 1 cm - 5 cm elektróda felület: 1 cm 2 - m 2 gerjesztő frekvencia: 1 MHz - 1 MHz gáz nyomása:.1 Pa atm. Nyomás részecskesűrűség: m elektron hőmérséklet: néhány ev ion hőmérséklet: gázhőmérséklet Töltött részecskék fűtése x Az elektronok oszcillálnak a két elektróda között és eközben nyernek energiát. Az ionok a tértöltött rétegen áthaladva nyernek energiát. kontroll paraméter Plazma elektronegativitása: ionfluxus az elektronok fűtése és az ionizáció n határozza meg n e ionenergia tértöltött réteg tulajdonságai határozzák meg Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16

7 RF gázkisülések Működési módok L 2.5 cm p 2 Pa 3 V f α mód MHz γ- mód Ionizációs ráta [1 21 m -3 s -1 ] α mód ionizáció a tértöltött réteg határán gyorsított elektronok által Szimuláció. Z. Donkó γ mód - ionizáció az elektróda felületéről kiváltott és a tértöltött rétegben gyorsított elektronok által Ph. Belenguer, J.P. Boeuf, Phys. Rev. A (199) - tipikus működési módok elektropozitív RF kisülések esetén Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16

8 RF elektronegatív kisülések nagy elektromos tér, elektronfűtés és ionizáció a kvázisemleges plazma tartományban és a tértöltött réteg határán O.V. Proshina et. al. PSST 19, 6513 (21) Időben átlagolt szimulációs eredmények CF 4 gázban L 2.5 cm p 26.7 Pa 2 V f MHz két elektronfűtési mód nagy átlagos elektron energia a kvázisemleges plazma tartományban erősen elektronegatív kisülésekben váltás a működési módok között a nyomás és feszültség változtatásával Elektropozitív kisülésektől eltérő elektronfűtés és ionizáció elektronegatív kisülésekben. Mi okozza? -idő és térbeli felbontásban vizsgálni a kisülés jellemzőit (szimuláció és kisérlet) Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16

9 Elektronfűtés egyfrekvenciás CF 4 kisülésekben

10 Módszerek Szimuláció Particle-In-Cell & Monte Carlo Collisions (PIC-MCC) C. K. Birdsall, IEEE Trans. Plasma Sci, 19 (1991) Részecske alapú kinetikus leírás szuperrészecskék - nagyszámú valódi részecskét képviselnek részecskék kölcsönhatása: elektromos tér közvetítésével Kísérletek Phase Resolved Optical Emission Spectroscopy (PROES) Institute of Physics, University of Greifswald Institute for Plasma and Atomic Physics, Ruhr-University Bochum Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16

11 PIC-MCC szimuláció CF 4 gázban követett részecskék: e, CF3, CF3, F Elektron - CF 4 ütközések Ion - CF 4 ütközések Részecske Reakció E [ev] CF 4 CF 2 CF 4 F CF 4 F CF 4 CF CF 4 CF 4 e CF 4 - e CF 4 CF 2 CF 4 F CF 4 - CF 4 F - F - CF 4 CF 4 F e F - F - CF 4 F - F F - F - CF 4 F - CF 4 K. Nanbu, IEEE Trans. Plasma Sci (2) V. Georgieva et. al., Phys. Rev. E (24) Reakció Ráta [m 3 s -1 ] e x 1-15 T i -1 T e -.5 F x 1-13 Rekombinációs folyamatok Ütközés típusa Keletkezett részecske Rugalmas ütközés E [ev] Vibrációs gerjesztés.18 Vibrációs gerjesztés.168 Vibrációs gerjesztés.77 Elektromos gerjesztés CF 4 * 7.54 Disszociatív ionizáció 41 Disszociatív ionizáció 16 Disszociatív ionizáció CF 2 42 Disszociatív ionizáció CF 2 21 Disszociatív ionizáció CF 26 Disszociatív ionizáció C 34 Disszociatív ionizáció F 34 Attachment F - Attachment - Disszociáció 12 Disszociáció CF 2 17 Disszociáció CF 18 CF 3 CF x 1-13 M. Kurihara et. al., J. Phys. D (2) K. Denpoh, K. Nanbu, Japan Appl. Phys (2) R.A. Bonham, Japan. Appl. Phys (1994) S. Rauf, M.J. Kushner, J. Appl. Phys (1997) O.V. Proshina et. al., PSST (21) Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16

