Control of ion properties in low-pressure radiofrequency gas discharges relevant for surface processing  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
128924
Type FK
Principal investigator Derzsi, Aranka
Title in Hungarian Az ionok jellemzőinek szabályozása felületkezelési eljárásokban alkalmazott alacsony nyomású rádiófrekvenciás gerjesztésű gázkisülésekben
Title in English Control of ion properties in low-pressure radiofrequency gas discharges relevant for surface processing
Keywords in Hungarian alacsony hőmérsékletű plazmák, kapacitív RF gázkisülések, felületi folyamatok
Keywords in English low-temperature plasmas, capacitive RF discharges, surface processes
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Physics
Panel Physics
Department or equivalent Complex Fluids Department (Wigner Research Centre for Physics)
Starting date 2018-10-01
Closing date 2023-06-30
Funding (in million HUF) 17.830
FTE (full time equivalent) 3.13
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kapacitív csatolású rádiófrekvenciás (RF) gerjesztésű gázkisülések kiemelt fontosságúak az alkalmazások szempontjából, mivel ilyen típusú gázkisüléseket használnak a felületek plazma alapú megmunkálása során (például reaktív plazma alapú marás a félvezetőiparban, gőzfázisú rétegleválasztás, biokompatibilis felületek létrehozása). A kutatás célja megbízható eljárások kidolgozása a felületre jutó ionok jellemzőinek szabályozására alacsony hőmérsékletű, alacsony nyomású kapacitív RF gázkisülésekben elektronegatív gázok és gázkeverékek esetén. Particle-In-Cell / Monte Carlo Collisions (PIC/MCC) szimulációkkal és kísérletekkel tervezzük feltárni az elektronfűtési és ionizációs dinamikát ezekben a rendszerekben, 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.
Az alacsony nyomású kapacitív csatolású rádiófrekvenciás gerjesztésű gázkisülésekben a felületre jutó ionok fluxusának és energiájának szabályozhatósága kiemelt fontosságú. Ezen ion-jellemzők egymástól független vezérlésére a közelmúltban új módszerként a nem-szinuszos feszültség hullámformával történő gerjesztést vezették be. Ezidáig a szabályozható hullámformával gerjesztett rádiófrekvenciás gázkisülések tanulmányozását többnyire elektropozitív gázokban végezték. Az alkalmazások többségében viszont elektronegatív gázok keverékében hozzák létre a plazmát. Éppen ezért lényeges megvizsgálni, hogy az ion-jellemzők szabályozására javasolt új módszer mennyire hatékony elektronegatív gázok keveréke esetén. Ebben a projektben e kérdés megválaszolását tervezzük, valamint további, a gázkisülések működéséhez, a plazma-jellemzők vezérléséhez kapcsolódó nyitott kérdések megválaszolását.

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 elektronegatív gázok keverékekben létrehozott, kapacitív csatoltású rádiofrekvenciás gázkisülések vizsgálata, ezen rendszerek alapfolyamatainak feltárása. A kutatás várható eredményei lényegesek az alkalmazások szempontjából, 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 a mi kutatócsoportunk azon kevesek közé tartozik, amely a rádiófrekvenciás gerjesztésű gázkisülések numerikus leírására számos különböző gáz esetére szimulációs kódot fejlesztett ki.

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 érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal 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.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Capacitively coupled radio frequency (RF) discharges are essential for modern plasma processing technologies: they have become widely used in a number of applications, ranging from plasma based etching and deposition procedures in the semiconductor industry to plasma assisted surface treatment methods of medical interest. The main goal of the proposed project is the development of reliable procedures for the efficient control of the ion properties at the surfaces in low-temperature, low-pressure capacitively coupled RF discharges, which is a key issue in plasma processing of materials. Particle-In-Cell / Monte Carlo Collisions (PIC/MCC) simulations combined with experiments will be performed in electronegative gases and gas mixtures in order to uncover the electron heating and ionization dynamics in such systems, to reveal the possibilities and the limitations of the efficient control of plasma parameters by voltage waveform tailoring, as well as the effect of surface materials and 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.
In low-pressure capacitively coupled RF discharges the realization of the separate control of the ion flux and ion energy distribution at the electrodes is crucial. In order to achieve such separate control, the application of non-sinusoidal voltage waveforms, generated by using multiple harmonics of a base frequency, has been recently introduced. Most of the studies have mainly focused so far on electropositive gases, however, the applications usually require complex mixtures of electronegative gases. Therefore, the question of whether this new approach to control ion properties can be applied efficiently to electronegative 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 ionization dynamics, and the influence of surface materials and surface collisional processes, and the electronegativitz of the discharge on the ion properties at the electrodes.

