Szabályozható RF hullámformával gerjesztett reaktív gázkisülések  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
121033
típus PD
Vezető kutató Derzsi Aranka
magyar cím Szabályozható RF hullámformával gerjesztett reaktív gázkisülések
Angol cím Reactive gas discharges excited by tailored voltage waveforms
magyar kulcsszavak alacsony hőmérsékletű plazmák, kapacitív RF gázkisülések, reaktív gázkisülések
angol kulcsszavak low-temperature plasmas, capacitive RF discharges, reactive gas discharges
megadott besorolás
Fizika (Élettelen Természettudományok Kollégiuma)100 %
Ortelius tudományág: Fizika
zsűri Fizika
Kutatóhely SZFI - Komplex Folyadékok Osztálya (Wigner Fizikai Kutatóközpont)
projekt kezdete 2016-10-01
projekt vége 2019-09-30
aktuális összeg (MFt) 15.087
FTE (kutatóév egyenérték) 2.10
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A kutatás célja az alacsony hőmérsékletű, alacsony nyomású, reaktív gázok keverékében keltett, kapacitív csatolású rádiófrekvenciás gázkisülések működésének vizsgálata. Az ilyen gázkisülések, amelyekre jellemző a nemegyensúlyi termodinamikai állapot, nemlinearitás és a töltött részecskék nemlokális transzportja a térben és/vagy időben gyorsan változó elektromos térben, megválaszolatlan fizikai alapkérdésekben rendkívül gazdag kutatási területet kínálnak. Ezek a rendszerek, ugyanakkor, az alkalmazások szempontjából is jelentősek: reaktív gázokat és gázkeverékeket kiterjedten használnak a felületek plazma alapú megmunkálása során (például napelemek gyártása plazmával segített gőzfázisú rétegleválasztással, reaktív plazma alapú marás a félvezetőiparban, biokompatibilis felületek létrehozása). A kutatás során feltárjuk az elektronfűtési és ionizációs dinamikát ezekben a rendszerekben, valamint a plazma jellemzői és a kisülés működési paraméterei közötti összefüggéseket, Particle-In-Cell / Monte Carlo Collisions (PIC/MCC) szimulációkkal. Vizsgálni tervezzük továbbá a plazma-jellemzők vezérlésének lehetőségeit és korlátait szabályozható hullámformával történő gerjesztés esetén, valamint a felületi folyamatok hatását a plazma jellemzőire.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A közelmúltban a kapacitív rádiófrekvenciás gázkisülések nem-szinuszos, ú.n. „szabályozható” feszültség hullámformával történő gerjesztését vezették be új módszerként a felületre jutó ionok fluxusának és átlagos energiájának egymástól független vezérlésére. Ezidáig a szabályozható hullámformával gerjesztett rádiófrekvenciás gázkisülések tanulmányozását többnyire elektropozitív gázokban végezték. Az alkalmazások többségében viszont elektronegatív, reaktív gázok keverékében hozzák létre a plazmát. Éppen ezért lényeges megvizsgálni, hogy az ion-jellemzők szabályozására javasolt új módszer mennyire hatékony reaktív gázok keveréke esetén. Ebben a projektben e kérdés megválaszolását tervezzük, valamint további, a reaktív gázok keverékében szabályozható feszültség-hullámformával létrehozott gázkisülések működéséhez, a plazma-jellemzők vezérléséhez kapcsolódó nyitott kérdések megválaszolását. A kutatás során az ilyen rendszerek szisztematikus vizsgálatát tervezzük PIC/MCC numerikus szimulációkkal. Ehhez a csoportunkban kifejlesztett kinetikus szimulációs kódokat használjuk, amelyeket a projekt célkitűzéseivel összhangban továbbfejlesztünk.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A tervezett kutatás célja a reaktív gázok keverékekben létrehozott, kapacitív csatoltású rádiofrekvenciás gázkisülések vizsgálata, ezen rendszerek alapfolyamatainak feltárása. Megvizsgáljuk a töltött részecskék dinamikájának és jellemzőinek szabályozhatóságát gázkeverék plazmákban többfrekvenciás, ú.n. “szabályozható” feszültség-hullámformával történő gerjesztés esetén. A kutatás várható eredményei az alkalmazások szempontjából is lényegesek, mivel tudományos alapot biztosítanak a különböző plazma-alapú eljárások optimalizálásához, mint például a napelemek gyártása plazmával segített gőzfázisú rétegleválasztás során, reaktív plazma alapú marás a félvezetőiparban, biokompatibilis felületek létrehozása. Magyarországon a