Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Καραβέντζα Βασίλειου - Δημήτρη του Θωμά Αριθμός Μητρώου: 6524 Θέμα «Κατασκευή συστήματος μέτρησης απολύτου ροής θετικών ιόντων σε ηλεκτρικές εκκενώσεις χαμηλής πίεσης» Επιβλέπων Επικ. Καθ. Παναγιώτης Σβάρνας Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούνιος 2013

2 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Κατασκευή συστήματος μέτρησης απολύτου ροής θετικών ιόντων σε ηλεκτρικές εκκενώσεις χαμηλής πίεσης» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Βασίλειου - Δημήτρη Καραβέντζα του Θωμά Αριθμός Μητρώου: 6524 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Ο Επιβλέπων Παναγιώτης Σβάρνας Επίκουρος Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής 3

4 4

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο εργαστήριο Υψηλών Τάσεων (τομέας Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας) του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστήμιου Πατρών. Πρόκειται για την «Κατασκευή συστήματος μέτρησης απολύτου ροής θετικών ιόντων σε ηλεκτρικές εκκενώσεις χαμηλής πίεσης». Ευχαριστώ θερμά τον Επίκουρο Καθηγητή κ. Παναγιώτη Σβάρνα για τον ενθουσιασμό του, τη συνεχή στήριξη και τα συνεχή κίνητρα που μου παρείχε καθ' όλη τη διάρκεια της προσπάθειας αυτής. Ακόμα θέλω να ευχαριστήσω τον αείμνηστο Επίκουρο Καθηγητή Κωνσταντίνο Ευσταθίου που με τη βοήθεια του και την ενεργό στήριξή του βοήθησε να ξεπεραστούν σημαντικά εμπόδια στην κατασκευή των ηλεκτρονικών. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους συμφοιτητές μου Κωνσταντίνο Αντωνάδο, Μάρθα Βλάχου - Κογχυλάκη, Στέφανο Κοκόγια και Ρωμαίο Κυριάκο για την υποστήριξη που μου παρείχαν σε όλο το χρονικό διάστημα της φοιτητικής σταδιοδρομίας μου, καθώς και τον Σπυρίδωνα Αλειφέρη για την ενεργό υποστήριξη του κατά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Τέλος, θα ήταν παράληψη αν δεν ευχαριστούσα τόσο το Ηλεκτροτεχνείο όσο και το Μηχανουργείο του τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών για τη βοήθεια τους στα κατασκευαστικά κομμάτια της εργασίας. Πάτρα 17/06/2013 Καραβέντζας Βασίλειος - Δημήτρης 5

6 6

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΡΟΗΣ ΘΕΤΙΚΩΝ ΙΟΝΤΩΝ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΕΚΚΕΝΩΣΕΙΣ ΧΑΜΗΛΗΣ ΠΕΙΣΗΣ Φοιτητής: ΚΑΡΑΒΕΝΤΖΑΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ - ΔΗΜΗΤΡΗΣ Επιβλέπων: ΣΒΑΡΝΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σε βιομηχανικές εφαρμογές του πλάσματος, καθοριστικό ρόλο παίζουν τα ιόντα, με αυτά να είναι υπεύθυνα για πληθώρα διεργασιών. Για τις εφαρμογές αυτές, ένα βασικό εργαλείο θα ήταν μία διάταξη ελέγχου της απόλυτης ροής αυτών. Προκειμένου να κατασκευαστεί μια τέτοια διάταξη ελέγχου, πρώτο βήμα αποτελεί η μέτρηση της ροής αυτής. Για το σκοπό αυτό έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορες μέθοδοι, με πιο συνήθη τη χρήση ηλεκτροστατικών καθετήρων (Langmuir). Ωστόσο, στη βιομηχανία υπάρχει εμφανής δυσκολία στη χρήση τους, ιδιαίτερα όταν το πλάσμα είναι πηγή σωματιδίων που μπορούν να επικαλύψουν την ενεργό περιοχή του καθετήρα με μονωτικό υμένιο, όπως για παράδειγμα κατά τη διαδικασία του πολυμερισμού. Η τεχνική που προτάθηκε από τους N. S. J. Braithwaite et al. [1], η οποία είναι και το αντικείμενο μελέτης της διπλωματικής αυτής, είναι ανεκτική στο σχηματισμό τέτοιων μονωτικών μεμβρανών και μας δίνει τη δυνατότητα να καθορίσουμε την απόλυτη ροή των ιόντων. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η υλοποίηση του συστήματος μέτρησης της ροής των ιόντων, βάσει της σχετικής βιβλιογραφίας, και η πιθανή βελτίωση αυτού. Η κατασκευή του συστήματος αφορά σε δύο τμήματα: α) αυτό του καθετήρα (μηχανολογικό) και β) αυτό του κυκλώματος πόλωσης. Το μηχανολογικό μέρος αναπαράχθηκε και βελτιώθηκε ελαφρά. Το τμήμα παραγωγής της RF πόλωσης ολοκληρώθηκε στο μεγαλύτερο βαθμό, με επιπλέον όμως εργασία να απαιτείται στο μέλλον λόγω κάποιων ιδιαιτεροτήτων που συζητούνται εντός της διπλωματικής. Αντί αυτού, ο καθετήρας δοκιμάστηκε επιτυχώς με έναν εναλλακτικό απλούστερο τρόπο πόλωσης για μη ρυπαρά όμως περιβάλλοντα πλάσματος (δηλ. απουσία διηλεκτρικών εναποθέσεων στον καθετήρα). 7

8 Στο πρώτο κεφάλαιο δίνεται ο ορισμός του πλάσματος, και ειδικότερα του πλάσματος ραδιοσυχνοτήτων (RF) που είναι και αυτό στο οποίο βρίσκει εφαρμογή το σύστημα που κατασκευάστηκε. Επίσης, γίνεται περιγραφή των δυο συνηθέστερων διατάξεων RF αντιδραστήρων καθώς και των βασικότερων φυσικών μηχανισμών που λαμβάνουν χώρα σε αυτούς. Ακόμη, αναλύονται οι βασικότερες εφαρμογές του πλάσματος ραδιοσυχνοτήτων και ο ρόλος των ιόντων σε αυτές. Στη συνέχεια προσδιορίζονται οι φυσικοί στους οποίους στηρίζεται το σύστημα μέτρησης και βάσει των οποίων γίνεται ο υπολογισμός της απολύτου ροής ιόντων. Τέλος, παρουσιάζεται η διαδικασία με την οποία, με το σύστημα αυτό, μπορούμε να εξαγάγουμε δύο ακόμα παραμέτρους του πλάσματος, α) τη θερμοκρασία των ηλεκτρονίων που ανήκουν στην ουρά της ενεργειακής κατανομής και β) το αιωρούμενο δυναμικό του πλάσματος. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται εκτενής περιγραφή των επιμέρους τμημάτων που κατασκευάστηκαν προκειμένου να γίνει εφικτή η λειτουργία του καθετήρα. Αρχικά γίνεται ανάλυση της κατασκευής του καθετήρα (μηχανολογικού μέρους) και στη συνέχεια των κυκλωμάτων πόλωσης και καταγραφής του σήματος από τον καθετήρα. Επιπρόσθετα, γίνεται περιγραφή του λογισμικού που υλοποιήθηκε για την επεξεργασία των μετρούμενων σημάτων και την εξαγωγή των αποτελεσμάτων. Τέλος, παρουσιάζεται η διάταξη οπτικής φασματοσκοπίας εκπομπής που χρησιμοποιήθηκε για την ταυτοποίηση των στοιχείων του πλάσματος. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή της πειραματικής διάταξης στην οποία δοκιμάστηκε η σωστή λειτουργία του συστήματος. Παράλληλα, γίνεται περιγραφή της διαδικασίας βαθμονόμησης αυτού και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την επεξεργασία των καταγεγραμμένων σημάτων (απόλυτη ροή ιόντων, το αιωρούμενο δυναμικό του πλάσματος και τη θερμοκρασία των ηλεκτρονίων που ανήκουν στην ουρά της ενεργειακής κατανομής). Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της οπτικής φασματοσκοπίας εκπομπής. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται αξιολόγηση των αποτελεσμάτων και προτείνονται μελλοντικές βελτιώσεις και επεκτάσεις προκειμένου να γίνει το σύστημα πιο λειτουργικό. Τέλος, η διπλωματική εργασία ολοκληρώνεται με τα Παράρτημα Α, Παράρτημα Β και Παράρτημα Γ στα οποία δίνονται τα σχέδια των κυκλωμάτων που κατασκευάστηκαν στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής, ο πλήρης κώδικας για την επεξεργασία των σημάτων και τέλος προϋπολογισμός του κόστους κατασκευής των κυκλωμάτων της συσκευής, αντίστοιχα. 8

