Summary

低圧・低温プラズマのプラズマポテンシャル測定のためのラングミュアプローブとエミッシブプローブの構築

Published: May 25, 2021
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Summary

この研究の主な目的は、ラングミュアプローブや発光プローブに馴染みのない研究グループが、特にプラズマ境界付近で、それらをプラズマ診断として利用しやすくすることです。そのために、すぐに手に入る材料や消耗品からプローブを構築する方法を紹介します。

Abstract

ラングミュアプローブは、1920年代初頭にラングミュアによって発明されて以来、粒子フラックス(すなわち、電子フラックスとイオンフラックス)とその局所的な空間濃度、電子温度、および静電プラズマポテンシャル測定の主要な診断として、実験的なプラズマ物理学研究で長い間使用されてきました。エミッシブプローブは、プラズマポテンシャルの測定に使用されます。この研究で展示されているプロトコルは、プラズマ放電を閉じ込めて維持できる真空チャンバーで使用するために、これらのプローブがどのように構築されるかを実証するのに役立ちます。これには、本質的に電気フィードスルーであり、回転および移動可能なものを構築するための真空技術が含まれます。確かに、ラングミュアプローブシステム一式を購入することもできますが、ユーザーがかなりのコスト削減で構築することもでき、同時に特定の実験での使用により直接的に適合させることもできます。2つの診断技術を比較し、それらの相対的な長所と短所を評価するために、これらの実験では、プラズマ中に浸された負に偏った電極によって作成される、プラズマ本体からプラズマ境界のシース領域までの静電プラズマポテンシャルをマッピングするラングミュアプローブと発光プローブの使用について説明します。ラングミュアプローブは、プラズマ密度と電子温度を最も正確に測定できるという利点がありますが、発光プローブは、シース領域を含むプラズマ全体の静電プラズマポテンシャルをより正確に測定できます。

Introduction

1920年代にラングミュアが発見した新しい物質状態であるプラズマの媒体のような振る舞いにさかのぼる、プラズマ物理学研究の最初の1世紀の間に、ラングミュアプローブはプラズマパラメータの最も重要な診断であったことが証明されています。これは、その適用範囲が極めて広いことが一因である1。人工衛星2,3,4が遭遇するプラズマ、トカマクに閉じ込められたプラズマの末端での半導体処理実験5,6,7,89,10,11、および広範囲の基礎プラズマ物理学実験において、ラングミュアプローブは、10 8≤ e の範囲にわたるプラズマ密度と温度を測定するために使用されてきました。≤1019 m-310-3Te≤102eV  です。同時に1920年代には、現在彼にちなんで名付けられたプローブと発光プローブ12を発明しました。発光プローブは現在、主にプラズマポテンシャルの診断に使用されています。ラングミュアプローブのように広範囲のプラズマパラメータを測定することはできませんが、プラズマポテンシャル、または静電空間ポテンシャルと呼ばれることもある測定に関しては、幅広い有用性の診断です。例えば、発光プローブは、ラングミュアプローブが何も測定できない真空中でも、空間ポテンシャルを正確に測定することができます。

ラングミュアプローブの基本設定は、プラズマ中に電極を埋め込み、集めた電流を測定するというものです。得られた電流-電圧(I-V)特性は、電子温度Te電子密度ne、プラズマポテン シャルφ13などのプラズマパラメータを解釈するために使用することができる。マクスウェルプラズマの場合、収集された電子電流I e (正と見なされる) とプローブ バイアス VB の関係は14 として表すことができます。

Equation 1

ここで、Ie0 は電子飽和電流、

Equation 2

ここで、Sはプローブの収集面積、 Equation 9 はバルク電子密度、eは電子電荷、Te 電子温度、me 電子質量です。電子電流に対するI-V特性の理論的関係を 図1A図1Bの2つに示します。なお、式(1a,b)はバルク電子にのみ適用されます。しかし、ラングミュアプローブ電流は荷電粒子の流れを検出できるため、一次電子、電子線、イオン線などの存在下で調整する必要があります。詳細については、Hershkowitz14 を参照してください。