mi kutatócsoportunk az egyetlen, amely alacsony hőmérsékletű, alacsony nyomású, kapacitív csatolású rádiófrekvenciás gázkisülések kutatásával foglalkozik. Nemzetközi szinten együttműködéseket alakítottunk ki az ugyanezen területet kutató legjelentősebb csoportokkal. A mi kutatócsoportunk azon kevesek közé tartozik, amely a rádiófrekvenciás gerjesztésű gázkisülések numerikus leírására számos különböző gáz esetére szimulációs kódot fejlesztett ki. A tervezett kutatás ezen szimulációs kódok továbbfejlesztésén alapul, reaktív gázok keverékében keltett gázkisülések numerikus leírására alkalmas programok létrehozását, valamint ezekkel történő szimulációk végzését tervezzük.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A plazmák fontos szerepet játszanak számos, a környezetünkben megtalálható eszköz előállítása során. Plazma-alapú technológiára épül a napelemek előállítása (plazmával segített rétegleválasztás során), az integrált áramkörök gyártása (plazma-alapú maratással a mikroelektronikában), orvosi implantátumok létrehozása (plazma-alapú felületkezeléssel). Plazma-alapú technológiák nélkül a mindennapi életünket segítő számos eszköz (például laptop, mobiltelefon stb.) gyártása lehetetlen lenne. Ahhoz hogy a különböző, plazmák alkalmazásán alapuló eljárásokat a felhasználás célja szerint optimalizálni lehessen, fontos megérteni az ilyen rendszerek működését, feltárni ezek komplex fizikáját. Ebben a kutatásban az alkalmazások szempontjából is lényeges gázkisülések átfogó, számítógépes szimulációkon alapuló vizsgálatát tervezzük. A kutatás során feltárjuk a különböző gázkeverék plazmák jellemzőit és megvizsgáljuk ezek szabályozhatóságának lehetőségeit. Ezen kutatás eredményei hozzájárulhatnak a különböző plazma-alapú alkalmazások tudományos alapon történő optimalizálásához.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The aim of this project is the numerical study of low-temperature, low-pressure capacitively coupled radio-frequency (RF) discharges operated in reactive gases and gas mixtures. Such discharges, characterized by non-equilibrium thermodynamic state, non-linearity, and non-local transport of charged particles in spatio-temporally varying electric fields, involving a large number of elementary processes, represent a rich field for basic research. Such discharges are also important from the point of view of applications: reactive gases and gas mixtures are frequently used in plasma processing of surfaces (e.g. plasma enhanced chemical vapour deposition for solar panel production, reactive ion etching in the semiconductor industry, production of biocompatible surfaces). Our aim is to perform comprehensive Particle-In-Cell / Monte Carlo Collisions (PIC/MCC) simulations in order to uncover the electron heating and ionization dynamics in such systems, to reveal the connections between the discharge operating conditions and the charged particle distribution functions. We also aim to reveal the possibilities and limitations of efficient control of plasma parameters by voltage waveform tailoring in reactive gas mixtures, as well as the effect of surface processes on the plasma parameters.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

The application of non-sinusoidal, so called “tailored” voltage waveforms, generated by using multiple harmonics of a base frequency, for the excitation of capacitive RF discharges has been recently introduced as a new method to control the ion flux and ion energy distribution at the electrodes. Most of the studies on capacitive RF plasmas excited by tailored voltage waveforms have mainly focused so far on electropositive gases. However, the applications usually require complex mixtures of reactive gases. Therefore, the question of whether this new approach to control ion properties can be applied efficiently to reactive gas mixture discharges is of exceptional importance. In this project we plan to answer this question and aim to solve open issues related to discharge operation, control of charged particle dynamics and particle distribution functions, and the influence of surface processes on the plasma parameters in low-pressure capacitively coupled RF discharges operated in reactive, electronegative gas mixtures excited by tailored voltage waveforms. In order to clarify the above problems, systematic computational study of such discharges will be carried out, based on PIC/MCC simulation codes developed and maintained by our group - these codes will be further extended according to the proposed research.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