9 Title: IMPLEMENTATION OF A SYSTEM FOR MEASURING POSITIVE-ION ABSOLUT FLUX IN LOW PRESSURE ELECTRICAL DISCHARGES Student: KARAVENTZAS VASILIOS - DIMITRIS Supervisor: SVARNAS PANAGIOTIS ABSTRACT In industrial plasma applications the ions play a significant role, with them being responsible for a vast variety of processes. For these applications, a basic tool would be a device for controlling the absolute ion flux. In order to implement such a control device, the first step is the measurement of the flux. For measuring the absolute ion flux there have been used many different techniques, with most commonly used the electrostatic probes (Langmuir). However, there is an apparent difficulty when it comes to the use of such probes, especially when the plasma is source of particles which can coat the probe's active region with insulative film, as for example during the polymerisation process. The technique which has been proposed by N. S. J. Braithwaite et al. [1], which is the one that is related to this thesis, is tolerant to the formation of such insulative films and gives us the opportunity to define the absolute ion flux. The goal of this thesis was the implementation of a system for measuring the positive-ion absolute flux, according to the related bibliography, and possibly its improvement. The manufacturing of the system is consisted of two parts: a) this of the probe (mechanical) and b) this of the biasing circuit. The mechanical part was reproduced and improved slightly. The part of the implementation of the RF bias was completed to the greatest extent, with additional work needed in the future, due to some particularities, which are discussed in the thesis. Instead of that, the probe was tested successfully with an alternative simpler way of biasing for non contaminating plasma environments though. (absence of dielectric depositions on the probe) In the first chapter the definition of plasma is given and specifically that of the radiofrequency plasma (RF), which is the one that the constructed system finds application on. A description is given also, of the two most common RF reactor layouts, as well as the most basic physical mechanisms which take place in these. Additionally, a brief description of the most basic radiofrequency plasma application and the role of the ions in these is given. Furthermore, a description is given of the physical mechanisms according to which the measuring system 9

10 functions and according to which the calculation of the absolute ion flux is done. Finally, the process is presented with which we can, with this system, export two additional parameters of the plasma, a) the electron tail temperature and b) the plasma floating potential. In the second chapter a detailed description is given, of the individual parts constructed in order for the function of the probe to become feasible. Initially, the construction of the probe (mechanical part) is analyzed and then there is an analysis of the circuits implemented for the bias and acquisition of the probes raw data. In addition, there is given a description of the software, implemented for the process of the measured signals and the export of results. Finally, a description is given of the optical emission spectroscopy layout that has been used for identifying the species of the plasma. In the third chapter a description is given, of the experimental setup in which the probes well functioning has been tested. In parallel, a description of the calibration process is given and the results are presented, as they resulted from the process of the acquainted signals( the absolute ion flux, the floating potential and the electron tail temperature). Finally, the results of the optical emission spectroscopy are presented. In chapter four an evaluation of the results is done and there are some improvements and possible future extensions suggested, in order for the system to become more functional. Finally, the thesis is completed with the Appendix A, Appendix B and Appendix C in which there are given the schematics of the circuits manufactured for this thesis, the complete code for the signal processing and the budget for the implemented circuits, respectively. 10

11 Περιεχόμενα ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 7 ABSTRACT... 9 Κεφάλαιο Πρώτο Εισαγωγή και Στόχοι της παρούσας εργασίας Βασική ιδέα του πλάσματος ηλεκτρικών εκκενώσεων Πλάσμα ραδιοσυχνοτήτων Χωρητικά συζευγμένο πλάσμα Επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα Εφαρμογές πλάσματος ραδιοσυχνοτήτων ρόλος ιόντων Διάταξη μέτρησης απόλυτης ροής ιόντων Τα ηλεκτρόδια του καθετήρα Πόλωση του καθετήρα Καθορισμός ροής ιόντων Εκτίμηση άλλων παραμέτρων του πλάσματος Σκοπός και συνεισφορά της παρούσας εργασίας Κεφάλαιο Δεύτερο Κατασκευή του καθετήρα και διάταξη πλάσματος Συνοπτική περιγραφή της πειραματικής διάταξης Γενική δομή του συστήματος καθετήρα Σχεδιασμός του καθετήρα Το κύκλωμα DC πόλωσης του καθετήρα Το κύκλωμα καταγραφής των σημάτων του καθετήρα Η γενικευμένη διάταξη για RF πόλωση Ο ταλαντωτής Ο ενισχυτής Λογισμικό επεξεργασίας των σημάτων του καθετήρα

12 2.10 Διάταξη οπτικής φασματοσκοπίας εκπομπής Κεφάλαιο Τρίτο Δοκιμή του καθετήρα σε Περιβάλλον Πλάσματος Αποτελέσματα Διάταξη δοκιμής Διαδικασία μέτρησης με τον καθετήρα Αποτελέσματα μέτρησης ροής ιόντων Αποτελέσματα οπτικής φασματοσκοπίας εκπομπής Κεφάλαιο Τέταρτο Συμπεράσματα Αξιολόγηση αποτελεσμάτων Προτάσεις για μελλοντικές εργασία - βελτιώσεις Κατασκευή του κυκλώματος RF πόλωσης του καθετήρα Αναβάθμιση της DC τροφοδοσίας Παραγωγή των σημάτων ελέγχου Απλούστευση του καθετήρα ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΤΕΧΝΙΚΑ ΣΧΕΔΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β - ΚΩΔΙΚΑΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΗΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ - ΠΡΟΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ

13 Κεφάλαιο Πρώτο Εισαγωγή και Στόχοι της παρούσας εργασίας 1. 1 Βασική ιδέα του πλάσματος ηλεκτρικών εκκενώσεων [2] Ο όρος πλάσμα αναφέρεται σε μια συλλογή ίσου αριθμού θετικών και αρνητικών φορέων φορτίου, η όποια έχει μηδενικό συνολικό ηλεκτρικό φορτίο. Ο γενικευμένος αυτός ορισμός, κάνει το πλάσμα ένα ευρύ αντικείμενο προς μελέτη. Για αυτό το λόγο, αυτός ο ορισμός βρίσκει εφαρμογή σε πολλά συστήματα. Σε αυτόν τον διευρυμένο ορισμό δεν υπάρχει περιορισμός ως προς την πυκνότητα των φορέων φορτίου, την ύπαρξη ουδέτερων σωματιδίων ή την εκπομπή ή απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Για να οριοθετήσουμε το ευρύ αυτό αντικείμενο μελέτης, θα πρέπει να εξάγουμε εκφράσεις που να εξηγούν λεπτομερέστερα αυτόν τον ορισμό. Παραπάνω, δεν έχει γίνει καμία αναφορά ως προς την κίνηση των σωματιδίων. Ως εκ τούτου, αν τα θετικά ιόντα βρίσκονται σε σταθερές προκαθορισμένες θέσεις, όπως συμβαίνει στα στερεά, και τα ηλεκτρόνια είναι κινητά, το σύστημα αυτό μπορεί να οριστεί ως πλάσμα στερεάς κατάστασης. Πλάσμα υγρής κατάστασης εμφανίζεται σε διαλύματα αλάτων όπου τα θετικά και τα αρνητικά ιόντα κινούνται ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Τέλος, υπάρχει το πλάσμα αέριας κατάστασης, που είναι η κατηγορία που αφορά στην παρούσα διπλωματική. Σε ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες δημιουργείται πλάσμα αέριας κατάστασης με την εφαρμογή κατάλληλου ηλεκτρικού πεδίου στο αέριο που μας ενδιαφέρει. Αυτό γίνεται με τη χρήση αντιδραστήρων, όπου είναι εγκατεστημένα τα ηλεκτρόδια μεταξύ των οποίων θα εμφανιστεί η κατάλληλη διαφορά δυναμικού. Σε συστήματα δε, όπως αντιδραστήρες κενού, οι συνθήκες εκκίνησης και διατήρησης της εκκένωσης είναι ελεγχόμενες. Με βάση τη συχνότητα της τάσης στα ηλεκτρόδια γίνεται μια πρώτη κατηγοριοποίηση του πλάσματος που μπορεί να παραχθεί σε εργαστηριακές συνθήκες. Έχοντας ως κριτήριο τα παραπάνω, οι συνηθέστερες κατηγορίες πλάσματος είναι: Συνεχούς τάσης (DC) Ακουστικών συχνοτήτων (της τάξης των khz) Ραδιοσυχνοτήτων RF (της τάξης των MHz) Μικροκυμάτων (της τάξης των GHz) 13