12 x (cm) Distance from powered electrode (cm) Elektronfűtés elektronegatív kisülésekben földelt elektróda táplált elektróda Argon α mód Argon γ - mód CF 4 x (cm) x (cm) elektronegatívitás Ar, 8 Pa, 1 V, = Elektronfűtés Ionizációs ráta Térerősség Elektronsűrűség [1 5 Wm -3 ] [1 21 m -3 s -1 ] [1 3 Vm -1 ] [1 15 m -3 ] Ar, 8 Pa, 2 V, = Ar, 8 Pa, 1 V, = Ar, 8 Pa, 2 V, = CF 4, 8 Pa, 4 V, =.1 CF 3. 4, 8 Pa, 4 V, =.1 CF 18. 4, 8 Pa, 4 V, =.1 CF 4, 8 Pa, 4 V, = t (ns) t (ns) t (ns) t (ns) t (ns) t (ns) L.5cm p 8Pa V ( t) V cos(2 ft) f MHz 1 Derzsi A. Munkabeszámoló április Ar, 8 Pa, 1 V, = Ar, 8 Pa, 2 V, = Ar, 8 Pa, 1 V, = Ar, 8 Pa, 2 V, = J. Schulze, A. Derzsi, K. Dittmann, T. Hemke, J. Meichsner, Z. Donkó, Phys. Rev. Lett. 17, 2751 (211)

13 E (V/cm) Electric field (V/cm) x (cm) Elektronfűtés elektronegatív kisülésekben Elektronfűtés Ionizációs ráta Térerősség Elektronsűrűség [1 5 Wm -3 ] [1 21 m -3 s -1 ] [1 3 Vm -1 ] [1 15 m -3 ] PIC Model CF Distance from powered electrode (cm) t (ns) t (ns) t (ns) t (ns) - analiktikus modell az elektromos térre: J Schulze, Z Donkó, B G Heil, D Luggenhölscher, T Mussenbrock, R P Brinkmann, U Czarnetzki, 28 J. Phys. D: Appl. Phys E m n e 2 ee j t c j 1 en 2 e j 2 j 2 th ne x jg n e j 2 th 2 2 e ne kte m e szimulációbol kapott adatokat használjuk a modellben (ionizáció maximum: ~26 ns) ne, j, c, kte, G Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16 x (cm)

14 x (cm) E (V/cm) Elektronfűtés elektronegatív kisülésekben Drift tér Ambipolaris tér kis elektronsűrűség a kvázisemleges térrészben - kis DC vezetőképesség erős Drift tér elektronsűrűség - lokális maximum a tértöltött részek határán Ambipoláris tér x (cm) Elektronsűrűség [1 15 m -3 ] E m n e 2 ee j t c j 1 en 2 e j 2 j 2 th ne x jg n e E D drift tér 1 dc j ambipoláris tér E A n e kt e ne x Drift-Ambipoláris mód t (ns) Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16

15 x (cm) Distance from powered electrode (cm) Elektronfűtés elektronegatív kisülésekben DA-mód CF 4, 4 Pa, 1 V α mód CF 4, 4 Pa, 4 V f L cm, 13.56MHz, p V ( t) 4Pa PIC/MCC szimuláció Ionizációs ráta [1 21 m -3 s -1 ] V cos(2 ft) PROES mérés Plazma emisszió 25 nm [mérés:institute of Physics, University of Greifswald] t (ns) t (ns) t (ns) t (ns) Elektron fűtési mód változása a feszültség növelésével. Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16

