Plasma in general 플라즈마 형성시 하전입자의 밀도와 챔버에 관련해서 질문드립니다.
2019.12.11 02:04
플라즈마 관련 대학원에 진학 예정중인 학부생입니다.
먼저, 저의 무지함에 용서를 바라며 기초적인 질문을 드릴려고 합니다.
첫 질문은 제가 공부중인 책에선, CCP나 Icp에서 플라즈마가 형성되었을 때, 전자밀도와 위치 그래프를 보면 전자밀도는 bulk 영역내에선 동일하였습니다.
허나, icp의 경우, comsol로 간단한 icp를 이용헌 argon 방전 예제를 돌려보았는데 챔버의 중심부에서 전자밀도가 가장 높았습니다.
쉬스에 의해서 밀도가 감소하는 영역이 동일하니까 전자밀도의 분포가 대칭을 이룬다는 것은 어느정도 이해가 가지만, 시뮬레이션과 다르게 책에선 bulk내의 전자밀도가 왜 동일한지가 궁금합니다.(ac source의 주파수와 시간의 곱이 0일 때)
아니면 이러한 bulk 내에서의 전자밀도의 분포가 온도, 압력, 전원소스의 크기, 주파수 등 여러 인자에 인해서 바뀌는 건지도 궁금합니다.
두번째 질문은 플라즈마 형성시 챔버의 geometry가 왜 중요한지 궁금합니다.
저는 여러 물리 인자들, 예를 들면 온도, 압력, 주파수 등 이런 것들에 의해서 방전이 좌우되고 플라즈마 특성에 영향을 준다고 생각했는데 챔버의 구조도 중요하다고 읽었습니다.
가스 주입구나 배출구, 전원소스의 위치의 중요성은 아직은 설명은 못하겠지만 직관적으로 중요하다고 생각이 듭니다.
하지만, 챔버가 원기둥인지, 육면체인지, 혹은 챔버의 반경과 높이 등 이런 요소들이 왜 플라즈마 형성에 치명적으로 영향을 끼치는지 잘 모르겠습니다.
물론, 높이나 반경 이런 요소들이 극심하게 차이가 난다면 전기장에 영향을 끼쳐 방전이 달라질 것이라고 생각이 들지만...
제가 챔버의 geometry에 너무 둔감하다고 생각합니다. 챔버의 geometry 중요성에 관해 조언을 구할 수 있을까요?
마지막 질문은 플라즈마 전위입니다. 저는 플라즈마에서 bulk 영역의 전위가 일정하게 생기는 이유를 회로관점으로 이해하였습니다.
플라즈마의 저항 성분 때문에 bulk 영역에 포텐셜이 생기고, bulk 내에선 전자와 이온의 수가 거의 같아 전기장이 거의 0에 가까워서 전압차가 나지않는다고 생각하였는데, 좀 더 고민해보니 부족한 점이 많은 설명이라고 생각합니다.
구체적으로, 저항 소자의 양쪽 node에 같은 전압을 걸어준 case가 bulk영역의 포텐셜과 같은 경우라고 생각하는데, 근본적으로 플라즈마의 저항 성분이 왜 생기고, 이 전위가 왜 걸리며 전위의 크기는 어떻게 결정되는지 궁금합니다.
스스로 좀 더 고민을 하고 책을 찾아보며 답을 찾는게 가장 좋은 방법이겠지만, 지금 이 수준이 저의 수준이라고 생각합니다.
부끄럽지만 답변 기다리겠습니다.
읽어주셔서 감사합니다.
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훌륭하군요. 좋은 질문입니다. 3개의 질문에 답을 찾아볼 수 있는 모델을 소개하겠습니다.
1. ICP 나 CCP 나 모두 플라즈마 형성은 가열에 의한 현상입니다. 가열이 일어나는 곳은 ICP의 경우 skin depth 영역이고, CCP의 경우 저압에서는 stochastic heating 영역으로 모두 sheath 근방이며, 이 영역은 전하가 에너지를 받는 곳임으로 형성된 플라즈마 밀도 분포와 에너지가 전달되는 영역 (전극의 구조 등과 관계가 있습니다.)이 겹치는 곳에서 밀도가 가장 높게 형성되고, 이들이 확산될 것입니다. 따라서 안테나면 안네나 구조와 여기서 만들어지는 전기장 분포 및 생성되는 전하들의 분포가 공간 해석에 중요한 인자가 됩니다. 따라서 ICP는 균일도를 형성하기가 CCP에 비해서 더 정교한 기술이 요구되겠습니다.
2. 반응기 구조에 대해서는 입자 및 에너지 균형식 (global model)에서 loss 면적에 대한 해석과 Godyak의 확산계수에 대해서 공부해 보세요. 또한 1의 해석과 물려서 플라즈마 밀도 온도 등의 성질은 생성량과 손실량이 균형을 가진 상태의 값을 의미하는 경우라 가정하고 해석을 하면 좋습니다. 생성은 이온화, 소멸은 벽으로 소멸과 공간상에서의 소멸등이 있겠고, 벽이라면 반응기 벽면이나 전극면을 의미합니다. 따라서 생성은 공간에서 손실은 벽면에서 이뤄지는 현상이니, 부피대 표면적 비는 플라즈마 밀도.온도, 전위에 모두 중요한 인자가 됩니다. 따라서 공정 장비의 개발은 플라즈마 장비 물리라 표현하기도 합니다.
3. 마지막 질문은 Vf 부유 전위를 공부하면 좋습니다. 부유전위에 대해서는 정전탐침 혹은 부유 전위, self bias 등에서 공부가 충분히 이뤄질 수 있습니다. 쉬스 전위를 넘는 에너지를 가진 전자 속과 Bohm 이온속관의 균형이 유지되는 전극 전위 값입니다. 따라서 이 값은 고속 전자의 생성과 손실의 함수가 되며 이는 온도의 함수이므로 Maxwellian EEDF를 가정하는 경우 온도의 함수로 표현이 됩니다. 하지만 쉬스 전위를 넘는 에너지의 전자들이 지속적으로 손실되어야 부유전위가 형성되니, target의 charging을 일으키는 전자들은 플라즈마 소스와 관계가 있음을 예상해 볼 수 있습니다.