14 1.2 Πλάσμα ραδιοσυχνοτήτων Σε εναλλασσόμενες τάσεις χαμηλών συχνοτήτων, τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και τα ιόντα είναι ικανά να αποκριθούν στο εναλλασσόμενο πεδίο γρήγορα με αποτέλεσμα η τροχιά τους να δύναται να τμήσει τα ηλεκτρόδια. Σε αυτήν την περίπτωση η εκκένωση συντηρείται από δευτερογενή ηλεκτρόνια (φαινόμενα γ) που παράγονται από το βομβαρδισμό της καθόδου (ηλεκτρόδιο χαμηλού δυναμικού) από ιόντα. Αυτό είναι παρόμοιο με την περίπτωση της εκκένωσης συνεχούς τάσης, με τη διαφορά ότι εδώ κάθε ηλεκτρόδιο είναι είτε κάθοδος είτε άνοδος εξαρτώμενο από την πολικότητα της τάσης της εκκένωσης. Καθώς, ωστόσο, αυξάνουμε τη συχνότητα, τα ιόντα σταματούν να αποκρίνονται στο πεδίο και υπάρχει έντονη μείωση του βομβαρδισμού της καθόδου από ιόντα, και επακόλουθα μείωση της παραγωγής των δευτερογενών ηλεκτρονίων. Αυτό συμβαίνει τυπικά σε συχνότητες μερικών MHz. Στην περίπτωση αυτή τα φαινόμενα ιονισμού α παίζουν σημαντικό ρόλο. [3] [4] Για το πλάσμα ραδιοσυχνοτήτων δύο είναι οι βασικές γεωμετρίες ηλεκτροδίων και κατ επέκταση αντιδραστήρων με ευρεία εφαρμογή στη βιομηχανία. Το χωρητικά συζευγμένο και το επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα, όπως θα αναφερθούν παρακάτω Χωρητικά συζευγμένο πλάσμα Το χωρητικά συζευγμένο πλάσμα ραδιοσυχνοτήτων (RF) χρησιμοποιείται συχνά για επεξεργασία υλικών. Η τυπική συχνότητα λειτουργίας είναι τα MHz. Μια πρότυπη διάταξη αντιδραστήρα φαίνεται στο Σχ. 1.1, όπου έχουμε παράλληλα επίπεδα ηλεκτρόδια σε απόσταση l και τα οποία οδηγούνται από μια γεννήτρια ισχύος ραδιοσυχνοτήτων (τυπικές τάσεις V rms ). Σχήμα 1.1 Χωρητικά συζευγμένη εκκένωση σε γεωμετρία παράλληλων ηλεκτροδίων [5] 14

15 Τα ηλεκτρόνια της εκκένωσης αποκρίνονται, όπως αναφέραμε και πριν, στο στιγμιαίο ηλεκτρικό πεδίο που παράγεται από την τάση οδήγησης και ταλαντώνονται εντός του θετικού φορτίου χώρου των ιόντων. Τα βαριά ιόντα αποκρίνονται μόνο στη μέση τιμή του ηλεκτρικού πεδίου. Η ταλάντωση του νέφους ηλεκτρονίων έχει ως αποτέλεσμα την απώλειά τους κοντά στα τοιχώματα και στα ηλεκτρόδια και τη δημιουργία ζώνης θωράκισης (sheath) σε κάθε ηλεκτρόδιο. Εξαιτίας του πυκνωτή Blocking Capacitor, που δρα ως βραχυκύκλωμα για την τάση ραδιοσυχνοτήτων και ως ανοιχτοκύκλωμα για την DC τάση, τα ηλεκτρόνια που προσκρούουν στο οδηγούμενο ηλεκτρόδιο, δεν μπορούν να διαφύγουν προς τη γη. Έτσι, ο πυκνωτής αυτός φορτίζεται με αρνητικό φορτίο, το οποίο μεταφράζεται σε αρνητική συνεχή τάση, την τάση αυτοπόλωσης (self-bias). Επακόλουθο των παραπάνω είναι η υπέρθεση της συνεχούς στην εναλλασσόμενη τάση (Σχ. 1.2). Τα ιόντα τα οποία, παραμένουν ανεπηρέαστα από την υψηλής συχνότητας RF τάση, επιταχύνονται από το συνεχές πεδίο προκαλούμενο από την τάση αυτοπόλωσης, αποκτώντας έτσι υψηλή ενέργεια καθώς ρέουν στην προς επεξεργασία επιφάνεια. Αυτή είναι τοποθετημένη πάνω στο πολωμένο ηλεκτρόδιο υποβαλλόμενη, κατ' αυτόν τον τρόπο, σε διεργασίες υποβοηθούμενες από ενεργητικά ιόντα (energetic-ion enhanced processes). Σχήμα 1.2 Υπέρθεση της συνεχούς στην εναλλασσόμενη τάση στο οδηγούμενο ηλεκτρόδιο [6] Τα θετικά ιόντα βομβαρδίζουν συνεχώς τα ηλεκτρόδια σε έναν κύκλο ταλάντωσης, ενώ αντίθετα τα ηλεκτρόνια χάνονται στο ηλεκτρόδιο μόνο όταν το νέφος των ταλαντευόμενων ηλεκτρονίων πλησιάσει σε αυτά. Τότε το δυναμικό του sheath μηδενίζεται στιγμιαία επιτρέποντας σε επαρκές πλήθος ηλεκτρονίων να ξεφύγει από τον κύριο όγκο του πλάσματος και να εξισορροπήσουν το φορτίο των ιόντων που μεταφέρθηκε σε κάθε ηλεκτρόδιο. Πλην αυτών των σύντομων χρόνων, το στιγμιαίο δυναμικό της εκκένωσης πρέπει να είναι πάντα θετικότερο ως προς τα ηλεκτρόδια και τα τοιχώματα του αντιδραστήρα, αλλιώς τα ευκίνητα ηλεκτρόνια θα διέφευγαν σύντομα. [5] Στο Σχ. 1.3 φαίνεται η κατανομή της συνεχούς τάσης 15

16 κατά μήκος του αντιδραστήρα, ορίζοντας ως κατώτερο ηλεκτρόδιο (lower electrode) το οδηγούμενο ηλεκτρόδιο και ως ανώτερο (upper electrode) το γειωμένο. Είναι, επίσης, εμφανές ότι το δυναμικό του κυρίως όγκου του πλάσματος είναι πάντα θετικότερο οποιασδήποτε DC τάσης εμφανίζεται στα όρια του πλάσματος. [6] Σχήμα 1.3 Η κατανομή της DC τάσης κατά μήκος ενός χωρητικά συζευγμένου αντιδραστήρα πλάσματος [6] Η ροή των ιόντων Γ i =nu i και η ενέργεια E i αυτών για το βομβαρδισμό των επιφανειών δεν δύνανται να μεταβληθούν ανεξάρτητα. Αυτό είναι ανάλογο της έλλειψης ανεξαρτησίας στον έλεγχο της τάσης και του ρεύματος σε θερμιονικές διόδους ή σε p-n ημιαγωγούς. Για μια τυπική (αλλά σχετικά χαμηλή) ροή ιόντων, καθώς και για ένα τυπικό ρυθμό αποσύνθεσης του αερίου τροφοδοσίας, η τάση στη ζώνη θωράκισης του οδηγούμενου ηλεκτροδίου είναι υψηλή. Έτσι, για δείγματα τοποθετημένα στο οδηγούμενο ηλεκτρόδιο, αυτή μπορεί να προκαλέσει φθορά του δείγματος ή απώλεια του ελέγχου της επεξεργασίας του (π.χ. σε διεργασίες εγχάραξης). Εξάλλου, ο συνδυασμός χαμηλής ροής ιόντων και υψηλής ενέργειας αυτών οδηγεί σε ένα σχετικά στενό λειτουργικό παράθυρο για πολλές εφαρμογές. Οι χαμηλοί ρυθμοί επεξεργασίας, που προκύπτουν από την περιορισμένη ροή ιόντων σε RF διόδους, μας υποχρεώνουν να κάνουμε μαζική επεξεργασία δειγμάτων, με συνέπεια την έλλειψη επαναληψιμότητας από δείγμα σε δείγμα. Για επεξεργασία ενός μόνο δείγματος (π.χ. υπόστρωμα πυριτίου) σε αυτοματοποιημένες ρομποτικές διατάξεις, απαιτούνται υψηλότερες ροές ιόντων και ουδέτερων σωματιδίων. Τέλος, το μικρό ποσοστό ιονισμού αποτελεί σημαντικό πρόβλημα σε διεργασίες που το τροφοδοτούμενο αέριο έχει υψηλό κόστος ή η απόρριψη των αποβλήτων είναι δύσκολη. Η παραπάνω λόγοι επιβάλλουν τη δυνατότητα ανεξάρτητου ελέγχου της μέσης ενέργειας των ιόντων βομβαρδισμού και της ενεργειακής κατανομής αυτών σε σχέση με τις ροές των ιόντων και των ουδετέρων. Μία λύση προτείνεται με την πόλωση διπλής συχνότητας, κατά την 16

