1920년대에 Langmuir가 새로운 상태의 물질인 플라즈마의 매질과 같은 거동을 발견한 이래로 플라즈마 물리학 연구의 첫 세기 동안 Langmuir 프로브는 플라즈마 매개변수에 대한 가장 중요한 단일 진단임이 입증되었습니다. 이는 부분적으로는 적용의 범위가 매우 넓기 때문에 사실^이다.1 인공위성이 만나는 플라즈마(^2,3,4)에서, 반도체 공정 실험에서,^5,6,7,8 토카막에 갇힌 플라즈마의 가장자리에서,^9,10,11 그리고 광범위한 기본 플라즈마 물리학 실험에서, 랑뮤어 탐사선은 10⁸≤n_e 범위에 걸친 플라즈마 밀도와 온도를 측정하는 데 사용되어 왔다≤10^19m-3 및 ^10-3≤T_e≤10 2eV 입니다. 동시에 1920년대에 그는 현재 그의 이름을 딴 탐사선과 발광 탐사선¹²를 발명했습니다. 방출 프로브는 현재 주로 플라즈마 전위 진단용으로 사용됩니다. Langmuir 프로브가 측정할 수 있는 플라즈마 파라미터의 폭을 측정할 수는 없지만, 플라즈마 전위 또는 정전기 공간 전위라고도 하는 측정과 관련하여 광범위한 유용성을 진단할 수 있습니다. 예를 들어, 발광 프로브는 Langmuir 프로브가 아무것도 측정할 수 없는 진공 상태에서도 공간 전위를 정확하게 측정할 수 있습니다.

Langmuir 프로브의 기본 설정은 플라즈마에 전극을 넣고 수집된 전류를 측정하는 것으로 구성됩니다. 생성된 전류-전압(I-V) 특성은 전자_{온도 TE,} 전자 밀도_NE 및 플라즈마 전위 (¹³)와 같은 플라즈마 파라미터를 해석하는 데 사용할 수 φ. 맥스웰 플라즈마의 경우 수집된 전자_{전류 IE(} 양수로 간주됨)와 프로브 바이_{어스 VB 사이의} 관계는¹⁴로 표현할 수 있습니다.

여기서 I_e0 는 전자 포화 전류이고,

여기서 S는 프로브의 수집 영역, 는 벌크 전자 밀도, e는 전자 전하,_{T e} 는 전자 온도, m_e 는 전자 질량입니다. 전자 전류에 대한 I-V 특성의 이론적 관계는 그림 1A 와 그림 1B에 두 가지 방식으로 설명되어 있습니다. 참고로, 식 (1a,b)는 벌크 전자에만 적용됩니다. 그러나 Langmuir 프로브 전류는 하전 입자의 흐름을 감지할 수 있으며 1차 전자, 전자빔 또는 이온 빔 등이 있는 경우 조정해야 합니다. 자세한 내용은 Hershkowitz¹⁴ 를 참조하십시오.

여기서는 맥스웰 전자 에너지 분배 함수(EEDF)의 이상적인 경우를 다룹니다. 물론 비이상적인 것들이 생겨나는 상황도 많지만, 그런 것들은 이 작품의 주제가 아니다. 예를 들어, 일반적으로 RF 생성 및 유지되는 재료 가공 에칭 및 증착 플라즈마 시스템에는 플라즈마에서 휘발성 화학 라디칼을 생성하는 분자 가스 공급 원료와 음전하를 띤 이온을 포함한 여러 이온 종이 있습니다. 플라즈마는 전기 음성이 되는데, 즉, 음이온의 형태로 준 중성 플라즈마에서 음전하의 상당 부분을 갖습니다. 분자 중성 및 이온을 갖는 플라즈마에서 전자와 분자 종 사이의 비탄성 충돌은 전류-전압 특성에서 딥(^dip)15 을 생성할 수 있으며, 전자에 비해 차가운 차가운 음이온의 존재는 플라즈마 전위 부근에서 상당한 왜곡^{(distorence)16} 을 생성할 수 있으며, 이 모든 것은 물론 비-맥스웰적 특징이다. 우리는 이 논문에서 논의된 연구에서 이러한 종류의 비맥스웰 효과가 없는 단일 이온 종 비활성 기체(아르곤) DC 방전 플라즈마에서 실험을 수행했습니다. 그러나, 바이-맥스웰 EEDF는 전형적으로 챔버 벽으로부터의 2차 전자 방출(¹⁷ )의 존재에 의해 야기되는 이러한 방전에서 발견된다. 더 뜨거운 전자의 이 성분은 일반적으로 차가운 전자 온도의 몇 배이고 밀도의 1% 미만이며 일반적으로 벌크 전자 밀도 및 온도와 쉽게 구별됩니다.