The proposed project will provide new knowledge on the operation of capacitively coupled RF discharges in reactive gases and gas mixtures, which aid the basic understanding of such systems. The possibilities to control charged particle dynamics and particle distribution functions via the application of multi-frequency tailored voltage waveforms to excite the plasmas in various gas mixtures will be also explored. The results expected from this work are relevant for applied research by providing a scientific basis for enhanced process control in applications such as plasma enhanced chemical vapour deposition for solar panel production, reactive ion etching in the semiconductor industry, and production of biocompatible surfaces. There are no other research groups besides ours in Hungary focusing on the investigation of low-temperature, low-pressure, capacitively coupled RF discharges. Compared to other international research groups in this field (we have established strong collaboration with many of these groups), we have developed and benchmarked kinetic simulation codes for manifold gases - such collection of numerical simulation tools is rarely available at other research groups. The proposed project builds upon these codes, which represent a strong basis for further development to describe capacitive RF discharges in various gas mixtures.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Plasmas play a crucial role in the fabrication of a variety of objects present in our surroundings. Plasma-based technology is used for the production of solar cells (via plasma enhanced deposition of semiconductor materials), microchips (via plasma etching in microelectronics), and medical implants (via plasma-assisted surface treatment). Without plasmas high-tech devices, aiding our everyday life, could not be built. In order to optimize the operation of various plasma-based applications, fundamental understanding of the complex physics of such systems is required. This work, based on comprehensive computational studies, will provide new knowledge on the processes taking place in the plasma in different gas mixtures, and reveal the possibilities of efficient control of plasma characteristics. The results expected from this research are relevant for the applications, may aid their optimization based on scientific basis.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A projekt keretében alacsony hőmérsékletű, alacsony nyomású, különböző gázokban és gázkeverékekben keltett kapacitív csatolású rádiófrekvenciás gázkisüléseket vizsgálatunk a csoportunkban kifejlesztett Particle-in-Cell/Monte Carlo Collisins (PIC/MCC) kinetikus szimulációs kódok segítségével. A szimulációs vizsgálatokat néhány esetben kísérleti vizsgálatokkal is kiegészítettük. A kutatás során vizsgáltuk az elektronfűtési és ionizációs dinamikát technológiai plazmák esetén, a plazma jellemzői és a kisülés működési paraméterei közötti összefüggéseket, a plazma-jellemzők vezérlésének lehetőségeit és korlátait szabályozható hullámformával történő gerjesztés esetén, valamint a felületi folyamatok hatását a plazma jellemzőire. A különböző plazma részecskék felülettel történő kölcsönhatásainak leírására realisztikus modelleket dolgoztunk ki (pl. nehéz részecskék és elektronok által keltett másodlagos elektronok emissziója, elektronok visszaverődése a felületről, felület porlasztása) és rámutattunk a felületi folyamatok realisztikus leírásának fontosságára a PIC/MCC szimulációkban ahhoz, hogy az alkalmazások szempontjából fontos plazmajellemzők prediktív vezérlése elérhető legyen.
