Experimental analysis on physical phenomena near the plasma-quartz boundary in surface wave excited plasmas

Experimental analysis on physical phenomena near the plasma‑quartz boundary in surface wave excited plasmas

著者 Siry Milan

journal or

publication title

静岡大学大学院電子科学研究科研究報告

volume 28

page range 89‑91

year 2007‑03‑22

出版者 静岡大学大学院電子科学研究科

URL http://hdl.handle.net/10297/1185

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氏名・ (本 籍 ) Siry Milan(ス ロバキア )  ^βみ

学位 の種 類    博    ^士   (工   学

学位 記番 号    工博 甲第   275   号 学位授与の日付    ^{平成 18年 3月 24日}

学位授与の要件    ^{学位規程第 5条 第 1項 該当}

研究科導攻の名称    電子科学研究科   電子材料科学

学位論文題目     ]Experilnental analysis on physical phenomena near the

plasnla口 quartz boundary in surface wave excited plasmas (表 面波励起 プラズマのプラズマー石英境界領域付近物理 現象の実験的解析

'  論 文 審 査 委 員    (委 員長

教 授 永 1津 _{雅 章}   教 授 窪 野 隆 能 助教授 近 藤   淳   ^{教 授} 神 藤 正 士

文 内 容 の 要 旨

The thesis focuses on the production of the microwave surface wave discharges and on study of the physical phenomena in the vicinity of the plasma-quartzboundary. The attention is paid to the influence of the dielectric side wall on the plasma homogeneity and generation and space structure of the high-energy electron beam sustained at low pressure argon gas.

The thesis is organized as follows: in the first chapter a definition of the plasma and a brief overview of the different types of ^gas discharges are given. The second chapter was devoted to thin but long surface wave plasmas since they are closely related to the planar surfacq wave plasma generation and propagation. The short overview of developed theories describing surface wave propagation

mentioned and comparison of theory

:

with measured data is presented. The second part is focused on a large area plasma sources, their designs and characteristics. The third chapter presents the theoretical description of surface waves propagating along a planar plasma-dielectric interface bounded by a metal wall. The dispersion relation of surface waves and fast waves is obtained for electromagnetic waves. The second part of the chapter describes surface waves in a

cylindrical coordinate. It is shown that for large plasma source radius the dispersion relation is similar for

cylindrical and planar coordinates. Effect of a limited plasma-dielectric interface is discussed at the end of the

third chapter. The experimental set-up and measurement technique are described in the forth chapter. The cor-

rect evaluation of Langmuir probe measurements is crucial in discharge physics. Therefore, a detailed study of

probe theory in thin sheath limit is presented in this chapter. In the fifth chapter the plasma source operation and

its influence on the sustained plasma are shown. The radial plasma density profiles measured with ^side wall equipped by the quartz _are compared with those obtained under the conditions that the side wall is equipped by the metal. Enhanced plasma production was found to be carried out on the axis of the discharge charnber and close to the quartz side wall. Based on a theoretical works, we concluded that on the axis of the discharge charnber, the enhanced plasma density is produced by the high-energy electrons, that it can be produced _also in the vicinify of the quartz side wall that results in enhanced plasma production along the quartz side wall. As a consequence of observed enhanced plasma production, the next two chapters are connected with high-energy electron beam and surface wave propagation, respectively. The sixth chapter is devoted to an experimental observation of high-energy electron beam, which is originating from the plasma resonance region. The exist- ence of the high-energy electron beam in the surface-wave plasma source has been shown by Kudela and Terebessy. Therefore we directly focused on the radial and axial strucfure of produced high-energy electron beam. It was found that in the radial direction the electron beam could be approximated by the Gauss function

and in axial direction by the exponential function. The high-energy elecffon beam current density, diameter and its attenuation constant were measured. The'seventh chapter is focused on the surface wave propagation. Pres- ence of the surface wave was confirmed by the interferometer method in the radial, as well as in the axial direction.