_VB가 φ보다 음이 많을수록 전자는 프로브 표면의 음전위에 의해 부분적으로 반발되고 ln_(IE) 대_VB의 기울기는 e/T_e입니다. 1/T_eV 여기서 T_eV는 그림 1B와 같이 eV 단위의 전자 온도입니다. T_eV가 측정된 후, 플라즈마 밀도는 다음과 같이 도출될 수 있다:

이온 전류는 전자 전류와 다르게 파생됩니다. 이온은 전자의 질량에 비해 상대적으로 큰 질량 (MI_>> m_e)으로 인해 “차갑다”고 가정되므로 약하게 이온화 된 플라즈마에서 이온은 벽 온도에있는 중성 가스 원자와 상당히 좋은 열 평형 상태에 있습니다. 이온은 V_B ≥ φ 경우 프로브 피복에 의해 튕겨지고_{V B} < φ이면 수집됩니다. 수집된 이온 전류는 음의 바이어스 프로브에 대해 거의 일정한 반면, 프로브에 대한 전자 플럭스는 플라즈마 전위보다 음의 프로브 바이어스 전압에 대해 감소합니다. 전자 포화 전류는 이온 포화 전류보다 훨씬 크기 때문에 프로브에 의해 수집되는 총 전류가 감소합니다. 프로브 바이어스가 점점 더 음수가 됨에 따라, 위의 식 (1a)에서 설명한 바와 같이 전자 온도가 차갑거나 뜨거우면 수집되는 전류의 강하가 크거나 작습니다. 이 근사치의 이온 전류에 대한 방정식은 다음과 같습니다.

어디

그리고

프로브에 의해 수집된 일정한 이온 플럭스는 프로브의 프리시스를 따라 가속으로 인해 임의의 열 이온 플럭스를 초과하므로 이온은 이온 열 속도(¹⁹)가 아닌 Bohm 속도¹⁸_{, ub에서} 프로브의 피복 가장자리에 도달합니다. 그리고 이온은 presheath가 준 중성이기 때문에 전자와 동일한 밀도를 갖습니다. Eqn.5와 2의 이온 및 전자 포화 전류를 비교하면 프로브 전류에 대한 이온 기여도가 전자의 기여도보다 1배 더 작다는 것을 알 수 있습니다. 이 계수는 아르곤 플라즈마의 경우 약 108입니다.

전자 전류가 지수에서 상수로 이동하는 급격한 전이 지점이 있으며, 이를 “무릎”이라고 합니다. 무릎의 프로브 바이어스는 플라즈마 전위로 근사화할 수 있습니다. 실제 실험에서 이 무릎은 결코 날카롭지 않지만 프로브의 공간 전하 효과, 즉 프로브를 둘러싼 피복의 팽창으로 인해 둥글고 프로브 오염 및 플라즈마 노이즈¹³.

