안녕하세요?
플라즈마를 공부하고 있는 학생입니다. 질문이 있어서 이렇게 글을 남기게 되었습니다.
일반적으로 논문등을 살펴보게 되면 Ar fraction이 (예를들어 Ar(Cl2+Ar 혼합가스) 증가할 수록, Te(Electron Temperature)
값이 증가하는 경향이 나옵니다. (Ion Density 역시 증가합니다.)
실험을 하던 도중. Ar fraction이 증가할수록, Te값이 떨어지는 현상을 발견하였습니다.(하지만 Ion Density는 증가)
이를 어떻게 해석되어야 하는지 잘 모르겠습니다.
일반적으로라면 Ar이 이온화되면서 많은 gas reaction을 야기 하겠으나,
정형화된 data에 대하여 반대의 경향성이 나온 경우 어떻게 해석되어야 할까요?
추가적인 실험환경에 대한 설명을 덧붙여 드리자면,
(기존의 Chamber wall은 퀄츠 재질로 Ar fraction에 대하여 Te는 증가하였습니다. 하지만 Chamber를 Al 재질로 바꾼후
위와 같은현상이 발견되었습니다.)
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플라즈마 운전 조건이 어떻게 되는지는 잘 모르겠으나, 먼저 챔버 wall과 Cl2 기체와의 화학 반응을 살펴보게 되면,SiO2인 경우 반응식 [ SiO2(s) + 2Cl2(g) -> SiCl4(g) + O2 (g) ] 의 반응이 dominant 하다면, 흡열반응으로 반응이 잘 일어나지 않고,Al 인 경우 dominant한 반응식이 [ 2Al(s) + 3Cl2 (g) -> 2AlCl3 (g) ] 로 나타낼 수 있고, 이 경우엔 발열 반응으로 반응율이 SiO2에 비해 훨씬 크게됩니다.Cl2 기체는 전기음성도가 큰 할로겐 원소로써, 작은 에너지를 갖는 전자와의 충돌만으로도 negative ion (Cl-)가 생성됩니다.Al 챔버에서, Al과 Cl2 기체와의 반응으로 인하여 Cl-의 소비량이 많아진다면, equilibrium 상태를 유지하기 위해 Cl2 기체는 low-energy electron과 반응하여 Cl-기체를 생성합니다.low- energy electron의 소비로 인하여 electron temp. 는 높아지게 됩니다.Ar은 metastable state를 갖는 기체로써, 비교적 큰 에너지를 갖는 전자들이 Ar과 충돌하여, Ar 을 metastable로 excite 시키고, 전자의 에너지는 감소하게 됩니다.Ar의 존재로 인해 low-energy elec. 비율이 많아지게 되면, 이 elec.에 의해 Cl-의 생성량은 늘어날 것이라고 예측할 수 있습니다.Ar/Cl2 ( 0 < Ar/Cl2 < 1 ) 의 fraction에 따른 Cl-의 생성률을 생각해 볼수 있습니다.Ar이 적은 경우 low-energy의 elec. 밀도가 작아 Cl- 생성률이 작을테지만, Ar양이 많아짐에 따라 Cl-도 증가하게 됩니다. 하지만 Ar양이 많아진다는 것은 Cl2는 줄어듦을 의미하기 때문에, Cl- 생성률이 계속해서 증가하는 것이 아니라 특정 fraction에서 maximum production rate를 갖은 후, 그 이후로는 감소하는 경향을 갖게 될 것입니다.Al과 Cl2의 반응성이 좋기 때문에, 비교적 Cl2의 비율이 높은 경우 Cl-의 생성률이maximum 값을 갖게 될 것이고, 질문하신 분의 운전 조건이 이 maximum fraction 이후의 지점에 위치해 있을 확률이 높습니다.만약 그렇다면, Ar의 증가에 따라 Cl-의 생성량은 감소하고, low-energy elec.의 소비가 감소하여 quartz chamber와 비교했을 때 electron temperature가 감소하는 결과를 나타낼 수 있습니다.반대로, 챔버가 quartz로 되어있는 경우에는 Cl2와 반응을 잘 하지 않기 때문에, Cl- 생성률이 maximum이 되는 시점은 Al 일때와 비교하여 Ar/Cl2 fraction이 큰 쪽이 될 것입니다. 따라서, 운전 조건은 생성률이 최대가 되는 시점 이전일 확률이 크고, Ar 비율이 커질수록 Cl-생성률으 증가하고, low-energy elec.의 소비가 증가하여 Te가 증가하게 될 것입니다.이상의 설명을 그래프로 설명해 놓았습니다.첨부한 자료를 참고해 주세요.
