Mode Transition (𝛼 − 𝛾) and Hysteresis in Microwave-driven Low-temperature Plasmas

Abstract

저희 연구에서는 저압 시스템에서 아르곤 마이크로파 플라즈마에서 방전 모드 ( 𝛼 및 𝛾 모드) 전환에 걸쳐 발생하는 히스테리시스를 발견했습니다. 히스테리시스는 압력 변화의 방향에 따라 다른 임계 압력에서 모드 전이가 발생하는 것으로 나타납니다. 방전 모드 전환은 아르곤 방출 선을 비교하는 것을 통해 추정한 아르곤 이온량의 변화 또는 전자 온도의 급격한 변화로 확인하였습니다. 결과적으로 주어진 같은 작동 변수( 압력, 파워, 가스 조성 )에서 방전 모드가 압력 변화의 방향에 따라 달라지며, 이 결과는 같은 작동 조건의 플라즈마 공정 과정에서 다른 특성을 가진 이중 안정 상태의 존재 가능성을 제시합니다. 실험에서 관찰된 히스테리시스는 OH(A-X) 방출 선에서 측정된 회전(rotational) 및 진동(vibrational) 온도를 조사하여 분석하였습니다. 간단한 물리적 모델을 적용하여 회전 온도와 병진 온도 사이의 관계를 설명하고, 모드 전환 과정의 히스테리시스는 𝛾 모드에서 발생하는 빠른 가스 가열로 인해서 나타나는 것으로 분석하였습니다. 즉, 𝛾 모드의 빠른 가스 가열로 중성 밀도는 𝛼 모드의 중성 밀도보다 작게 유지되며, 𝛼 에서 𝛾 모드로의 전이 과정에 비해 시스템의 압력이 증가 는 𝛾 에서 𝛼 모드로의 전이 경우에 압력이 감소하는 과정보다 더 높은 임계 압력이 필요하게 됩니다. 이 해석은 압력 대신 중성 밀도로 해석했을 때, 히스테리시스가 사라지는 것을 통해서 검증됩니다.

We discovered hysteresis in microwave-driven low-pressure Ar plasmas across the transition of discharge modes (𝛼 and 𝛾). The hysteresis manifests as two different mode transition pressures depending on the direction of the pressure change. The discharge mode transition is identified by a rapid change in the argon ion population or electron temperature (both are estimated from the Ar emission lines). As a corollary, the discharge characteristics at given operation parameters (pressure, power, and gas composition) depend on the direction of pressure change, suggesting the possibility of bistable states in processing plasmas. The hysteresis observed in the experiment was analyzed by investigating the rotational and vibrational temperatures measured from the OH (A-X) emission lines. Additionally, the relationship between the rotational and translational temperatures was explained by applying simple physical models. It was shown that the hysteresis during mode transition occurs because of fast gas heating in the 𝛾 mode owing to the larger amplitude collective oscillations. As a result, the neutral density of the 𝛾 mode is smaller than that of the α mode, and a higher critical pressure is required for the 𝛾 to 𝛼 transition when the system pressure increases as compared to the case of the 𝛼 to 𝛾 transition where system pressure decreases. This interpretation is confirmed by the elimination of hysteresis by analyzing it in neutral density instead of pressure.