17 οποία το ηλεκτρόδιο της εκκένωσης οδηγείται από μία υψηλής και μια χαμηλής συχνότητας RF τάση ταυτόχρονα. Πολώνοντας με τάση συχνότητας μεγαλύτερης της συνηθισμένης των MHz έχουμε ως αποτέλεσμα την αύξηση της ροής ιόντων προς το υπόστρωμα για δεδομένη ισχύ εισόδου και μέσω της πόλωσης με τάση μικρότερης συχνότητας γίνεται έλεγχος της ενέργειας των ιόντων. Σε εμπορικές εφαρμογές χρησιμοποιούνται συχνότητες των 27.1, 60, ή 160 MHz ως υψηλή συχνότητα και 2 ή MHz ως χαμηλή συχνότητα Επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα Μια τυπική διάταξη επαγωγικά συζευγμένου πλάσματος είναι αυτή που φαίνεται στο Σχ Σχήμα 1.4 Σχηματικό διάγραμμα επαγωγικά συζευγένης οδηγούμενης εκκένωσης κυλινδρικής γεωμετρίας [5] Το επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα ονομάζεται έτσι διότι το RF ηλεκτρικό πεδίο επάγεται στο πλάσμα μέσω μίας εξωτερικής κεραίας. Η τάση για τη διατήρηση της εκκένωσης μεταφέρεται στο πλάσμα όχι απευθείας, όπως είδαμε παραπάνω όπου το ηλεκτρόδιο ήταν σε άμεση επαφή με τον όγκο του πλάσματος, αλλά μέσω ενός μονωτή συνήθως κεραμικού ή γυαλιού. Στην απλούστερη διάταξη, η κεραία αποτελείται από ένα ή παραπάνω τυλίγματα σε σωληνοειδή μορφή, περιελιγμένα σε κεραμικό κύλινδρο, ο οποίος αποτελεί τα τοιχώματα του αντιδραστήρα πλάσματος. Το σπειροειδές πηνίο δημιουργεί ένα RF ηλεκτρομαγνητικό πεδίο εντός του θαλάμου. Αυτό το πεδίο με τη σειρά του δημιουργεί ένα RF ηλεκτρικό πεδίο βάσει του νόμου του Faraday: 17

18 Το μαγνητικό πεδίο είναι κάθετο στο ρεύμα της κεραίας, ενώ το ηλεκτρικό είναι λίγο πολύ παράλληλο στο ρεύμα της κεραίας και αντίθετης κατεύθυνσης από αυτό. Αντί να συνδεθεί η κεραία σε σειρά, ώστε το RF ρεύμα να ρέει από το ένα άκρο της στο άλλο, μπορεί να σχεδιαστεί ένας ελικοειδής συντονιστής. Ο τελευταίος είναι ένα πηνίο με ηλεκτρικό μήκος κατάλληλο ώστε να συντονίζεται με τη συχνότητα της τάσης οδήγησης. Η κεραία τότε λειτουργεί ως ένα συντονισμένο κύκλωμα, και εφαρμόζοντας την RF τάση στο ένα άκρο, το ρεύμα αναγκάζεται να ταλαντώνεται από το ένα άκρο στο άλλο στη φυσική του συχνότητα. [7] Η παραπάνω διάταξη, με το πηνίο να δρα ως συντονιστής, είναι αυτή που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική για τον έλεγχο της λειτουργίας του καθετήρα. Στη θέση στην οποία δυνητικά θα υπήρχε η προς επεξεργασία επιφάνεια όπως φαίνεται παραπάνω, τοποθετήθηκε ο καθετήρας. 1.3 Εφαρμογές πλάσματος ραδιοσυχνοτήτων ρόλος ιόντων Το πλάσμα χαμηλής πίεσης παρέχει ένα φιλικό προς το περιβάλλον και οικονομικό τρόπο για την τροποποίηση της επιφάνειας υλικών σε μικροσκοπικό επίπεδο, χωρίς να βασιζόμαστε σε μηχανικές διεργασίες ή τη χρήση χημικών. Οι εφαρμογές αυτού του είδους των εκκενώσεων αφορούν κυρίως τεχνικές πάνω στην επεξεργασία επιφανειών. Μερικές από τις εφαρμογές του πλάσματος ραδιοσυχνοτήτων στις οποίες το βασικό ρόλο κατέχουν τα ιόντα είναι οι εξής: Ιοντική εμφύτευση (PIII) Εγχάραξη (Etching) Εναπόθεση αγώγιμων ή μη υμενίων Καθαρισμός Επιφανειακή τροποποίηση πολυμερών Ιοντική νιτριδίωση κ.α. Παρακάτω αναλύονται μερικές από αυτές τις εφαρμογές. Η ιοντική εμφύτευση [5] είναι μια διαδικασία κατά την οποία μια δέσμη ενεργητικών ιόντων διεισδύει στην επιφάνεια ενός στερεού υλικού με αποτέλεσμα την αλλαγή της ατομικής σύνθεσης και δομής αυτής. Βασίζεται στο γεγονός ότι οποιοδήποτε αντικείμενο βυθίζεται στο πλάσμα περικλείεται από ομοιογενή ζώνη θωράκισης, όπως φαίνεται στο Σχ. 1.5 (β), και 18

19 πολώνεται σε αρνητικό δυναμικό σε σχέση με το δυναμικό του πλάσματος. Σε συνθήκες ισορροπίας, η ζώνη θωράκισης παρέχει μια συνεχή ροή ιόντων. Αυτή η διαδικασία είναι η βασικότερη διαδικασία στην κατασκευή ημιαγωγικών στοιχείων. Αναδυόμενη τεχνολογία ωστόσο είναι οι μεταλλουργικές εμφυτεύσεις, όπου σε αυτήν την εφαρμογή, δημιουργούνται νέα επιφανειακά στρώματα με βελτιωμένη αντίσταση έναντι διάβρωσης και μηχανικής καταπόνησης. Σχήμα 1.5 Απεικόνιση της ιοντικής εμφύτευσης σε αντικείμενο ακανόνιστου σχήματος: (a) Σε μια κλασική διάταξη εμφύτευσης (b) Σε μία διάταξη πλάσματος (PIII) [3] Η εγχάραξη [5] είναι η διαδικασία αφαίρεσης υλικού από μια επιφάνεια. Υπάρχουν τέσσερις βασικές διεργασίες, όπως φαίνονται και στο Σχ. 1.6, που πραγματοποιούνται με πλάσμα χαμηλής πίεσης: διασκορπισμός, αμιγής χημική εγχάραξη, εγχάραξη από ενεργητικά ιόντα και εγχάραξη με τη χρήση αναστολέα. Σχήμα 1.6 Οι τέσσερις βασικές διεργασίες εγχάραξης: (a) διασκορπισμός (b) αμιγής χημική εγχάραξη (c) εγχάραξη από ενεργητικά ιόντα (d) εγχάραξη με τη χρήση αναστολέα [5] Ο διασκορπισμός είναι η απόσπαση ατόμων από μία επιφάνεια εξ αιτίας βομβαρδισμού αυτής με ενεργητικά ιόντα και είναι η μόνη από τις τέσσερις διεργασίες που είναι ικανή να αφαιρέσει μη πτητικά προϊόντα από την επιφάνεια. 19

20 Η αμιγής χημική εγχάραξη γίνεται με την αντίδραση ατόμων ή μορίων της εκκένωσης (εγχαρακτών) με στοιχεία της επιφάνεια προς τη δημιουργία πτητικών προϊόντων. Στη εγχάραξη που υποβοηθάται από ενεργητικά ιόντα, έχουμε παράλληλη δράση εγχαρακτών και ενεργητικών ιόντων της εκκένωσης. Η παραγωγή προϊόντων εγχάραξης μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερη τόσο απ' ό,τι στο διασκορπισμό όσο και απ' ό,τι στην αμιγή χημική εγχάραξη. Από πειράματα προκύπτει ότι η εγχάραξη αυτή είναι χημική διαδικασία, ωστόσο ο ρυθμός αντίδρασης καθορίζεται από τον βομβαρδισμό της επιφάνειας με ενεργητικά ιόντα. Στην εγχάραξη με τη χρήση αναστολέα η εκκένωση παρέχει τους εγχαράκτες, τα ενεργητικά ιόντα και τα πρόδρομα ανασταλτικά μόρια που απορροφούνται ή εναποτίθενται στην επιφάνεια για να δημιουργήσουν ένα προστατευτικό στρώμα ή ένα υμένιο πολυμερούς. Ο βομβαρδισμός με ιόντα αποτρέπει τη δημιουργία ανασταλτικού στρώματος ή το καθαρίζει καθώς σχηματίζεται, εκθέτοντας την επιφάνεια στους χημικούς εγχαράκτες. Όπου δεν έχουμε ροή ιόντων, ο αναστολέας προστατεύει την επιφάνεια από τους εγχαράκτες. Ο καθαρισμός [3] βασίζεται στην ικανότητα του πλάσματος να παράγει ενεργητικά ιόντα και χημικές ρίζες σε χαμηλές θερμοκρασίες του αερίου (ψυχρό πλάσμα) μέσω αντιδράσεων που εκκινούνται από τα ηλεκτρόνια τα οποία βρίσκονται εκτός θερμοδυναμικής ισορροπίας. Κατά τη διαδικασία του καθαρισμού μεταβάλλεται ο δεσμός μεταξύ του οργανικού ρύπου και του δείγματος κι ο πρώτος αποσυνδέεται. Μετά την αποσύνδεση, τα μοριακά προϊόντα μπορούν να απομακρυνθούν από την επιφάνεια με τη ροή αδρανούς αερίου. Το πλάσμα παρέχει την ενέργεια διάσπασης οργανικών δεσμών μέσω οπτικής ακτινοβολίας, ροής ουδετέρων σωματιδίων ή μέσω βομβαρδισμό ιόντων. Η επιφανειακή τροποποίηση πολυμερών [3, 8] αναφέρεται σε τέσσερις ξεχωριστούς μηχανισμούς: απομάκρυνση επιφανειακών στρωμάτων, δημιουργία σταυροδεσμών (crosslinking), χημική τροποποίηση και πολυμερισμός. Η απομάκρυνση επιφανειακών στρωμάτων δεν διαφέρει ουσιαστικά από τον καθαρισμό οργανικών ρύπων. (δες παραπάνω) Η δημιουργία σταυροδεσμών αναφέρεται στο σθεναρότερο δέσιμο των μακρομοριακών αλυσίδων μέσω χημικών δεσμών, οδηγώντας σε συνεκτικότερη επιφάνεια με βελτιωμένες χημικές και μηχανικές ιδιότητες. Αυτό επιτυγχάνεται με χρήση πλάσματος αδρανών αερίων. Η χημική τροποποίηση είναι η διαδικασία της αντικατάστασης των επιφανειακών πολυμερικών ομάδων με χημικές ομάδες προερχόμενες από το πλάσμα. Το πλάσμα καταστρέφει τους ασθενείς δεσμούς στο πολυμερές και τους αντικαθιστά με τις πολύ δραστικές καρβονυλικές, καρβοξυλικές και υδροξυλικές ομάδες. Ο τύπος των χημικών ομάδων που 20