The surface wave propagating along the side dielectric-plasma interface was detected and thus can enhance the plasma density close to the side wall. The axial profile of the ion saturation current measured along the quarrz side wall showed that with increasing of the bias voltage from -70 V to -40 V, the profile of the probe current becomes oscillatory, which follows the pattern of the square of the microwave electric field. At the positions of its maximum the high-energy electrons are produced _{and are} affecting the ion saturation current at low bias voltage. Axially homogeneous plasma and microwave electric field were observed only along the side wall made by the quarlz, which is connected with surface wave propagation. The additional confirmation of the high-energy elecfron beam existence is proposed in the chapter eight. Here, the axial profile of a magnetic field is calculated from data obtained in the chapter sixth and the profile is compared with measured magnetic field.

Good agreement between the calculated and measured magnetic field profile was observed. The hot electron beam parameters, such us electron density current of the high-energy electron beam, its diameter and affenua- tion constant, measured by Langmuir probe corresponds to those used in the calculations. Finally, in chapter nine a conclusion of our research is given.

It can be concluded from obtained results that the plasma density homogeneity can be significantly improved

by applying the dielectric side wall since the plasma production is taking place in the vicinity of the quartz side

wall as a result of electron heating caused by the microwave power coupled to the quartz side wall. The high-

energy elecfron beam has been measured by the novel magnetic probe method that can be considered as verifi-

cation of its existence.

論 文 ″

審 査 結 果 の 要 旨

表面波励起プラズマは、低気圧で高密度の大面積 プラズマを生成できる上、外部磁界が不要なため 装置が簡単 となり、プラズマプロセシングに適 した性質を有 している。一方、表面波プラズマの特徴 である低気圧高密度プラズマの生成 に関する物理的機構 を明 らかにする目的で、国内外 において多 く の理論及び実験的な研究が行われている。本研究は、石英板近傍で観測 されたプラズマ生成に密接 に

関与する諸現象を整理し、①表面波プラズマの生成における石英板の果たす役割、ならびに②低気圧 表面波プラズマで観測される高エネルギー電子ビーム、に関して深く考察し、新たな知見を見出して いる。

本論文は全 9章 で構成 され、平板状 ならびに円筒状の表面波励起 プラズマに関する過去の研究紹 介に始 まり、表面波分散特性の理論解析、本研究で用いた平板状表面波プラズマ発生装置の詳細、ラ ングミュアプローブによるプラズマパラメータ測定および干渉法による表面波波長測定、等の本研究 の理解 に必要な内容が第 4章 までに紹介 されている。第 5章 ^〜 6章 においては、石英板の境界付近 で観測 される高エネルギ‐電子 ビームの実験結果が紹介 され、表面波プラズマの励起に密接 に関係 し ていることを見出 している。第 7章 では、ステンレス製放電容器底部 に石英カップを装着すること により ull壁 の一部 を石英で置 き換 えた装置 を用いて表面波の伝搬特性 とプラズマ生成の関係 を調べ た。 この結果、長 さ ^60mln、 幅 ^51111mの 直線上スロッ トアンテナで生成 されるプラズマにおいて、表 面波はスロットアンテナの軸に垂直方向に石英カップ底面から側壁 に向けて伝搬 し、その過程で石英―

プラズマ境界周辺 にプラズマを生成 していることがプローブならびに干渉法による計測か ら明 らかに された。この現象は石英側壁でプラズマが生成 されることを意味 してお り、半径方向に均一な密度分 布 を持つ大口径 プラズマ生成 に役立てることができることか ら、表面波プラズマのプロセス用途の拡 大に寄与で きるものと考 えられる。

第 8章 では電子 ビームが誘起する磁界 を高速回転する磁気 プローブを用いて測定 し、電子 ビーム の強 さと形状 を仮定 して算出される計算値 と比較することにより、 ・電子 ビームの形状 を決定 してい る。この結果、電子 ビームは直径が約 20nlmで あ り、その長 さはアルゴンガス圧

7Paに おいて 30‑

であ り、圧力の上昇 と共に早 く減衰することが判つた。これ らの結果は電子 ビームの存在ならびにそ の形状 をこれまでのプローブ測定 とは独立の手法で検証するものである。

以上のように、本論文は、石英板近傍で生 じる諸現象から表面波プラズマの性質と生成に関与する 重要な知見を得てお り、今後表面波プラズマの改良に役立てることが出来るものである。よって、本 論文が博士 (工 学 )の 学位を授与するに相応 しい内容を具備 していることを認定するも

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