안녕하세요. 플라즈마 관련 실험을 하고 있는 학생입니다.
ICP 시스템에서 전자밀도 크기에 대해 질문드리고자 합니다.
Ar, N2, O2 가스환경에서 ICP 시스템을 통해 플라즈마를 발생시키고, electron density (plasma density)를 측정하였습니다.
동일한 실험조건을 기준으로 (RF power 조건 포함),
electron density는 Ar > O2 > N2 순임을 실험적으로 확인하였습니다.
여기서 저는 왜 electron density가 상기와 같은 순서로 발생되는 것인지 궁금하였습니다.
첫번째로, Ar 은 10^12 cm-3 정도이나, O2, N2는 10^11 cm-3 정도로 측정되었습니다.
제가 사용한 공정가스는 원자형태의 가스(Ar)와 분자형태의 가스(O2, N2) 입니다.
분자형태의 가스에서는 가속된 전자가 분자사이의 결합을 끊는 dissociation 반응이 발생하고, 이에 따라 energy loss가 발생하여
실제 플라즈마 반응에 들어가는 에너지는 원자형태의 가스에서보다 작아져 electron density가 낮아지는 것으로 이해하면 될지요?
두번째로, O2 에서 electron density는 N2 보다 높게 측정되었습니다.
이는 bonding energy 가 N2(941 kJ/mol)가 O2(495 kJ/mol) 보다 높고, 이온화에너지 또한 N2가 O2 보다 높아
동일한 조건에서 플라즈마를 발생시키더라도 n2 에서 energy loss 가 많이 발생하여 electron density 가 낮아지게 되는 것인지요?
분석 잘 하셨습니다. 여기에 한가지 추가하면 좋을 것 같은데, 산소의 경우 음이온, 즉 O2- 또는 O- 를 만들어서 전자 밀도가 낮아지는 경향이 있습니다. 따라서 측정하는 플라즈마 밀도를 전자 밀도와 이온 밀도로 비교해서 얻어 보면 이 현상에 대해서도 관심을 가지게 될 것 같습니다. (다만, quasineutral 하다고 LP 데이터에서 전자밀도 = 이온 밀도 를 측정하기는 힘드니 측정 값에 이격이 있더라도 그 이격도가 크게 변하지 않는다면 측정은 준수하다 생각하고 진행하시면 됩니다.)
다음으로 플라즈마 밀도를 측정하였고, 소모 에너지로 부터 밀도 값의 의미를 분석하셨습니다. 플라즈마 분야에는 이 경우, 입자 균형식과 에너지 균형식을 연립해서 밀도 및 온도 값이 형성되는 상태에 대해서 해석을 합니다. 일반 공정 플라즈마 교재를 보면, Ar 플라즈마에 대한 입자 균형식 (particel balance equation) 과 에너지 균형식 (energy balance equation)이 소개되어 있고, 조금 깊은 책에서는 산소 플라즈마의 흡착 반응을 포함하는 식을 소개하고 있으니 참고하시면 좋습니다. 밀도는 장비 표면적, 운전 압력, 전력 등과 입자 질량의 함수로 표현되며 음이온도 또한 인자가 됩니다. 참고해 보세요.