21 ενσωματώνονται στην επιφάνεια καθορίζει τις προκαλούμενες αλλαγές στα χαρακτηριστικά του δείγματος, π.χ. υδροφιλία, υδροφοβία, ικανότητα συγκόλησης κ.α. Ο πολυμερισμός μέσω πλάσματος είναι η διαδικασία σχηματισμού επαναλαμβανόμενων μεγάλων μορίων με τη συνένωση πολλών μικρών μορίων που ονομάζονται μονομερή. Η διαδικασία περιλαμβάνει αντιδράσεις που χρησιμοποιούν μια μεγάλη ποικιλία αερίων και οργανικών ή οργανο-μεταλλικών ατμών, τα οποία εναποθέτουν μη πτητικά υμένια πολυμερούς. Το μονομερές αποσυντίθεται και διεγείρεται, και τα προκύπτοντα τεμάχια συνθέτουν νέα μόρια εντός του αερίου ή επί της επιφάνειας. Τα απορροφημένα μόρια ακολούθως αντιδρούν και συμμετέχουν σε ιονικό πολυμερισμό ή πολυμερισμό μέσω ριζών στην επιφάνεια και έτσι σχηματίζεται ένα λεπτό υμένιο. Για όλες τις παραπάνω εφαρμογές στις οποίες πρωταρχικό ρόλο παίζουν τα ιόντα, ένα βασικό εργαλείο θα ήταν μία διάταξη ελέγχου της απόλυτης ροής αυτών. 1.4 Διάταξη μέτρησης απόλυτης ροής ιόντων [1, 9] Στην επεξεργασία με πλάσμα, η αλληλεπίδραση του πλάσματος με την προς επεξεργασία επιφάνεια, καθορίζεται από τη ροή σωματιδίων από και προς την επιφάνεια. Για τη μέτρηση της ροής ιόντων έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορες μέθοδοι, με πιο συνήθη τη χρήση ηλεκτροστατικών καθετήρων (Langmuir). Ωστόσο στη βιομηχανία υπάρχει εμφανής δυσκολία στη χρήση αυτών των καθετήρων, ιδιαίτερα όταν το πλάσμα είναι πηγή σωματιδίων που μπορούν να επικαλύψουν την ενεργό περιοχή του καθετήρα με μονωτικό υμένιο, όπως για παράδειγμα κατά τη διαδικασία του πολυμερισμού. Η τεχνική που θα περιγραφεί παρακάτω είναι ανεκτική στο σχηματισμό τέτοιων μονωτικών μεμβρανών και μας δίνει τη δυνατότητα να καθορίσουμε την απόλυτη ροή των ιόντων Τα ηλεκτρόδια του καθετήρα Η δομή του καθετήρα φαίνεται στο Σχ Είναι ουσιαστικά ένας σχετικά μεγάλης επιφάνειας μονής πλευράς δίσκος (αισθητήρας πεδίου), με ένα δακτύλιο διαφύλαξης ηλεκτρικού πεδίου (guard ring) γύρω του. Ο δακτύλιος πολώνεται σε δυναμικό κοντά σε αυτό του κεντρικού δίσκου. Χωρίς το δακτύλιο αυτόν, το ηλεκτρικό πεδίο δεν θα ήταν ομοιόμορφο σε όλη την επιφάνεια του αισθητήρα. 21

22 Σχήμα 1.7 Η κεφαλή του καθετήρα μέτρησης (κεντρικός δίσκος και δακτύλιο διαφύλαξης ) [1] Λεπτομέρειες αναφορικά με τη μέθοδο πόλωσης του καθετήρα και του δακτυλίου διαφύλαξης δίνονται παρακάτω Πόλωση του καθετήρα Για την πόλωση του καθετήρα απαιτούνται 2 πανομοιότυπα κυκλώματα όπως εικονίζεται στο Σχ. 1.8, ένα για την πόλωση του αισθητήρα και ένα για την πόλωση του δακτυλίου διαφύλαξης. Η πόλωση του εκάστοτε ηλεκτροδίου προέρχεται εξ ολοκλήρου από το πλάσμα σε συνδυασμό με το εφαρμοζόμενο δυναμικό ραδιοσυχνότητας (RF). Σε σειρά με καθένα από τα 2 ηλεκτρόδια του καθετήρα συνδέουμε ένα πυκνωτή C p ο οποίος λειτουργεί παρόμοια με το DC block (βλέπε σχήμα 1.1). Αυτό το φαινόμενο πόλωσης είναι ταυτόσημο με το φαινόμενο της αυτοπόλωσης (βλέπε 1.2.1), και ο πυκνωτής C p φορτίζεται αρνητικά σε μία σταθερή τάση. Ο πυκνωτής C p του καθενός κυκλώματος μπορεί να φορτιστεί από το πλάσμα, ακόμα κι όταν τα ηλεκτρόδια του καθετήρα είναι επικαλυμμένα με μονωτικά στρώματα. Το γεγονός αυτό οφείλεται στις ανορθωτικές ιδιότητες της ζώνης θωράκισης όταν τα ηλεκτρόδια τροφοδοτούνται από RF τάση. Αναφέρουμε εδώ ότι η RF πόλωση του καθετήρα προέρχεται από μια μεμονωμένη διάταξη πόλωσης του καθετήρα και δεν έχει καμία σχέση με το RF τροφοδοτικό ισχύος που τροφοδοτεί το πλάσμα. Αυστηρός ορισμός της συχνότητας της RF τάσης δεν είναι απαραίτητος, έχοντας ωστόσο ως κριτήριο το να διατηρείται η φόρτιση του καθετήρα σε ένα εικονικά σταθερό επίπεδο κατά τη διάρκεια ενός κύκλου. Η τυπική διέγερση για πλάσμα χωρητικά ή επαγωγικά συζευγμένο είναι στα MHz, και έτσι ο καθετήρας διεγείρεται σε συχνότητα επαρκώς διαφορετική, ώστε να μην προκύψει διακρότημα με την κύρια διέγερση του πλάσματος, δηλαδή στις περιοχές 1-12MHz και 15-20MHz. 22

