Vzdělávání výzkumných pracovníků v Regionálním centru pokročilých technologií a materiálů reg. č.: CZ.1.07/2.3.00/09.0042 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
NOVÉ METODY DIAGNOSTIKY NÍZKOTEPLOTNÍHO PLAZMATU Martin Čada Oddělení nízkoteplotního plazmatu Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i. Na Slovance 2, 182 21 Praha 8 e-mail:
[email protected]
Univerzita Palackého v Olomouci
Obsah
Plazma–elektrický výboj v plynu ● Diagnostické metody ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
3
PLAZMA - historie J. A. Purkyně v polovině 19. století definoval slovem plazma čirou tekutinu, která zůstane po odloučení všech buněk z krve. ● I. Langmuir navrhl v roce 1928 nazývat ionizovaný plyn se stejným množstvím elektronů a iontů slovem plazma. ● Ionizovaný plyn - plazma ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
4
PLAZMA - definice 4. skupenství hmoty – elektricky neutrální látka s kladně a záporně nabitými částicemi. ● Debyeova stínící vzdálenost λ – jakýkoliv potenciál je D plazmatem odstíněn. ● Kolektivní chování – počet nabitých částic ve sféře poloměru λD musí být větší jak 1. ●
●
●
Kvazineutrální – platí jen pro rozměry plazmatu větší jak ~ λD. Plazmová frekvence je mnohem větší jak srážková frekvence elektronu s neutrálem.
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
5
PLAZMA – kde ho nalezneme Technologie přípravy tenkých vrstev. ● 99,999% vesmíru tvoří plazma. ● Hvězdy – plně ionizované. ●
Mezihvězdný prostor – 1/m3. ● Polární záře, plamen, blesk, ionosféra. ● Zářivka, výbojka, elektrický oblouk. ● Jaderná fúze – tokamak, stellarator, Z-pinch, laserové plazma. ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
6
PLAZMA – tenké vrstvy Rozprašování – magnetron, dutá katoda → terč je odprašován vysokoenergetickými ionty. ● Plazmové leptání – plasma produkuje radikály, ionty, metastabilní atomy → chemické reakce na substrátu, RIE, fyzikální leptání (odprašování) – jejich kombinace. ● PECVD – chemické prekurzory nejsou aktivovány vysokou teplotou, ale energií dodanou z plazmatu. ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
7
Diagnostika plazmatu Je třeba optimalizovat depoziční proces. ● Monitorovat parametry plazmatu: ● Teplota elektronů T . e ●
●
Hustota plazmatu ne.
Energetické rozdělovací funkce elektronů a iontů. ● Tok energie na substrát. ● Potenciál plazmatu a plovoucí potenciál V a Vfl. pl ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
8
Diagnostické metody Langmuirova sonda ● Kalorimetrická sonda ● Tzv. “ion flux” sonda ● Tzv. “hairpin” sonda ● Optická emisní spektroskopie ● Laserová absorpční spektroskopie ● Hmotnostní spektroskopie ● Energetický analyzátor iontů ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
9
Langmuirova sonda Lokální metoda. ● Měření V-I charakteristiky malého vodiče vloženého do plazmatu. ● Aparatura pro měření se skládá ze samotné Langmuirovy sondy a elektronické řídící jednotky snímající napětí a proud tekoucí sondou. ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
10
Diagnostické metody Langmuirova sonda ● Kalorimetrická sonda ● Tzv. “ion flux” sonda ● Tzv. “hairpin” sonda ● Optická emisní spektroskopie ● Laserová absorpční spektroskopie ● Hmotnostní spektroskopie ● Energetický analyzátor iontů ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
11
Diagnostické metody Langmuirova sonda ● Kalorimetrická sonda ● Tzv. “ion flux” sonda ● Tzv. “hairpin” sonda ● Optická emisní spektroskopie ● Laserová absorpční spektroskopie ● Hmotnostní spektroskopie ● Energetický analyzátor iontů ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
12
Diagnostické metody Langmuirova sonda ● Kalorimetrická sonda ● Tzv. “ion flux” sonda ● Tzv. “hairpin” sonda ● Optická emisní spektroskopie ● Laserová absorpční spektroskopie ● Hmotnostní spektroskopie ● Energetický analyzátor iontů ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
13
Hairpin sonda Jednoduchý mikrovlnný rezonátor vložený do plazmatu ● Princip: měření změny jeho rezonanční frekvence → souvislost s dielektrickou konstantou plazmatu ● První použití v pol. 70 let 20. století ●
R.L. Stenzel, Rev. Sci. Instrum., 47 (1976) 603-607 ●
Rozšíření metody pro diagnostiku plazmatu v technologických nízkoteplotních výbojích v první dekádě 21. stol. R.B. Piejak, et al., J. Appl. Phys. 95 (2004) 3785-3791 F.A. Haas, et al., Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 201503 S.K. Karkari, et al., Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 101501 B.L. Sands, et al., Plasma Sources. Sci. Technol. 16 (2007) 719-725
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
14
Hairpin sonda - konstrukce Existuje několik různých konstrukcí sondy ● Transmisní nebo reflexní „hairpin“ sonda ●
1. Vysílací anténa budí rezonátor a přijímací anténa měří odezvu sondy 2. Anténa měří odražený MW výkon Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
15
Hairpin sonda - konstrukce ●
DC nebo RF vazba mezi smyčkovou ant. a rezonátorem 1. možnost vložit DC předpětí na sondu. V RF výboji je na velké RF napětí na vrstvě prostorového náboje kolem sondy → nutná korekce. 2. Rezonátor oddělený od antény. Induktivní vazba ↑ Kapacitní vazba ↓ Možnost použití v RF výboji.