16 x (cm) Distance from powered electrode (cm) Elektronfűtés elektronegatív kisülésekben hybrid(αda) mód DA-mód f L cm, MHz, V V ( t) 2V V cos(2 ft) 1,5 CF 4, 4 Pa, 2 V 1,5 CF 4, 8 Pa, 2 V 1,,5, , 2,6 2,3 1,9 1,5 1,1,8,4 1,,5, ,3 8,2 7, 5,8 4,7 3,5 2,3 1,2 PIC/MCC szimuláció: Ionizációs ráta [1 21 m -3 s -1 ] 1,5 1,5 1,,5, ,8,7,6,5,4,3,2,1 1,,5, , 1,8 1,5 1,3 1,,8,5,3 PROES mérés: Plazma emisszió 25 nm [mérés:institute of Physics, University of Greifswald] t (ns) t (ns) t (ns) t (ns) Elektron fűtési mód változása a nyomás növelésével. Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16

17 Elektronfűtés és elektromos aszimmetria kétfrekvenciás CF 4 kisülésekben

18 V [a.u] ~ [a.u] Ionfluxus és ionenergia szabályozása - Elektromos aszimmetria Geometriailag szimmetrikus, kétfrekvenciás RF kisülés Földelt elektróda Elektromos aszimmetria effektus (EAE) gerjeszés: alapharmonikus páros felharmonikus egyenfeszültségű komponens geometriailag szimmetrikus elektróda elrendezés esetén a gerjesztő frekvenciák közötti θ fázisszöggel változtatni lehet a DC előfeszítés mértékét és ezáltal hangolni az ionok energiáját. Táplált elektróda ~ V ( t) ( t) = o =45 o =9 o =27 o DC előfeszítés HF LF ~ ( t) LF ~ ( t), V ( t) [V] cos(2 ft ) HF cos(4 ft ) DC előfeszítés ~ ~ max 1 min t [a.u] szimmetria paraméter A 2 p A g n n sp sg t [a.u] Heil B G, Czarnetzki U, Brinkmann R P and Mussenbrock T, 28 J.Phys. D Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16

19 x [cm] x [cm] x [cm] x [cm] x [cm] x [cm] Elektronfűtés kétfrekvenciás gerjesztés estén Elektronfűtés [1 5 Wm -3 ] Ionizáció [1 21 m -1 s -1 ] Argon, 5Pa HF LF 5 V ionizáció a tértöltött rész határán α mód LF CF 4, 3 Pa 1 V HF hybrid üzemmód (α DA) mód CF 4, 5 Pa LF HF 5 V ionizáció a kvázisemleges térrészben DA-mód f 13.56MHz, ~ ( t) cos(2 LF ft ) HF cos(4 f ) Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16 J. Schulze, A. Derzsi, Z. Donkó, PSST 2, 458 (211)

20 Ionfluxus és ionenergia szabályozhatósága elektronegatív kisülésekben ~ ( t) LF cos(2 ft ) HF cos(4 f ) f 13.56MHz L 2. 5cm LF [ o ] [ o ] HF 1 V 5 V LF HF A kvázisemleges térrészben történő elektronfűtés és ionizáció (drift-ambipláris mód) rontja az ionfluxus és ionenergia külön történő vezérlésének lehetőséget. Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16

21 Egyéb témák / További tervek Elektropozitív RF kisülések (Ar / He) PIC-MCC szimuláció - benchmarking (He) Fekvencia-kereszteffektus elektronegatív kisülésekben Többfrekvenciás kisülések SEA (Secondary Electron Asymmetry) effektus Elektronfűtés, ionfluxus és energia szabályozása esetén Impulzus üzemmódú RF kisülések Gyors atomok RF kisülésekben ip RF Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16