23 Σχήμα 1.8 Κύκλωμα πόλωσης του καθετήρα [1] Στο Σχ. 1.8 φαίνεται το κύκλωμα πόλωσης, όπου ο Cp είναι το πυκνωτής συνδεδεμένος σε σειρά και ο C stray είναι η παράλληλη παράσιτη χωρητικότητα από την παρουσία ομοαξονικών καλωδίων και άλλων γειωμένων επιφανειών. Το κύκλωμα κλείνει μέσω του πλάσματος και τις ζώνες θωράκισης στις γειωμένες επιφάνειες στις οποίες το πλάσμα είναι εκτεθειμένο. Θεωρούμε την περίπτωση στην οποία δεν έχουμε εμφάνιση μονωτικής μεμβράνης και το πλάσμα θα θεωρηθεί ότι δεν εμφανίζει διακυμάνσεις στην κατανομή του δυναμικού στο χώρο. Σε αυτήν την πρώτη ανάλυση θα αγνοήσουμε και τις παράσιτες χωρητικότητες καθώς και τα εμφανιζόμενα φαινόμενα άκρων Καθορισμός ροής ιόντων Για να εξαγάγουμε χρήσιμες πληροφορίες από τον καθετήρα, το RF σήμα στο ηλεκτρόδιο αυτού διακόπτεται περιοδικά και παρακολουθείται η μεταβολή της τάσης στην σε σειρά συνδεδεμένη χωρητικότητα. Η διακοπή αυτή του RF σήματος αφήνει τον πυκνωτή C p με αρνητικό φορτίο (τάση αυτοπόλωσης, ίδια με το δυναμικό του κεντρικού δίσκου). Η πόλωση αυτή δεν επιτρέπει στα ηλεκτρόνια του πλάσματος να φτάσουν την επιφάνεια του καθετήρα, εκτός από αυτά των οποίων η ενέργεια υπερβαίνει τη διαφορά μεταξύ του δυναμικού πλάσματος και του V bias. Η ροή των θετικών ιόντων από τον κύριο όγκο του πλάσματος προς τον καθετήρα παραμένει αμετάβλητη, ενώ η συνεχής άφιξή τους εκκινεί την αποφόρτιση του πυκνωτή. Ο καθετήρας κατά τη διακοπή του RF σήματος βρίσκεται πολωμένος αρνητικότερα από το δυναμικό του πλάσματος και η ροή ιόντων Γ i = n i u i, είναι σταθερή [10]. Έτσι, το συνολικό ρεύμα που διαρρέει την επιφάνεια Α του κεντρικού δίσκου είναι σταθερό,. Επομένως, 23

24 η τάση στον πυκνωτή C p και άρα η πόλωση V bias του καθετήρα, μεταβάλλονται γραμμικά με το χρόνο όσο η ροή ηλεκτρονίων Γ e παραμένει αμελητέα, λόγω απώθησής τους από το αρνητικό δυναμικό του πυκνωτή. Όσο το απόλυτο πλάτος της τάσης πόλωσης του καθετήρα μειώνεται, τόσο σημαντικότερη γίνεται και η ροή ηλεκτρονίων που καταφθάνει στην επιφάνεια του, επιτρέποντας να επιτευχθεί νέα ισορροπία, στην οποία η μέση ροή φορτίου μηδενίζεται. Έτσι, ο καθετήρας βρίσκεται εκ νέου στη συνήθη αιωρούμενη κατάσταση ως προς το πλάσμα. Κατά την αποφόρτιση του πυκνωτή C p, το δυναμικό V bias του καθετήρα υπακούει στην ακόλουθη σχέση: όπου Α είναι η επιφάνεια του καθετήρα. Είναι εμφανής η εξάρτηση της αποφόρτισης από τη ροή των ηλεκτρονίων. Ωστόσο, αν επιλέξουμε η πόλωση που προκαλείται από το RF σήμα να είναι αρκούντως μεγάλη, η ροή των ηλεκτρονίων είναι πρακτικά μηδενική αμέσως μετά τη διακοπή του σήματος, δηλ., και οδηγούμαστε σε ζώνη θωράκισης απαλλαγμένη από ηλεκτρόνια. Τότε η ροή ιόντων καθορίζεται εύκολα από το ρυθμό αποφόρτισης. Ισχύει δηλαδή: όπου ο μόνος άγνωστος είναι η μεταβολή της τάσης, την οποία όμως καταγράφουμε. Πειραματικά γίνεται καταγραφή της τάσης στον καθετήρα συναρτήσει του χρόνου. Για την εξαγωγή της καμπύλης του ρεύματος ιόντων απαιτείται ο υπολογισμός της παραγώγου της τάσης ως προς το χρόνο, όπως φαίνεται παρακάτω, η οποία προκύπτει από μαθηματική επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων μέσω λογισμικού. Αν σχεδιαστεί καμπύλη I-V, προκύπτει τμήμα της χαρακτηριστικής καμπύλης ενός καθετήρα τύπου Langmuir, όπως φαίνεται στο Σχ Συγκεκριμένα η περιοχή που αντιστοιχεί στην παραπάνω μετάβαση, από την τάση αυτοπόλωσης στο αιωρούμενο δυναμικό, είναι η περιοχή κορεσμού των ιόντων, αρνητικότερα του αιωρούμενου δυναμικού πλάσματος V f. 24

25 Σχήμα 1.9 Τυπική χαρακτηριστική καμπύλη ενός καθετήρα τύπου Langmuir [11] Εκτίμηση άλλων παραμέτρων του πλάσματος Βάσει της καταγραφής της αποφόρτισης όπως περιγράφθηκε παραπάνω, εκτός της απόλυτης ροής ιόντων, μπορούμε να εξαγάγουμε δύο ακόμα παραμέτρους του πλάσματος. Αυτές είναι: α) η θερμοκρασία των ηλεκτρονίων που ανήκουν στην ουρά της ενεργειακής κατανομής και β) το αιωρούμενο δυναμικό του πλάσματος. Η θερμοκρασία των ηλεκτρονίων που ανήκουν στην ουρά της ενεργειακής κατανομής προκύπτει α) αν υποθέσουμε κατανομή Maxwell για τον πληθυσμό των ηλεκτρονίων και άρα β) το τμήμα της καμπύλης I-V κοντά στο V f ακολουθεί μια σχέση της μορφής: Ορίζοντας αρχικές τιμές για τις τέσσερις παραμέτρους Ι 0, m, V f και kt, που αντιστοιχούν στο μέγιστο ρεύμα (ρεύμα ροής ιόντων αμέσως μετά τη διακοπή πόλωσης), σε ένα βάρος για την επίδραση της διαφοράς V - V f στο τελικό ρεύμα, στο αιωρούμενο δυναμικό και στη θερμοκρασία των ηλεκτρονίων που ανήκουν στην ουρά της ενεργειακής κατανομής, γίνεται προσαρμογή της πειραματική καμπύλη I-V στην σχέση (5). Από την προσαρμογή αυτή, οι 4 προαναφερθέντες σταθερές λαμβάνουν τιμές, ώστε η πειραματική καμπύλη Ι-V να προσεγγίζεται με το βέλτιστο τρόπο από αυτήν που προκύπτει από την παραπάνω σχέση. Από την ανάγνωση των τιμών που προκύπτουν μετά την προσαρμογή, λαμβάνουμε τιμές για το 25

26 μέγιστο ρεύμα, και άρα από τη σχέση (4), γνωρίζοντας την επιφάνεια του κεντρικού δίσκου, υπολογίζουμε με ακρίβεια τη ροή των ιόντων. Επίσης, λαμβάνεται η τιμή για το αιωρούμενο δυναμικό του πλάσματος, V f, καθώς και τη θερμοκρασία των ηλεκτρονίων που ανήκουν στην ουρά της ενεργειακής κατανομής, kt. 1.5 Σκοπός και συνεισφορά της παρούσας εργασίας Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η υλοποίηση του συστήματος μέτρησης της ροής των ιόντων, όπως περιγράφθηκε παραπάνω βάσει της σχετικής βιβλιογραφίας, και η πιθανή βελτίωση αυτού. Η κατασκευή του συστήματος αφορά σε δύο τμήματα: α) αυτό του καθετήρα (μηχανολογικό) και β) αυτό του κυκλώματος πόλωσης. Το μηχανολογικό μέρος αναπαράχθηκε και βελτιώθηκε ελαφρά. Το τμήμα παραγωγής της RF πόλωσης ολοκληρώθηκε στο μεγαλύτερο βαθμό, με επιπλέον όμως εργασία να απαιτείται στο μέλλον λόγω κάποιων ιδιαιτεροτήτων που θα συζητηθούν παρακάτω. Αντί αυτού, ο καθετήρας δοκιμάστηκε επιτυχώς με έναν εναλλακτικό απλούστερο τρόπο πόλωσης για μη ρυπαρά όμως περιβάλλοντα πλάσματος (δηλ. απουσία διηλεκτρικών εναποθέσεων στον καθετήρα). Η ιδέα του εναλλακτικού αυτού συστήματος φαίνεται στο Σχ Εδώ, αντί για τάση οδήγησης ραδιοσυχνοτήτων, εφαρμόζεται στην άκρη του καθετήρα συνεχή (DC) τάση, η οποία προσομοιώνει την αυτοπόλωση που θα εμφανιζόταν λόγω της RF τάσης. Με αυτόν τον τρόπο προτείνεται μια κατασκευαστικά ευκολότερη και οικονομικότερη διάταξη σε σχέση με αυτή που περιγράφθηκε παραπάνω. Σχήμα 1.10 Κύκλωμα πόλωσης του καθετήρα με συνεχή τάση 26

