RF 유도 결합 플라즈마의 애프터 글로우 방전 특성에 관한 연구

Abstract

현재 많이 사용되고 있는 고밀도 플라즈마 소스 중 ICP 방식의 질소, 아르곤 혼합 플라즈마 발생에서 광 방출 분광분석법(optical emission spectroscopy; OES)을 이용하여 질소 플라즈마를 진단하였다. 질소 분자()의 회전 스펙트럼의 이론적 계산과 회전 에너지를 얻기 위해 의 두 가지 방법을 이용하였다. 고 분해능 분광기를 이용한 회전 온도 결정 에서는 의 first negative system인 (0,0) (band head wavelength = 391.4 nm)을 이용하여 계산하였고, 저 분해능 분광계를 이용한 회전 온도 결정 방법은 질소의 first positive system (2-0)에서 775.3 nm 회전 버금띠(rotational subband)의 스펙트럼을 이용하였다. 질소 중성 분자의 진동 스펙트럼을 이용해 질소 진동 온도를 구하기 위하여 의 second positive system인 의 인 파장을 이용하였다. 플라즈마가 발생되는 유전체인 석영관은 총 길이 500mm이고, 전극으로 사용되는 구리 안테나는 석영관 외부에 4회 감겨져 있다. 축 방향 자기장 발생을 위해 네오디뮴 영구 자석(neodymium permanent magnet)을 삽입하였다. 플라즈마 발생을 위해 13.56 MHz RF 전원을 사용하였고, 반응 기체로는 아르곤(99.999%), 질소(99.999%)를 사용하였다. 질소, 아르곤 가스는 각각 5sccm으로 유입되며 플라즈마 발생시의 내부 압력은 20 mTorr로 고정하였다. 안테나에 인가되는 전력은 40, 60, 80, 100 watt이며 각 전력 값에 따라 회전, 진동 스펙트럼을 측정하였다. 질소의 회전, 진동 스펙트럼을 측정하기 위해 사용된 분광계(spectrometer)는 HR4000과 USB4000(ocean optics)이고, 자기장의 세기를 측정하기 위해 가우스미터(gaussmeter, lakeshore 450)와 축방향 탐침(axial probe, MMA-1904-VH)을 이용하였다. 회전 온도는 안테나에 인가되는 전력 값이 클수록 증가하며, 안테나에서 멀어질수록 회전 온도는 급격히 감소하여 거의 일정한 값을 가지게 된다. 영구 자석 삽입 후 회전 온도 측정 결과, 회전 온도는 자기장의 영향을 거의 받지 않음을 확인 할 수 있었다. 회전 온도에서와 유사하게 인가되는 전력이 증가할수록 진동 온도 또한 증가한다. 영구 자석 삽입 후 축 방향 자기장의 영향으로 인해 진동 온도는 약 2000K 정도 증가한다. 질소 진동 분광선인 380.4nm의 광방출 세기는 자기장이 없는 경우 안테나 끝에서 가장 크게 나타나며 안테나와 멀어질수록 크기가 줄어드는 것을 확인하였다. 축 방향 자기장이 존재하는 경우 영구 자석 양 옆에서 광방출 세기가 증가하는 것을 확인 하였고 이는 자기장의 변화율이 가장 큰 위치와 일치한다.