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 electronegative gases and gas mixtures, which aid the basic understanding of such systems. 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 developed and benchmarked kinetic simulation codes for manifold gases - such collection of numerical simulation tools is rarely available at other research groups -, 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 NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
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.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A projekt keretében alacsony hőmérsékletű, alacsony nyomású, különböző gázokban és gázkeverékekben keltett kapacitív csatolású rádiófrekvenciás gázkisüléseket vizsgálatunk PIC/MCC kinetikus szimulációkkal és kísérleti úton. 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 kiemelten foglalkoztunk a kidolgozott gázkisülés modellek validálásával kísérleti adatok felhasználásával. Ezen kutatás eredményei hozzájárulhatnak a különböző plazma-alapú alkalmazások tudományos alapon történő optimalizálásához.
Results in English
In this project we have investigated low-temperature, low-pressure capacitively coupled radio frequency gas discharges operated in various gases and gas mixtures based on PIC/MCC simulations and experimental methods. Throughout the research, we have explored 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 effects 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 significant focus was placed on validating the gas discharge models against experimental data. The results of this research have the potential to contribute to the optimization of various plasma processing applications based on scientific understanding.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=128924
Decision
Yes





 

List of publications

  
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, 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
B. Horváth, A. Derzsi, J. Schulze, I. Korolov, P. Hartmann, Z Donkó: Experimental and kinetic simulation study of electron power absorption mode transitions in capacitive radiofrequency discharges in neon, Plasma Sources Sci. Technol. 29, 105004, 2020
P. Hartmann, L. Wang, K. Nösges, B. Berger, S. Wilczek, R. P. Brinkmann, T. Mussenbrock, Z. Juhasz, Z. Donkó, A. Derzsi, E. Lee, J Schulze: Charged particle dynamics and distribution functions in low pressure dual-frequency capacitively coupled plasmas operated at low frequencies and high voltages, Plasma Sources Sci. Technol. 29, 075014, 2020
A. Derzsi, B. Horváth, Z. Donkó, J. Schulze: Surface processes in low-pressure capacitive radio frequency discharges driven by tailored voltage waveforms, Plasma Sources Sci. Technol. 29, 074001, 2020
L. Wang, D. Q. Wen, P. Hartmann, Z. Donkó, A. Derzsi, X. W. Wang, Y. H. Song, Y. N. Wang, J. Schulze: Electron power absorption dynamics in magnetized capacitively coupled radio frequency oxygen discharges, Plasma Sources Sci. Technol. 29, 105004, 2020
M. Vass, A. Derzsi, J. Schulze, Z. Donkó: Intrasheath electron dynamics in low pressure capacitively coupled plasmas, Plasma Sources Sci. Technol. 30, 03LT04, 2021
Z. Juhasz, J. Durian, A. Derzsi, S. Matejcik, Z. Donkó, P. Hartmann: Efficient GPU implementation of the Particle-in-Cell/Monte-Carlo collisions method for 1D simulation of low-pressure capacitively coupled plasmas, Computer Phys. Commun. 263, 107913, 2021
D. A. Schulenberg, I. Korolov, Z. Donkó, A. Derzsi, J. Schulze: Multi-diagnostic experimental validation of 1d3v PIC/MCC simulations of low pressure capacitive RF plasmas operated in argon, Plasma Sources Sci. Technol. 30, 105003, 2021
B. Horváth, Z. Donkó, J. Schulze, A. Derzsi: The critical role of electron induced secondary electrons in high-voltage and low-pressure capacitively coupled oxygen plasmas, Plasma Sources Sci. Technol. 31, 045025, 2022
A Derzsi, P Hartmann, M Vass, B Horváth, M Gyulai, I Korolov, J Schulze, Z Donkó: Electron power absorption in capacitively coupled neon-oxygen plasmas: a comparison of experimental and computational results, Plasma Sources Sci. Technol. 31, 085009, 2022
C-W Park, B. Horváth, A. Derzsi, J. Schulze, J. H. Kim, Z. Donkó, H-C Lee: Experimental validation of particle-in-cell/Monte Carlo collisions simulations in low-pressure neon capacitively coupled plasmas, közlésre elküldve (Plasma Sources Science and Technol.), 2023
A. Derzsi, M. Vass, R. Masheyeva, B. Horváth, Z. Donkó, P. Hartmann: Frequency-dependent electron power absorption mode transitions in capacitively coupled argon-oxygen plasmas, közlésre elküldve (Plasma Sources Science and Technol.), 2023