27 Η αρχή λειτουργίας είναι πρακτικά η ίδια, με τη συνεχή τάση να διακόπτεται για επαρκώς μεγάλο χρονικό διάστημα, ώστε να επιτρέπεται η αποφόρτιση του πυκνωτή C p μέσω του ρεύματος των ιόντων που καταφθάνουν στον καθετήρα. Το μειονέκτημα όμως αυτού του τρόπου λειτουργίας είναι εμφανές όταν το περιβάλλον του πλάσματος εναποθέτει μονωτικά υμένια στην επιφάνεια του καθετήρα, οπότε και καθίσταται αδύνατη η πόλωση με συνεχή τάση. Επιπλέον, ενσωματώθηκαν σε μια θωρακισμένη προέκταση του σώματος του καθετήρα, α) τμήματα της διάταξης πόλωσης του κεντρικού δίσκου και του δακτυλίου διαφύλαξης πεδίου (μεταβλητοί πυκνωτές C p και εμπεδήσεις αντιστάθμισης παράσιτων χωρητικοτήτων) και β) δύο όμοια κυκλώματα μεγάλης εμπέδησης εισόδου (τάξεως ΜΩ) για υποβιβασμό και οδήγηση στον παλμογράφο των τάσεων του κεντρικού δίσκου και του δακτυλίου διαφύλαξης πεδίου, ελαχιστοποιώντας την εκφόρτιση των C p από αίτια άλλα εκτός της ροής ιόντων. Τέλος, για τη γρήγορη επεξεργασία των αποτελεσμάτων υλοποιήθηκε λογισμικό επεξεργασίας σημάτων σε περιβάλλον MATLab, παρέχοντας άμεσα τις τρεις προαναφερθείσες παραμέτρους του πλάσματος (Γ i, V f, και kt). Όλα αυτά θα διευκρινιστούν με την αναλυτική περιγραφή που ακολουθεί στο Κεφάλαιο 2. 27

28 Κεφάλαιο Δεύτερο Κατασκευή του καθετήρα και διάταξη πλάσματος 2.1 Συνοπτική περιγραφή της πειραματικής διάταξης Στην ενότητα αυτή παρουσιάζεται πειραματική διάταξη στην οποία έγινε η δοκιμή του καθετήρα προκειμένου να επιβεβαιωθεί η ορθή λειτουργία αυτού. Στο Σχ. 2.1 φαίνεται το δομικό διάγραμμα της πειραματικής διάταξης, μια τρισδιάστατη αναπαράσταση του θαλάμου στο Σχ. 2.2 καθώς και μια τομή αυτής στο Σχ. 2.3, ώστε να διευκρινιστεί η θέση του καθετήρα στο θάλαμο. Τέλος, αποδίδεται με μια φωτογραφία, στο Σχ. 2.4, η πειραματική διάταξη συνολικά. Σχήμα 2.1 Δομικό διάγραμμα της πειραματικής διάταξης Σχήμα 2.2 Τρισδιάστατη αναπαράσταση του θαλάμου της πειραματικής διάταξης με τον καθετήρα συνδεδεμένο σε αυτόν 28

29 Σχήμα 2.3 Ημιτομή που αντιστοιχεί στο σχέδιο του Σχ. 2.2 Σχήμα 2.4 Φωτογραφία της όλης πειραματικής διάταξης Η διάταξη αυτή αποτελείται από έναν σωλήνα χαλαζία (Φ60 x 380 mm) ο οποίος έχει στεγανοποιηθεί στις δύο άκρες του με τη χρήση O-rings και το κενό συντηρείται με μια περιστροφική αντλία (Leybold - Heraeus Trivac D65B). Η πίεση βάσης και λειτουργίας μετριέται με ένα απλό μανόμετρο χαμηλών πιέσεων τύπου "pirani" (Alcatel CA 101). Η πίεση βάσης που επετεύχθητε ήταν 10-4 Torr. Ο σωλήνας βρίσκεται εντός πηνίου επτά σπειρών περιελιγμένων στην περιφέρειά του και τροφοδοτούμενων από μία πηγή ισχύος στα MHz (ENI power systems - ACG-3). Μεταξύ 29

30 αυτών παρεμβάλλεται ένα εργαστηριακού τύπου δικτύωμα προσαρμογής τύπου L για μέγιστη μεταφορά ισχύος. Τέλος, ο καθετήρας προσαρμόζεται στο θάλαμο με τη χρήση ενός στυπιοθλίπτη, επιτρέποντας έτσι την κατ' άξονα μετακίνηση του καθετήρα. Παρακάτω θα φανεί αναλυτικότερα τόσο η κατασκευή του καθετήρα, όσο και τα απαραίτητα ηλεκτρονικά κυκλώματα για τη λειτουργία αυτού. 2.2 Γενική δομή του συστήματος καθετήρα Η σκιαγράφηση του συστήματος του καθετήρα για τα δύο διαφορετικά κυκλώματα φαίνονται στο Σχ Σχήμα 2.5 Δομικά διαγράμματα του συστήματος του καθετήρα για πόλωση α) με συνεχή τάση β) με τάση ραδιοσυχνοτήτων Το κεντρικό τμήμα του συστήματος είναι ο καθετήρας. Ο καθετήρας έχει τη δομή που περιγράφηκε παραπάνω, με το κυρίως ηλεκτρόδιο στο κέντρο του και ένα δακτύλιο διαφύλαξης πεδίου προς αποφυγή φαινομένων άκρων στο κυρίως ηλεκτρόδιο. Το τελευταίο επιτυγχάνεται με διατήρηση των τάσεων του κυρίως ηλεκτροδίου και του δακτυλίου σε παραπλήσιες τιμές, μέσω δύο ανεξάρτητων κυκλωμάτων πόλωσης/αποφόρτισης. Κάθε ένα από αυτά τα κυκλώματα ακολουθεί είτε την τοπολογία του Σχ. 2.5(α) είτε του Σχ. 2.5(β). Η καταγραφή των 30

31 κυματομορφών των τάσεων του κεντρικού ηλεκτροδίου και του δακτυλίου γίνεται μέσω δύο όμοιων ανεξάρτητων κυκλωμάτων μέτρησης (buffer) με λόγο υποβιβασμού τάσης 1/10. Τα μετρητικά αυτά κυκλώματα πρέπει να έχουν πολύ μεγάλη αντίσταση εισόδου, στην προκειμένη περίπτωση 36.3 ΜΩ, ώστε να μην επηρεάζεται η εκφόρτιση των μεταβλητών πυκνωτών. Στο Σχ. 2.5(α) παρουσιάζεται το κύκλωμα πόλωσης με συνεχή τάση (DC), η οποία προσομοιώνει την τάση αυτοπόλωσης που δημιουργείται από τη ζώνη θωράκισης, όπως περιγράφηκε στο Κεφάλαιο 1. Η τάση πόλωσης διακόπτεται περιοδικά ώστε να επιτρέπεται η εκφόρτιση των μεταβλητών πυκνωτών. Κατά το χρονικό διάστημα στο οποίο η πηγή συνεχούς τάσης είναι ανοιχτοκυκλωμένη, η ροή ιόντων που καταφθάνει στον καθετήρα εκφορτίζει τους μεταβλητούς πυκνωτές έως το αιωρούμενο δυναμικό του πλάσματος. Μέσω των "buffers" καταγράφουμε αυτές τις εκφορτίσεις στα δύο κανάλια ενός παλμογράφου. Στο Σχ. 2.5(β) παρουσιάζεται το κύκλωμα πόλωσης με εναλλασσόμενη τάση ραδιοσυχνοτήτων (RF). Το κυρίως ηλεκτρόδιο, καθώς και ο δακτύλιος διαφύλαξης, συνδέονται ανεξαρτήτως με ένα μεταβλητό πυκνωτή σε σειρά, ο οποίος αποτελεί και το αντίστοιχο DCblock σε χωρητικά συζευγμένες εκκενώσεις ραδιοσυχνοτήτων. Οι δύο αυτοί πυκνωτές τροφοδοτούνται από μία κοινή γεννήτρια ημιτόνου ( V pp =100 V, f=3 MHz). Για την επιλογή της συχνότητας βλέπε παράγραφο Η γεννήτρια αποτελείται από τον ταλαντωτή σε διάταξη Colpitts, ένα διακόπτη στερεάς κατάστασης που επιτρέπει τον τεμαχισμό του ημιτονικού σήματος σε πακέτα συχνότητας μερικών khz, τον ενισχυτή ισχύος και τον μετασχηματιστή ανύψωσης τάσης ραδιοσυχνοτήτων. Ο τεμαχισμός του ημιτονικού σήματος είναι απαραίτητος ώστε μεταξύ δύο διαδοχικών πακέτων ραδιοημιτόνων να καταγράφεται η εκφόρτιση των μεταβλητών πυκνωτών. Από τις καμπύλης αυτές εκφόρτισης, υπολογίζεται η απόλυτη ροή ιόντων. (βλέπε παράγραφο 1.4.3) 2.3 Σχεδιασμός του καθετήρα Στο πρώτο κεφάλαιο έγινε αναφορά στην αρχή λειτουργίας και σε κάποια εντελώς γενικά κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του καθετήρα. Με αφετηρία μόνο αυτά, αναπτύξαμε έναν πλήρη σχεδιασμό για την κατασκευή του καθετήρα, όπως αυτός επεξηγείται στα Σχ. 2.6 έως Σχ. 2.9 και στο κείμενο που ακολουθεί. 31