22 Publikációk 1. S. Biri, A. Derzsi, É. Fekete, I. Iván, High Energy Physics and Nuclear Physics 31, (27). 2. L. Kenéz, J. Karácsony, A. Derzsi, S. Biri, Physics Letters A 372, (28). 3. A. Derzsi, P. Hartmann, I. Korolov, J. Karácsony, G. Bánó, Z. Donkó, J. Phys. D Applied Physics 42, (29). 4. V. Efimova, A. Derzsi, A. Zlotorowicz, V. Hoffmann, Z. Donkó, J. Eckert, Spectrochimica Acta Part B 65, (21). 5. Sz. Horvát, A. Derzsi, Z. Néda, A. Balog, J. Theor. Biology 265, (21). 6. S. Biri, R. Rácz, J. Imrek, A. Derzsi, Z. Lécz, IEEE Transactions on Plasma Science 39, SI (211). 7. A. Derzsi, Z. Donkó, Journal of Analytical Atomic Spectrometry 26, (211). 8. A. Derzsi, N. Derzsy, E. Káptalan, Z. Néda, Physica A Statistical Mechanics and its Applications 39, (211). 9. I. Korolov, G. Bánó, Z. Donkó, A. Derzsi, P. Hartmann, Journal of Chemical Physics 134, 6438 (211). 1. J. Schulze, A. Derzsi, Z. Donkó, Plasma Sources Science & Technology 2, 458 (211). 11. J. Schulze, A. Derzsi, K. Dittmann, T. Hemke, J. Meichsner, Z. Donkó, Physical Review Letters 17, 2751 (211). 12. Á. Budea, A. Derzsi, P. Hartmann, Z. Donkó, Contributions to Plasma Physics 52, (212). 13. A. Derzsi, Z. Néda, Physica A Statistical Mechanics and its Applications 391, (212). 14. Z. Donkó, J. Schulze, U. Czarnetzki, A. Derzsi, P.Hartmann, I. Korolov, E. Schungel, Plasma Phys. Contr.. Fusion 54,1243 (212). 15. T. Hemke, D. Eremin, T. Mussenbrock, A. Derzsi, Z. Donkó, K. Dittmann, J. Meichsner, J. Schulze, PSST 22, 1512 (213). 16. M.M. Turner, A. Derzsi, Z. Donkó, D. Eremin, S.J. Kelly, T. Lafleur, T. Mussenbrock, Physics of Plasmas 2, 1357 (213). Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16

23 Publikációk / Tudománymetriai adatok Benyújtva A. Derzsi, I. Korolov, E. Schüngel, Z. Donkó, J. Schulze, Plasma Sources Sci. Technol. Electron heating and control of ion properties in capacitive discharges driven by customized voltage waveforms Előkészületben M. Shibab, A.T. Elgendy, I. Korolov, A. Derzsi, J. Schulze, D. Eremin, T. Mussenbrock, Z. Donkó, R.P. Brinkmann, Kinetic simulation of the sheath dynamics in the intermediate RF regime I. Korolov, A. Derzsi, Z. Donkó, J. Schulze, The influence of the secondary electron induced asymmetry on the Electrical Asymmetry Effect in capacitively coupled plasmas A. Derzsi, Z. Donkó, J. Schulze, Frequency coupling in capacitive dual-frequency electronegative discharges Tudománymetriai adatok MTMT adatbázis alapján Saját közlemények száma: 22 Idézetek száma: 48 Független idézetek száma: 29 Függő idézetek száma: 19 Összegzett impakt faktor: 29,339 Várható IF-ek összege: 9,88 Összesen: 39,219 Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16

24 Köszönetnyílvánítás Donkó Zoltán Hartmann Péter Korolov Ihor Kutasi Kinga Rózsa Károly Kovács Anikó Tóth József Császár György Thomanné F.Judit Sárközi Elek Derzsi A. Munkabeszámoló április. 16