kutatási eredmények (angolul)
In this project we have investigated low-temperature, low-pressure capacitively coupled radio-frequency (RF) discharges operated in various gases and gas mixtures via numerical modeling based on Particle-in-Cell/Monte Carlo Collisins (PIC/MCC) simulation codes developed by our group. The simulation studies have been complemented by experimental studies in some cases. We have investigated the electron heating and ionization dynamics in technological plasmas, the connections between the discharge operating conditions and the charged particle dynamics and particle distribution functions, the possibilities and limitations of the efficient control of plasma parameters by voltage waveform tailoring, as well as the effect of surface processes on the discharge characteristics. We have developed realistic models for the description of the interactions of various plasma particles with the boundary surfaces (secondary electron emission induced by heavy particles and electrons, electron reflection at the electrodes, surface sputtering) and pointed out the importance of the realistic treatment of surface processes in PIC/MCC simulations in order to achieve predictive control of particle flux-energy distribution functions for applications.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=121033
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Derzsi A, Bruneau B, Gibson R, Johnson E, O’Connell D, Gans T, Booth J-P, Donkó Z: Power coupling mode transitions induced by tailored voltage waveforms in capacitive oxygen discharges, Plasma Sources Sci. Technol. 26 034002, 2017
Horváth B, Daksha M, Korolov I, Derzsi A, Schulze J: The role of electron induced secondary electron emission from SiO2 surfaces in capacitively coupled radio frequency plasmas operated at low pressures, Plasma Sources Sci. Technol. 26 (2017) 124001, 2017
Horváth B: Rádiófrekvenciás gerjesztésű gázkisülések numerikus szimulációja, Eötvös Loránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Fizika BSc - Fizikus szakirány, 2017
Horváth B: Az elektron-elektróda kölcsönhatás szerepe alacsony nyomású rádió- frekvenciás gázkisülésekben, Eötvös Loránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Fizikus Tudományos Diákköri Konferencia (TDK), 2017
Horváth B, Schulze J, Donkó Z, Derzsi A: The effect of electron induced secondary electrons on the characteristics of low-pressure capacitively coupled radio frequency plasmas, J. Phys. D: Appl. Phys. 51, 355204, 2018
Dakhsa M, Derzsi A, Donkó Z, Schulze J: Material dependent modeling of secondary electron emission coefficients and its effects on PIC/MCC simulation results of capacitive RF plasmas, Plasma Sources Science and Technology, 28, 034002, 2019
Donkó Z, Derzsi A, Vass M, Schulze J, Schuengel E, Hamaguchi S: Ion energy and angular distributions in low-pressure capacitive oxygen RF discharges driven by tailored voltage waveforms, Plasma Sources Sci. Technol. 27, 104008, 2018
You K H, Schulze J, Derzsi A, Donkó Z, Yeom H J, Kim J H, Seong D J, Lee H C: Experimental and computational investigations of the effect of the electrode gap on capacitively coupled radio frequency oxygen discharges, Physics of Plasmas 26, 013503, 2019
Derzsi A, Horváth B, Korolov I, Donkó Z, Schulze J: Heavy-particle induced secondary electrons in capacitive radio frequency discharges driven by tailored voltage waveforms, Journal of Applied Physics, 126, 043303, 2019
Donkó Z, Derzsi A, Korolov I, Hartmann P, Brandt S, Schulze J, Berger B, Koepke M, Bruneau B, Johnson E, Lafleur T, Booth J-P, Gibson A, O'Connell D, Gans T: Experimental benchmark of kinetic simulations of capacitively coupled plasmas in molecular gases, Plasma Phys. Control. Fusion 60 (2018) 014010, 2018
Brandt S, Berger B, Donkó Z, Derzsi A, Schuengel E, Koepke M and Schulze J: Control of charged particle dynamics in capacitively coupled plasmas driven by tailored voltage waveforms in mixtures of Ar and CF4, Plasma Sources Science and Technol. 28, 095021, 2019
Derzsi A, Schulze J: Surface processes in capacitive radio frequency discharges driven by tailored voltage waveforms, 72nd Annual Gaseous Electronics Conference (GEC2019), October 28–November 1, 2019, College Station, Texas, 2019
Horváth B: Electron Power Absorption Mode Transitions in Capacitively Coupled Radiofrequency Plasmas, Eötvös Loránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Fizika MSc, 2019
