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Plasma Potential & Sheath

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1. Plasma Potential & Sheath형성 Mechanism
  1) Plasma Potential과 Sheath의 형성
    - 전자는 이온에 비해 빠른 속도로 빠져나가게 되는데 이로 인하여 나타나는 현상
    - 용기내 방전 영역: 계속적으로 전자와 이온이 생겨나는 영역
    - 공정용기 벽 근처: 입자들이 벽으로 흡수되어 소멸되는 영역
    - 질량이 작은 입자일수록 확산현상이 큼
  2) Plasma Potential
    - 벽과 플라즈마 사이의 Potential 차이 
  3) Sheath 형성 Mechanism
    - 용기의 벽 근처에서는 전자와 이온이 재결합에 의해 사라지게 됨
    - 전자가 이온에 비해 빠른 속도로 벽에 충돌하게 되므로, 더 빨리 손실되게 되고 Plasma는 양의 전하를 띠게 됨
    - 벽은 Negative Charge: Plasma에 대해 Negative Potential이 됨
       Plasma는 벽에 비해 높은 Potential을 가지게 되는데, 어느 정도 시간이 흘러 정상상태에 이르면,
       이 Potential차에 의해 전자는 감속되고, 이온은 가속되어 같은 양의 전자와 이온이 벽에 도달
    - Plasma 내에 존재하게 되는 Potential은 전자나 이온의 가림효과(Debye Shielding)때문에 아주 짧은 영역(~100m m)에 국한되어서만 효과를 미침
    - 전자와 이온은 벽 부근에서 Negative Potential의 영향을 받아 이온은 벽으로 가는 반면, 전자는 반발되어짐
    - 벽은 Electron Current Density와 Ion Current Density가 균형이 맞을 때 까지 Negative Charge를 띠게 됨
    - Potential Barrier가 존재하게 되는데 이를 “Sheath”라 함

  4) Sheath
    - 낮은 Electron Density로 인해 어둡게 보임
    - Plasma에 노출된 용기벽 근처에 형성되는 급격한 포텐셜 변화를 가리 킴
    - Sheath의 폭은 Plasma를 형성하기 위해 걸어준 외부전압과 Plasma의 Ionization Density에 좌우됨
    - Sheath Potential은 전자온도에 직접적으로 영향을 받음

2. Wall에서 Sheath
  1) Electron velocity >> Ion velocity  v = (3kT/m)1/2
  2) Electron depletion -> Dark space (Sheath)
  3) Plasma가 positive가 됨
  4) Electric field가 Sheath에서 발생 됨
  5) Electron은 저지되고 ion은 가속됨

3. Magnitude of plasma potential
  1) 3kTe/e

4. Sheath size
  1) Debye length (λD):  0.01 ~ 1mm

5. Sheath Capacitance C ∝ A/d

6. Sheath 두께 결정 요인
  1) Plasma의 충돌 자유행로(MFP)에 따라 바뀜
  2) 표면에 인가하는 전압(Bias Voltage)
  3) 전자온도
  4) 압력
  5) 인가 전압 주파수

7. VHF로 갈수록
  1) Plasma의 용적이 커지고 Sheath는 상대적으로 얇게됨
  2) Ion flux는 증가하고 Energy는 떨어지는 방향으로 가지만 Angular distribution이 개선됨으로
    Ion의 입사 분포가 좀 더 균일해 짐
 

8. Charge Distribution
  1) Charge분포와 Voltage는 Glow-discahrge Plasma에 근접한 표면 근처에서 나타 남
  2) ΔVp는 minimum (anode) sheath voltage drop 임
   


    * Glow Discharge = Photoemissiion
       λ = 4,100 ~ 7,200 A (3.0~1.7eV)


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