Lenka Zajíčková Masarykova univerzita, Přírodovědecká fakulta poznámky k přednášce F4280 - Technologie depozice tenkých vrstev a povrchových úprav lenkaz@physics.muni.cz 7. Plasma Processing of Materials 7.1 Introduction to Plasma Physics Plasma ... • is quasineutral system of charged particles (electrons - ne, ions - ni) that can contain neutrals (ng) )/( giiiz nnnx ionization degree: fully ionized plasma 1izx 1izxweakly ionized plasma Quasineutrality ie nn  has to be fulfilled on the scale Quasineutrality is violated in regions adjacent to walls and other solid objects in contact with plasma – plasma sheath. These regions are very important for plasma processing. Plasma potential is always the most positive potential electrons are repelled by a Coulolmb barrier, ions accelerated towards solid surfaces. Important plasma parameters are • electron temperature Te • electron density ne •ne•ne Te is given rather in [eV] 1 eV = 11 600 K •ne•ne Natural length scale in plasma is Debye length • contains many interacting charged particles • exhibits collective behaviour of electrons that is not much disturbed by electron-neutral collisions Dynamics of charged plasma particles is given by • externally applied fields and • internal fields resulting from existence and motion of charged plasma particles We can distinguish interaction of: • two charged particles • charged and neutral particles. According to importance of these two interactions plasma is divided into weak or high ionized. Plasma ... There various elastic or inelastic collisions (interactions) in plasma. Few examples: Plasma sheath – Debye sheath sx density of e- / ions in the sheath: in weakly ionized plasma with eVfewe T 0i Tat grounded or floating wall (low potential drop), collisionless velocity of ions at sheath edge (Bohm velocity): density at the sheath edge: 0s 0.5nn  electron and ion flux has to equal at floating wall Bsi un Bu eb e 8 b s4 1 e Tk eV e m Tk n          M πm e Tk Vw 2 ln 2 eb calculation for Ar discharge with Te = 2 eV, n=108 cm-3: floating potential approx. 5Te =10 V, sheath thickness approx. 5lD = 0.37 mm Plasma sheath – Child-Langmuir sheath high-voltage sheath (when a voltage is applied) Then, current density j, voltage drop V0 and sheath thickness d are related by the ChildLangmuir Law of Space-Charge-Limited Diodes following previous example with assumptionV0 = 400 V: d = 30lD, total sheath thickness 35lD, i.e. about 1 cm Sheath can be artificially divided into Debye sheath which contains electrons and high-voltage ChildLangmuir sheath which has ions only. Jak získáme plazma? Tři dobře známá skupenství hmoty:  Tato skupenství se odlišují silou vazeb, které drží částice látky pohromadě – relativně silné v pevných látkách, slabé v kapalinách a téměř úplně chybí v plynech.  Důležitou fyzikální veličinou je vnitřní kinetická energie (tepelná energie) částic látky, tj. její teplota. Rovnováha mezi touto tepelnou energií částic a vzájemnými vazebnými silami určuje skupenství látky. http://www.harcourtschool.com/activity/states_of_matter/  Zahříváním pevné nebo kapalné látky získávají její částice více tepelné energie až do okamžiku, kdy jsou schopné překonat vazebnou potenciální energii  dochází k fázovému přechodu při konstantní teplotě. Plazma je čtvrté skupenství hmoty - ionizovaný plyn Co se děje, když zahříváme plyn?  Dodáním dostatečné energie molekulárnímu plynu dochází k jeho disociaci na atomy v důsledku srážek těch částic, jejichž tepelná energie překračuje vazebnou energii molekuly.  Ještě větší dodaná tepelná energie způsobí překonání vazebných sil elektronů k jádru  ionizace, tj. vznik volných elektronů a iontů  plazma neutrální plyn ionizovaný plyn - plazma energie Two Methods for Generation of Plasma  Dostatečným zvýšením teploty: Pak jde o systém v termodynamické rovnováze. Elektronová teplota a stupeň ionizace jsou svázány Sahovou rovnicí. V laboratoři neobvyklé, ale v přírodě časté (astrofyzikální plazma).  Pomocí ionizačních procesů zvyšujících mnohonásobně stupeň ionizace nad jeho rovnovážnou hodnotu (po vypnutí zdroje ionizace dojde k dohasínání plazmatu díky rekombinaci): • fotoionizace – ionizační potenciál např. atomu kyslíku je 13,6 eV  foton o vlnové délce 91 nm (daleká UV oblast). Ionosféra Země - přírodní fotoionizované plazma. • elektrický výboj v plynu – el. pole urychluje volné elektrony na energie dostatečné k ionizaci atomů, laboratorní plazma.