ここでは、マクスウェル電子エネルギー分布関数(EEDF)の理想的なケースを取り上げます。もちろん、非理想性が生じる状況はたくさんありますが、これらはこの作品の主題ではありません。例えば、材料加工のエッチングおよび堆積プラズマシステム(通常はRFが生成および持続される)では、プラズマ中に揮発性化学ラジカルを生成する分子ガス原料と、負に帯電したイオンを含む複数のイオン種があります。プラズマは電気陰性になり、すなわち、準中性プラズマ中の負電荷のかなりの部分を負イオンの形で有する。分子が中性でイオンを持つプラズマでは、電子と分子種の間の非弾性衝突は電流-電圧特性にディップ15 を生じさせ、電子に対して冷たいマイナスイオンの存在は、プラズマポテンシャルの近傍に著しい歪み16 を生じさせるが、もちろんこれらはすべて非マクスウェルの特徴である。本論文で取り上げた研究の実験は、このような非マクスウェル効果のない単一イオン種希ガス(アルゴン)DC放電プラズマで行われました。しかし、バイマクスウェルEEDFは、通常、チャンバー壁からの二次電子放出17 の存在によって引き起こされるこれらの放電に見られます。高温電子のこの成分は、通常、低温電子温度の数倍であり、密度の1%未満であり、通常、バルク電子の密度および温度と容易に区別できます。

VBφよりも負になるにつれて、電子はプローブ表面の負の電位によって部分的に反発され、ln(Ie)対VBの傾きはe / Te、すなわちです。図1Bに示すように、1/TeV(TeVは電子温度(単位:eV)です。TeVが決定されると、プラズマ密度は次のように導出できます。

Equation 3

イオン電流は、電子電流とは異なる方法で導き出されます。イオンは、電子の質量と比較して質量>>が比較的大きいため、「冷たい」と想定されるため、弱電離プラズマでは、イオンは壁面温度にある中性ガス原子とかなり良好な熱平衡状態にあります。イオンは、VBφであればプローブシースによってはじかれ≥VBがφであれば収集<。収集されたイオン電流は、負にバイアスされたプローブではほぼ一定ですが、プローブへの電子束は、プラズマ電位よりも負のプローブバイアス電圧では減少します。電子飽和電流はイオン飽和電流よりもはるかに大きいため、プローブによって収集される総電流は減少します。プローブバイアスが負になるにつれて、上記の式(1a)で説明したように、電子温度が低温または高温であるため、収集される電流の低下は大きくなったり小さくなったりします。この近似におけるイオン電流の式は次のとおりです。

Equation 4

どこ

Equation 5

そして

Equation 6

プローブによって収集された一定のイオンフラックスは、プローブのプレシースに沿った加速によりランダムな熱イオンフラックスを超え、したがってイオンはイオン熱速度19ではなく、ボーム速度18、ubプローブのシースエッジに到達することに注意してください。そして、イオンはプレシースが準中性であるため、電子に等しい密度を持っています。Eqn.5 と Eqn.2 のイオン飽和電流と電子飽和電流を比較すると、プローブ電流に対するイオンの寄与は、電子のそれよりも の係数Equation 10で小さいことがわかります。この係数は、アルゴンプラズマの場合、約108です。

電子電流が指数関数的に一定になる「膝」と呼ばれる急激な遷移点があります。膝のプローブバイアスは、プラズマ電位として近似できます。実際の実験では、この膝は決して鋭くはなく、プローブの空間電荷効果、つまりプローブを取り巻くシースの膨張、およびプローブの汚染、およびプラズマノイズのために丸みを帯びています13

ラングミュアプローブ法は集光電流に基づいていますが、エミッシブプローブ法は電流の放出に基づいています。エミッシブプローブは、温度も密度も測定しません。代わりに、正確なプラズマポテンシャル測定を提供し、プラズマの流れの影響を受けないため、さまざまな状況で動作できます。発光プローブの理論と使用法は、Sheehan と Hershkowitz20 によるトピックレビューで完全に議論されており、その中での参考文献も記載されています。