Langmuir 프로브 기술은 수집 전류를 기반으로 하는 반면 발광 프로브 기술은 전류 방출을 기반으로 합니다. 발광 프로브는 온도나 밀도를 측정하지 않습니다. 대신 정밀한 플라즈마 전위 측정을 제공하며 플라즈마 흐름에 민감하지 않기 때문에 다양한 상황에서 작동할 수 있습니다. 발광 프로브의 이론과 사용법은 Sheehan and Hershkowitz²⁰의 주제별 리뷰와 그 안에 있는 참고 문헌에서 충분히 논의되었습니다.

플라즈마 밀도 10¹¹ ≤ n_e ≤ 10^{18 m-3}의 경우 제로 방출 한계의 변곡점 기법이 권장되며, 이는 각각 다른 필라멘트 가열 전류를 갖는 일련의 IV 트레이스를 취하여 각 IV 트레이스에 대한 변곡점 바이어스 전압을 찾고 변곡점을 제로 방출 한계로 외삽하여 플라즈마 전위를 얻고, 그림 2와 같습니다.

Langmuir와 발광 프로브 기술은 준 중성 플라즈마에서는 일치하지만 공간 전하가 나타나는 경계와 접촉하는 플라즈마 영역인 외피에서는 일치하지 않는다는 것이 일반적인 가정입니다. 이 연구는 이러한 일반적인 가정을 테스트하기 위한 노력의 일환으로 저온, 저압 플라즈마에서 플라즈마 경계 근처의 플라즈마 전위에 초점을 맞춥니다. Langmuir 프로브와 발광 프로브의 전위 측정값을 비교하기 위해 그림 3과 같이 Langmuir 프로브 I-V에 변곡점 기법을 적용하여 플라즈마 전위도 측정합니다. 플라즈마 전위는 수집된 전류의 2차 도함수가 바이어스 전압에 대해 분화된 프로브 바이어스 전압, 즉 프로브 바이어스 전압에 대해 dI/dV 곡선의 피크를 구함으로써 발견되는 것이 일반적으로 인정된다.¹ 그림 3은 전류-전압 특성의 변곡점인 dI/dV 단위의 이 최대값을 구하는 방법을 보여줍니다.

Langmuir 프로브(수집)와 발광 프로브(방출)는 그림 4와 같이 프로브 팁의 형상에 따라 달라지는 서로 다른 I-V 특성을 가지고 있습니다. 프로브를 제작하기 전에 프로브의 공간 전하 효과를 고려해야 합니다. 실험에서 평면 Langmuir 프로브의 경우 1/4″ 평면 탄탈륨 디스크를 사용했습니다. 더 큰 디스크로 더 많은 전류를 수집하고 더 큰 신호를 얻을 수 있습니다. 그러나, 상기 분석들이 적용되기 위해서는, 프로브의 면적 _Ap가 챔버의 전자 손실 면적_Aw보다 작게 유지되어야 하며,^{이는 21}의 부등식을 만족한다. 원통형 Langmuir 프로브의 경우 원통형 Langmuir 프로브에는 0.025mm 두께, 1cm 길이의 텅스텐 와이어를 사용하고 발광 프로브에는 동일한 두께의 텅스텐 와이어를 사용했습니다. 원통형 Langmuir 프로브의 경우 이러한 실험의 플라즈마 매개변수에 대해 프로브 팁의 반경 rp_는 길이 _Lp보다 훨씬 작고 Debye 길이 λ_D보다 작습니다. 즉, , 및 . 이 범위의 매개변수에서 Orbital Motion Limited 이론과 Laframboise의 개발²² 열 전자 및 이온의 경우, 플라즈마 전위와 같거나 더 큰 프로브 바이어스 전압에 대해 수집된 전자 전류는 다음과 같은 형식의 함수로 매개변수화될 수 있음을 알 수 있습니다.. 여기서 중요한 점은 이 지수가 단위보다 작은 값의 경우 위 단락에서 설명한 대로 플라즈마 전위를 결정하기 위한 변곡점 방법이 원통형 Langmuir 프로브에도 적용된다는 것입니다.