Horváth Benedek: Control of particle properties in low-pressure radio frequency gas discharges, Eötvös Loránd Tudományegyetem, Fizika Doktori Iskola, PhD dolgozat benyújtásra előkészítve, 2023
M. Vass, A. Derzsi, J. Schulze, Z. Donkó: Intrasheath electron dynamics in low pressure capacitively coupled plasmas, Plasma Sources Sci. Technol. 30, 03LT04, 2021
D. A. Schulenberg, I. Korolov, Z. Donkó, A. Derzsi, J. Schulze: Multi-diagnostic experimental validation of 1d3v PIC/MCC simulations of low pressure capacitive RF plasmas operated in argon, Plasma Sources Sci. Technol. 30, 105003, 2021
B. Horváth, Z. Donkó, J. Schulze, A. Derzsi: The critical role of electron induced secondary electrons in high-voltage and low-pressure capacitively coupled oxygen plasmas, Plasma Sources Sci. Technol. 31, 045025, 2022
A Derzsi, P Hartmann, M Vass, B Horváth, M Gyulai, I Korolov, J Schulze, Z Donkó: Electron power absorption in capacitively coupled neon-oxygen plasmas: a comparison of experimental and computational results, Plasma Sources Sci. Technol. 31, 085009, 2022
B. Horváth, A. Derzsi, J. Schulze, I. Korolov, P. Hartmann, Z Donkó: Experimental and kinetic simulation study of electron power absorption mode transitions in capacitive radiofrequency discharges in neon, Plasma Sources Sci. Technol. 29, 105004, 2020
P. Hartmann, L. Wang, K. Nösges, B. Berger, S. Wilczek, R. P. Brinkmann, T. Mussenbrock, Z. Juhasz, Z. Donkó, A. Derzsi, E. Lee, J Schulze: Charged particle dynamics and distribution functions in low pressure dual-frequency capacitively coupled plasmas operated at low frequencies and high voltages, Plasma Sources Sci. Technol. 29, 075014, 2020
A. Derzsi, B. Horváth, Z. Donkó, J. Schulze: Surface processes in low-pressure capacitive radio frequency discharges driven by tailored voltage waveforms, Plasma Sources Sci. Technol. 29, 074001, 2020
L. Wang, D. Q. Wen, P. Hartmann, Z. Donkó, A. Derzsi, X. W. Wang, Y. H. Song, Y. N. Wang, J. Schulze: Electron power absorption dynamics in magnetized capacitively coupled radio frequency oxygen discharges, Plasma Sources Sci. Technol. 29, 105004, 2020
M. Vass, A. Derzsi, J. Schulze, Z. Donkó: Intrasheath electron dynamics in low pressure capacitively coupled plasmas, Plasma Sources Sci. Technol. 30, 03LT04, 2021
Z. Juhasz, J. Durian, A. Derzsi, S. Matejcik, Z. Donkó, P. Hartmann: Efficient GPU implementation of the Particle-in-Cell/Monte-Carlo collisions method for 1D simulation of low-pressure capacitively coupled plasmas, Computer Phys. Commun. 263, 107913, 2021
D. A. Schulenberg, I. Korolov, Z. Donkó, A. Derzsi, J. Schulze: Multi-diagnostic experimental validation of 1d3v PIC/MCC simulations of low pressure capacitive RF plasmas operated in argon, Plasma Sources Sci. Technol. 30, 105003, 2021
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
B. Horváth, A. Derzsi, J. Schulze, I. Korolov, P. Hartmann, Z Donkó: Experimental and kinetic simulation study of electron power absorption mode transitions in capacitive radiofrequency discharges in neon, Plasma Sources Sci. Technol. 29, 105004, 2020
P. Hartmann, L. Wang, K. Nösges, B. Berger, S. Wilczek, R. P. Brinkmann, T. Mussenbrock, Z. Juhasz, Z. Donkó, A. Derzsi, E. Lee, J Schulze: Charged particle dynamics and distribution functions in low pressure dual-frequency capacitively coupled plasmas operated at low frequencies and high voltages, Plasma Sources Sci. Technol. 29, 075014, 2020
A. Derzsi, B. Horváth, Z. Donkó, J. Schulze: Surface processes in low-pressure capacitive radio frequency discharges driven by tailored voltage waveforms, Plasma Sources Sci. Technol. 29, 074001, 2020
L. Wang, D. Q. Wen, P. Hartmann, Z. Donkó, A. Derzsi, X. W. Wang, Y. H. Song, Y. N. Wang, J. Schulze: Electron power absorption dynamics in magnetized capacitively coupled radio frequency oxygen discharges, Plasma Sources Sci. Technol. 29, 105004, 2020
A. Derzsi, J. Schulze: 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
K. Noesges, A. Derzsi. B. Horvath, J. Schulze, T. Mussenbrock, R. P. Brinkmann, S. Wilczek: The Influence of 'gamma'- and 'delta'-Electrons on the Nonlocal Power Absorption in Capacitively Coupled Plasmas, 72nd Annual Gaseous Electronics Conference (GEC2019), October 28–November 1, 2019, College Station, Texas, 2019
B. Horvath, A. Derzsi, J. Schulze, P. Hartmann, I. Korolov, Z. Donko: 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
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
Horváth Benedek: Electron Power Absorption Mode Transitions in Capacitively Coupled Radiofrequency Plasmas, Eötvös Loránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Fizika MSc, 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



Back »