プラズマ密度 1011 ≤ ne ≤ 1018 m-3 の場合、ゼロエミッションの限界における変曲点法が推奨され、これは、それぞれが異なるフィラメント加熱電流を持つ一連の I-V トレースを取り、各 I-V トレースの変曲点バイアス電圧を求め、変曲点をゼロエミッションの限界まで外挿してプラズマ電位を得ることを意味します。 図2に示すように。

ラングミュアと発光プローブの手法は、準中性プラズマでは一致するが、シース(空間電荷が現れる境界と接触するプラズマの領域)では一致しないというのが一般的な仮定である。この研究は、低温低圧プラズマにおけるプラズマ境界付近のプラズマポテンシャルに着目し、この一般的な仮定を検証しようとしています。ラングミュアプローブとエミッシブプローブの両方による電位測定を比較するために、図3に示すように、ラングミュアプローブI-Vに変曲点技術を適用してプラズマポテンシャルも決定します。プラズマ電位は、収集した電流の2次微分がバイアス電圧に対して微分したプローブバイアス電圧、Equation 11つまりプローブバイアス電圧に対してdI/dV曲線のピークを見つけることによって求められることが一般に認められています1。図3は、このdI/dV単位の最大値(電流-電圧特性の変曲点)がどのように求められるかを示しています。

ラングミュアプローブ(集光)と発光プローブ(発光)は、図4に示すように、プローブチップの形状によっても異なるI-V特性を持っています。プローブを製造する前に、プローブの空間電荷効果を考慮する必要があります。実験では、平面ラングミュアプローブに、1/4インチの平面タンタル円盤を使用しました。より大きなディスクでより多くの電流を収集し、より大きな信号を得ることができます。しかし、上記の分析を適用するためには、プローブの面積Apは、チャンバーの電子損失面積Awよりも小さく保たれなければならず、21の不等式Equation 12を満たす。円筒形のラングミュアプローブには、円筒形のラングミュアプローブに厚さ0.025mm、長さ1cmのタングステンワイヤーを使用し、発光プローブには同じ太さのタングステンワイヤーを使用しました。円筒形のラングミュアプローブの場合、これらの実験のプラズマパラメータでは、プローブチップの半径rpは、その長さLPよりもはるかに小さく、デバイ長λDよりも小さいことに注意することが重要です。つまり、 Equation 13、 、 ですEquation 14。この範囲のパラメータでは、軌道運動制限理論とラフランボワーズの開発22を熱電子とイオンの場合に適用すると、プラズマポテンシャル以上のプローブバイアス電圧の場合、収集された電子電流は、次の形式のEquation 15関数によってパラメータ化される可能性があることがわかります。Equation 16.ここで重要な点は、この指数の値がユニティよりも小さい場合、上記の段落で説明したように、プラズマポテンシャルを決定するための変曲点法が円筒形のラングミュアプローブにも適用されることです。

Protocol

1. ラングミュアプローブとエミッシブプローブを真空チャンバーに収める Planar Langmuirプローブ(詳細は 図5 を参照)直径1/4インチのステンレス鋼管をプローブシャフトとし、一方の端を希望の90°の角度に曲げます。 プローブがチャンバーの長さの半分以上を軸方向にカバーできるように、曲がっていない側を長さにカットします。 シャフト…

Representative Results

ラングミュアプローブは、流れや捕集する粒子の運動エネルギーに敏感であることが知られており、これまでは、シースを除いて、プラズマポテンシャルの有効な測定値が得られると考えられてきました。しかし、ラングミュアプローブと発光プローブによって測定されたプラズマポテンシャルの直接比較は、プラズマ側のシースと直接接触するプラズマの準中性プレシース領域において、?…

Discussion

ラングミュアプローブは、電子密度がわずか数粒子の宇宙プラズマ(106 m-3 )から、電子密度が数倍の1020 m-3の核融合プラズマの周辺領域まで、非常に広い範囲のプラズマ密度と温度の粒子束測定に使用されます。さらに、0.1から数百eVの電子温度がラングミュアプローブで診断されています。ラングミュアプローブは、プラズマの密度と温度を測定するためによ…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究の一部は、米国エネルギー省(DOE)の助成金DE-SC00114226と、全米科学財団の助成金PHY-1464741、PHY-1464838、PHY-1804654、およびPHY-1804240から資金提供を受けました