Horváth B, Derzsi A, Schulze J, Hartmann P, Korolov I, Donkó Z: Experimental confirmation of transitions in the discharge operation mode in low-pressure capacitively coupled Ne plasmas, 72nd Annual Gaseous Electronics Conference (GEC2019), October 28–November 1, 2019, College Station, Texas, 2019
K. H. You, J. Schulze, A. Derzsi, Z. Donkó, H.J. Yeom, J. H. Kim, D.J. Seong, H. C. Lee: Experimental and computational investigations of the effect of the electrode gap on capacitively coupled radio frequency oxygen discharges, Physics of Plasmas, submitted, 2018
M. Dakhsa, A. Derzsi, Z. Donkó, J. Schulze: Material dependent modeling of secondary electron emission coefficients and its effects on PIC/MCC simulation results of capacitive RF plasmas, Plasma Sources Science and Technology, submitted, 2018
Horváth Benedek: Az elektron-elektróda kölcsönhatás szerepe alacsony nyomású rádió- frekvenciás gázkisülésekben, Eötvös Loránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Fizikus Tudományos Diákköri Konferencia (TDK), 2017
Derzsi A, Bruneau B, Gibson R, Johnson E, O’Connell D, Gans T, Booth J-P, Donkó Z: Power coupling mode transitions induced by tailored voltage waveforms in capacitive oxygen discharges,, Plasma Sources Sci. Technol. 26 034002, 2017
Donkó Z, Derzsi A, Korolov I, Hartmann P, Brandt S, Schulze J, Berger B, Koepke M, Bruneau B, Johnson E, Lafleur T, Booth J-P, Gibson A, O'Connell D, Gans T: Experimental benchmark of kinetic simulations of capacitively coupled plasmas in molecular gases, Plasma Phys. Control. Fusion, accepted, 2017
Derzsi A: Effect of Secondary Electrons on the Ionization Dynamics and Control of Ion Properties in Electronegative Capacitive Discharges, AVS 64th International Symposium and Exhibition, October 30 - November 3, 2017, Tampa, Florida, 2017
Donkó Z, Derzsi A, Bruneau B, Gibson A R, Johnson E, O’Connell D, Gans T, Booth J-P, Schulze J: Experimental benchmarks and sensitivity analysis of PIC/MCC simulations of oxygen CCPs, 6th Workshop on Radio Frequency Discharges, 21-23 May 2017, Presqu'ile de Giens, France, 2017
Donkó Z, Schulze J, Schuengel E, Derzsi A, Vass M, Hamaguchi S: Customising ion flux-energy distributions in low-pressure capacitive RF discharges, 82nd IUVSTA Workshop on Plasma-based Atomic Layer Processes, 4 - 7 December, 2017, Bankoku Shinryokan, Okinawa, Japan, 2017
Horváth Benedek: Rádiófrekvenciás gerjesztésű gázkisülések numerikus szimulációja, Eötvös Loránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Fizika BSc - Fizikus szakirány, 2017
Horvath B, Daksha M, Korolov I, Derzsi A, Schulze J: The role of electron induced secondary electron emission from SiO2 surfaces in capacitively coupled radio frequency plasmas operated at low pressures, Plasma Sources Sci. Technol. accepted, 2017
Derzsi A, Bruneau B, Gibson R, Johnson E, O’Connell D, Gans T, Booth J-P, Donkó Z: Power coupling mode transitions induced by tailored voltage waveforms in capacitive oxygen discharges,, Plasma Sources Sci. Technol. 26 034002, 2017
Donkó Z, Derzsi A, Korolov I, Hartmann P, Brandt S, Schulze J, Berger B, Koepke M, Bruneau B, Johnson E, Lafleur T, Booth J-P, Gibson A, O'Connell D, Gans T: Experimental benchmark of kinetic simulations of capacitively coupled plasmas in molecular gases, Plasma Phys. Control. Fusion 60 (2018) 014010, 2017
Horváth Benedek: Rádiófrekvenciás gerjesztésű gázkisülések numerikus szimulációja, Eötvös Loránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Fizika BSc - Fizikus szakirány, 2017
Horvath B, Daksha M, Korolov I, Derzsi A, Schulze J: The role of electron induced secondary electron emission from SiO2 surfaces in capacitively coupled radio frequency plasmas operated at low pressures, Plasma Sources Sci. Technol. 26 (2017) 124001, 2017
B. Horváth, J. Schulze, Z. Donkó, A. Derzsi: The effect of electron induced secondary electrons on the characteristics of low-pressure capacitively coupled radio frequency plasmas, J. Phys. D: Appl. Phys. 51 (2018) 355204, 2018
Z. Donkó, A. Derzsi, M. Vass, J. Schulze, E. Schuengel, S. Hamaguchi: Ion energy and angular distributions in low-pressure capacitive oxygen RF discharges driven by tailored voltage waveforms, Plasma Sources Sci. Technol. accepted, 2018




vissza »