Estudio y medida de las características iónicas de plasmas mediante espectrometría de masas

Abstract

This work proposes a method to measure the Ii ð€€€? V characteristic of a plane probe for each one of the ion species present in a low-pressure plasma, by using a mass spectrometer as the ammeter whose probe entrance can be biased at an arbitrary electric potential. From the Ii ð€€€? V characteristic, the corresponding ion energy probability distribution function of each ion species in the plasma is obtained. Moreover, the corresponding ion temperature and the plasma potential are obtained. The results are in good agreement with those obtained from classical diagnosis methods as Langmuir probes and mass spectrometry. Plasma processing of materials is a very complex task since it involves plasmas including multiple species of ions. In order to control and enhance these technological processes, it is necessary to improve the plasma diagnostics methods for the determination of the plasma potential, the electric eld distribution in the plasma and the energy distribution function of each charged species in the plasma, both electrons and ions, which will let us determine their corresponding densities and temperatures. Moreover, these measurements are necessary for understanding the ion ux to the plasma boundary close to the surface to be processed and improving the plasma-wall interaction knowledge. So, these types of measurements are fundamental to understanding the plasma-wall interaction on which the plasma processing of materials is based (Oksuz L. and Hershkowitz N., 2002, Lee D. et al., 2007 and Ghim Y. C. and Hershkowitz N., 2009). In this way, systems for ion analysis based on mass spectrometry are commonly used since they allow us studying each one of the multiple species of ions present in the plasma separately (Hollenstein C. et al., 1994, Sto els E. et al., 1998 and Gudmundsson J. T., 1999). In fact, these instruments can determine the ion energy probability distribution function (IEPDF) using energy lters. Nevertheless, their usual accuracy in energy is about 0;05 eV (20 data per eV). This value is not accurate enough in low-temperature plasmas, in which the ion thermal energy is close to that value, and should be lowered. On the other hand, Langmuir probe methods are still being widely used in plasma diagnostics, even in the case of electronegative plasmas or in those in which the positive ion temperature should be considered (Fernández Palop J. I. et al., 1996 , Demidov V. I. et al., 2002, Morales Crespo R. et al., 2003, Morales Crespo R. et al., 2004 a) y b), Ballesteros J. et al., 2006 and Díaz- Cabrera J. M. et al., 2012). In these types of plasmas, methods considering...

Este trabajo propone un método para medir la característica Iið€€€V de una sonda plana para cada una de las especies de iones presentes en un plasma a baja presión, utilizando un espectrómetro de masas como amperímetro cuya sonda de entrada entrada puede ser polarizada a un potencial eléctrico arbitrario. De la característica Ii ð€€€ V se obtiene la función de distribución de probabilidades de energía de cada especie iónica presente en el plasma. Además se obtienen la temperatura de los iones y el potencial del plasma. Los resultados están de acuerdo con los obtenidos a partir de los métodos clásicos de diagnosis, tales como los de sondas de Langmuir clásicos y la espectrometría de masas. El procesamiento de materiales con plasma es una tarea muy compleja porque comprende plasmas con varias especies de iones. Con el n de controlar y mejorar los procesos tecnológicos, es necesario mejorar los métodos de diagnóstico del plasma para la determinación del potencial del plasma, la distribución del campo eléctrico en el plasma y la función de distribución de energía de cada especie cargada en el plasma, electrones y iones, parámetros que nos permitirán determinar sus correspondientes densidades y temperaturas. Además, esas medidas son necesarias para establecer el ujo de iones desde el plasma hacia la super cie y mejorar así el conocimiento de la interacci ón plasma-pared. (Oksuz L. and Hershkowitz N., 2002, Lee D. et al., 2007 y Ghim Y. C. y Hershkowitz N., 2009). Los sistemas para el análisis de iones basados en la espectrometría de masas se utilizan comúnmente, ya que nos permiten estudiar cada una de las múltiples especies de iones presentes en el plasma por separado (Hollenstein C. et al., 1994, Sto els E. et al., 1998 y Gudmundsson J. T., 1999). De hecho, estos instrumentos pueden determinar la función de distribución de probabilidad de energía de los iones (IEPDF) utilizando ltros de energía. Sin embargo, su precisión habitual en energía es de aproximadamente 0;05 eV (20 datos por eV), valor que no es su cientemente preciso en plasmas de baja temperatura, en el que la energía térmica de los iones está cerca de ese valor, y debe ser disminuido. Por otro lado, los métodos de sonda de Langmuir están siendo ampliamente utilizados en la diagnosis de plasmas, incluso en el caso de plasmas electronegativos o en aquellos en los que la temperatura de los iones positivos debe ser considerada (Fernández Palop J. I. et al., 1996 , Demidov V. I. et al., 2002, Morales Crespo R. et al., 2003, Morales Crespo R. et al., 2004 a) y b), Ballesteros J. et al., 2006 y Díaz-Cabrera J. M. et al., 2012). En este...