ノア・ハーシュコウィッツへのオマージュ:
ノア・ハーシュコウィッツは、プラズマ物理学に画期的な貢献をし、科学者として、また人間として、同僚や学生から尊敬と賞賛を得ました。 「物理学は、本当に古いジグソーパズルのようなものだ」と彼はかつて説明しました。すべての部品がすり減っています。エッジがめちゃくちゃです。いくつかのピースは間違った方法で組み立てられています。なんとなくは合っているのですが、実際には適切な場所にあるわけではありません。ゲームは、それらをまとめて、世界がどのように機能しているかを知ることです。 2020年11月13日、79歳で死去。

Materials

0.001" thick tungsten wire Midwest Tungsten Service 0.001" Emissive probe filament
0.005" thick tantalum sheet Midwest Tungsten Service 0.005" Heating filament to generate plasma
1/2" Brass supprting tube
1/4" Brass Ferrule Set Swagelok B-400-SET Interface between stainless probe shaft and swagelok tube fitting
1/4" OD 304 or 315 stainless steel tube Swagelok SS-T4-S-035-20 Used to make the probe shaft, order seamless, sold in 20' lengths
Alumina tubes COORSTEK 65655, single bore 0.156" OD 0.094 ID single bore, double bore, quadruple bore, use for support structure for both emissive and Langmuir probes between the probe tip and shaft
Baratron gauge MKS Type 127 Display the pressure when there's gas flowing in the chamber
Brass Swagelok Tube Fitting Swagelok B-400-1-OR Tube fittings used on the probe
Brass Swagelok Tube Fitting Swagelok B-810-6 Tube fittings used on the probe
Brass Swagelok Tube Fitting Swagelok B-810-1-OR Tube fittings used on the probe
Ceramic liquid Sauereisen No. 31 Ceramic Encapsulant Liquid Mix with No.31 cement power to make the ceramic paste
Ceramic powder Sauereisen Cement Powder No. 31 Off-White There are Saureisen cements that cure with water, e.g. No.10 Powder
Gold plated nickel wire SYLVANIA ELECTRIC PRODUCT spod-welded to the probe tip to provide supports
Ion gauge controller Granville-Phillips 270 Gauge controller Heat up the ion gauge and display pressure inside the chamber
Mechanical pump Leybold D60 D60AC D60 D60AC Bring the pressure down to ~10 mTorr then serve as the backing pump for the turbo pump
needle valve Whitey SS-22RS4 Metering Micro-Needle Micrometer Valve 1/4" Tube Swagelok fittings
Power supply Kepco ATE 100-10M Voltage Bias supply of heating filament
Power supply Sorensen DCR 20-115B Heating supply of heating filament
shutoff valve Kurt J. Lesker Nupro SS-4BK Knob handle, for 1/4" tubing, swagelok fittings
Stainless Steel Ultra-Torr Vacuum Fitting Swagelok SS-4-UT-A-8 Tube fittings used on the probe
Teflon coated wire Geyer Systems P31546 Connect the gold-coated wire to BNC pin
Turbo pump PFEIFFER TPH 240 C Bring the pressure down to 1E-6 Torr
Vacuum grease APIEZON L Ultra High Vacuum Grade Grease Vacuum grease used to lubricate the oring
Viton Orings Grainger #031 Round #031 Medium Hard Viton O-Ring, 1.739" I.D., 1.879" O.D
Viton Orings Grainger #010 Round #010 Medium Hard Viton O-Ring, 0.239" I.D., 0.379"O.D

References

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Cite This Article
Li, P., Hershkowitz, N., Severn, G. Building Langmuir Probes and Emissive Probes for Plasma Potential Measurements in Low Pressure, Low Temperature Plasmas. J. Vis. Exp. (171), e61804, doi:10.3791/61804 (2021).

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