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
16
Hairpin sonda Laditelný MW generátor ● Směrový vazební článek ● Krystalový detektor – Schottky dioda ● Osciloskop ● Při rezonanci je odražený signál minimální ● Změna hustoty plazmatu znamená posun rezonanční frekvence. ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
17
Hairpin sonda - model ●
Hairpin sonda je jednoduchá dipólová anténa s otevřeným koncem a rezonanční frekvencí:
●
Dielektrická konstanta plazmatu bez mag. pole
●
Bezesrážkové plazma
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
18
Hairpin sonda - model ●
●
Vztah mezi plazmovou frekvencí a koncentrací elektronů:
Hustota plazmatu: frekvence v GHz → koncentrace v cm-3
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
19
Hairpin sonda - model ●
●
Korekce na úbytek elektronů ve vrstvě prostorového náboje v okolí sondy. Posun v rezonanční frekvenci bude menší: ζs - korekční faktor = fp2 / fp'2 b – tloušťka sheathu a – poloměr drátu sondy w – vzdálenost ramen rezonátoru
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
20
Hairpin sonda - model ●
Korekce na srážky elektronů s neutrálními částicemi v plazmatu. Dielektrická konstanta je komplexní a má reálnou a imaginární složku:
Reálná složka určuje posun v rezonanční frekvenci. ● Imaginární složka představuje srážkový útlum záření ve vodivém prostředí. Má tedy vliv na Q rezonátoru. ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
21
Hairpin sonda - model ●
●
Korekce na srážky elektronů s neutrálními částicemi v plazmatu je nutné provést jen pro reálnou složku dielektrické konstanty:
Korekční faktor:
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
22
Hairpin sonda - model ●
●
Koncentrace elektronů po korekci na srážky v plazmatu a velikost prostorového náboje kolem sondy je:
Velikost vrstvy prostorového náboje kolem sondy je funkcí hustoty plazmatu → stanoveni koncentrace elektronů je iterativní metoda.
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
23
Hairpin sonda
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
24
Hairpin sonda
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
25
Diagnostické metody Langmuirova sonda ● Kalorimetrická sonda ● Tzv. “ion flux” sonda ● Tzv. “hairpin” sonda ● Optická emisní spektroskopie ● Laserová absorpční spektroskopie ● Hmotnostní spektroskopie ● Energetický analyzátor iontů ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
26
OES Neinvazivní metoda. ● Viditelné záření je přivedeno přes okénko v reaktoru do monochromátoru → detektor: CCD, fotonásobič. ● Velmi přesně mohu stanovit přítomnost nečistot. ● Z intenzit určitých emisních čar mohu stanovit teplotu elektronů, stupeň ionizace výboje, hustotu plazmatu. ● Stanovení vibrační teploty N → teplota elektronů 2 ● Stanovení rotační teploty OH → teplota neutrálů. ● Dopplerovské rozšíření čáry → rychlost částice. ● Aktinometrie → ze známé koncentrace příměsi s emisní čárou blízko čáře zkoumaného plynu, lze stanovit koncentraci. ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
27
Diagnostické metody Langmuirova sonda ● Kalorimetrická sonda ● Tzv. “ion flux” sonda ● Tzv. “hairpin” sonda ● Optická emisní spektroskopie ● Laserová absorpční spektroskopie ● Hmotnostní spektroskopie ● Energetický analyzátor iontů ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
28
TDLAS
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
29
Diagnostické metody Langmuirova sonda ● Kalorimetrická sonda ● Tzv. “ion flux” sonda ● Tzv. “hairpin” sonda ● Optická emisní spektroskopie ● Laserová absorpční spektroskopie ● Hmotnostní spektroskopie ● Energetický analyzátor iontů ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
30
Hmotnostní spektroskopie Umožňuje měřit hmotu iontů ● Průletový nebo kvadrupólový spektrometr ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
31
Diagnostické metody Langmuirova sonda ● Kalorimetrická sonda ● Tzv. “ion flux” sonda ● Tzv. “hairpin” sonda ● Optická emisní spektroskopie ● Laserová absorpční spektroskopie ● Hmotnostní spektroskopie ● Energetický analyzátor iontů ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
32
RFEA
Retarding field energy analyzer – mřížkový energetický analyzátor s brzdným polem. ● Umožňuje měřit rychlostní rozdělovací funkci iontů (IVDF) ● IVDF jen v horizontálním směru ● Nemá hmotnostní rozlišení ●
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
33
RFEA ●
V případě izotropní IVDF, lze převést distribuční funkci na energetickou, kde EKIN je kin. energie při nulovém potenciálu na mřížce
Martin Čada – Nové metody diagnostiky nízkoteplotního plazmatu. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
31/01/2011
Slide
34