32 Σχήμα 2.6 1) κεφαλή καθετήρα 2) κυρίως σώμα καθετήρα 3) στυπιοθλίπτης για οριζόντια μετατόπιση καθετήρα υπό κενό 4) θωρακισμένοι γυάλινοι σωλήνες μέσω των οποίων διέρχονται οι αγωγοί πόλωσης (ο ένας παρουσιάζεται αθωράκιστος για λόγους σύγκρισης) 5) μονωτήρας διέλευσης κενού Η κεφαλή του καθετήρα (τμήμα 1. στο Σχ. 2.6) αποτελείται από τέσσερα μέρη. Από αριστερά προς τα δεξιά εικονίζονται, το κυρίως ηλεκτρόδιο, ο δακτύλιος διαφύλαξης πεδίου, ένας κύλινδρος από αλουμίνιο για θωράκιση και ο μονωτήρας από Teflon για το κεντράρισμα των παραπάνω. Σημαντικό είναι να σημειωθεί ότι η διάμετρος του κυρίως ηλεκτροδίου είναι 7 mm, καθορίζοντας την ενεργό επιφάνεια συλλογής των ιόντων. Το σώμα του καθετήρα (τμήμα 2. στο Σχ. 2.6) έχει ικανοποιητικό μήκος, ώστε να είναι δυνατή η μετατόπιση αυτού υπό κενό με τη βοήθεια του στυπιοθλίπτη (τμήμα 3. στο Σχ. 2.6), προκειμένου να είναι δυνατή η σάρωση διαφόρων σημείων εντός του πλάσματος. Ο μονωτήρας διέλευσης κενού (τμήμα 5. στο Σχ. 2.6) έχει ως σκοπό τη γαλβανική σύνδεση του κυρίως ηλεκτροδίου και του δακτυλίου διαφύλαξης (τα οποία βρίσκονται υπό κενό) και των εξωτερικών κυκλώματος πόλωσης/μέτρησης. Ένα εμπορικό ισοδύναμό του είναι το IFTBG της εταιρείας Lesker Ltd. Μεταξύ των ακροδεκτών του μονωτήρα διέλευσης και των δύο ηλεκτροδίων της κεφαλής, οι αγωγοί σύνδεσης είναι απομονωμένοι μέσω των θωρακισμένων γυάλινων σωλήνων που φαίνονται στο Σχ. 2.6(4). Η θωράκιση αφορά σε κολλητική ταινία χαλκού. Οι πλήρεις κατασκευαστικές λεπτομέρειες φαίνονται στα Σχ. 2.7 έως Σχ

33 Σχήμα 2.7 Σχέδιο του καθετήρα με την κεφαλή συναρμολογημένη (δεξιά) Σχήμα 2.8 Λεπτομερή σχέδια των τμημάτων που απαρτίζουν την κεφαλή του καθετήρα Σχήμα 2.9 Σχέδιο του στυπιοθλίπτη 2.4 Το κύκλωμα DC πόλωσης του καθετήρα Όπως περιγράφηκε παραπάνω, προκειμένου να γίνει εφικτή η μέτρηση με DC πόλωση του καθετήρα, η πόλωση αυτή πρέπει να διακόπτεται περιοδικά και να παρατηρείται η εκφόρτιση καθενός εκ των μεταβλητών πυκνωτών. Για το λόγο αυτό υλοποιήθηκε το κύκλωμα του Σχ. 2.10, όπου παρατηρούμε πως η διακοπή της DC τάσης γίνεται από δύο διακόπτες στερεάς κατάστασης, προκειμένου να πολωθούν ανεξάρτητα η κυρίως κεφαλή και ο δακτύλιος 33

34 διαφύλαξης. Οι διακόπτες ελέγχονται από μια γεννήτρια τετραγωνικών παλμών πλάτους 5 V. Στην παρούσα εργασία επιλέχθηκε συχνότητα 500 Hz, με λόγο κατάτμησης (duty cycle) 10%. Μέσω των ομοαξονικών συνδέσμων, P3 και P4, τα ηλεκτρόδια του καθετήρα πολώνονται στην επιλεγμένη αρνητική DC τάση σύμφωνα με την οδήγηση από τους τετραγωνικούς παλμούς. Η DC αυτή τάση για τους εν λόγω διακόπτες θα μπορούσε να είναι έως -50V κατ' ελάχιστο. Εδώ επιλέγθηκε η τυπική τιμή των -30 V (δες όμως σχόλια στις παραγράφους και ) Για τον περιορισμό του ρεύματος που διέρχεται εντός του διακοπτικού στοιχείου, καθώς το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα εξόδου είναι τα 40 ma, τοποθετήθηκαν σε σειρά με την πηγή των -30 V οι αντιστάσεις R 3 και R 4. Για τον περιορισμό του ρεύματος ελέγχου, καθώς το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα είναι τα 18 ma, τοποθετήθηκαν σε σειρά με τη γεννήτρια παλμών των 5 V οι αντιστάσεις R 1 και R 2. Για την προστασία του κυκλώματος ελέγχου των διακοπτικών στοιχείων από μεταβατικές τάσεις μεγαλύτερες των 5.6 V, συνδέθηκαν οι δίοδοι Zener D 1 και D 2. Σχήμα 2.10 Κύκλωμα DC πόλωσης του καθετήρα 2.5 Το κύκλωμα καταγραφής των σημάτων του καθετήρα Προκειμένου να γίνει δυνατή η καταγραφή των σημάτων εκφόρτισης από τον καθετήρα σε έναν παλμογράφο, δεν θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν κατευθείαν οι εμπεδήσεις εισόδου του παλμογράφου (50 Ω ή 1 ΜΩ). Κάτι τέτοιο θα εκφόρτιζε τους μεταβλητούς πυκνωτές και άρα οι καμπύλες εκφόρτισης δεν θα αντιστοιχούσαν στην εκφόρτιση λόγω των ιόντων. Έτσι, υλοποιήθηκε το κύκλωμα που φαίνεται Σχ (ένα για κάθε ηλεκτρόδιο του καθετήρα). Τα 34

35 κυκλώματα αυτά ενσωματώθηκαν σε θωρακισμένη προέκταση του σώματος του καθετήρα, βλέπε Σχ Σχήμα 2.11 Φωτογραφία του κυκλώματος καταγραφής και των μεταβλητών πυκνωτών - προέκταση του σώματος του καθετήρα Σχήμα 2.12 Κύκλωμα καταγραφής του σήματος καθ' ενός εκ των δύο ηλεκτροδίων του καθετήρα 35

36 Το ηλεκτρόδιο συνδέεται στον ακροδέκτη Ρ11, ενώ η πόλωση αυτού γίνεται μέσω ενός ομοαξονικού συνδέσμου στον ακροδέκτη Ρ1. Στη συνέχεια το σήμα καταμερίζεται με έναν ωμικό-χωρητικό καταμεριστή με λόγο καταμερισμού 1/11. Ο τελεστικός ενισχυτής IC11 ως ενισχυτής ρεύματος αυξάνοντας την ισχύ της εξόδου του καταμεριστή. Ο επόμενος τελεστικός ενισχυτής IC12 μάς επιτρέπει μια ελαφρά ενίσχυση της τάσης, ώστε ο λόγος καταμερισμού να διορθωθεί στον ευκολόχρηστο λόγο 1/10. Ο τελικός τελεστικός ενισχυτής λειτουργεί εκ νέου ως ενισχυτής ρεύματος, ώστε να μεταφερθεί το σήμα μέσω ενός ομοαξονικού συνδέσμου από τον ακροδέκτη Ρ12 στον παλμογράφο. Η συμπεριφορά του κυκλώματος του Σχ ως προς τη συχνότητα όπως αυτή καταγράφηκε πειραματικά φαίνεται στο Σχ Σχήμα 2.13 Ο λόγος καταμερισμού της τάσης ως προς της συχνότητα σε khz και για τα δύο κυκλώματα των ηλεκτροδίων Ο λόγος καταμερισμού παραμένει σταθερός τουλάχιστον έως τα 300 khz, η οποία αποτελεί ικανοποιητική συχνότητα λειτουργίας για την καταγραφή των σημάτων εκφόρτισης, τα οποία εξελίσσονται σε χρόνους της τάξης των μερικών εκατοντάδων μs. Εξασθένηση στο λόγο καταμερισμού άρχισε να παρατηρείται χοντρικά μετά τα 600 khz. 2.6 Η γενικευμένη διάταξη για RF πόλωση Όπως περιγράφεται στο δομικό διάγραμμα του Σχ. 2.5(β) η λογική για την παραγωγή μιας τάσης πόλωσης των 100 V p-p / 3 MHz απαιτεί αρχικά την κατασκευή ενός ταλαντωτή, για την παραγωγή του σήματος αναφοράς. Στη συνέχεια, μέσω ενός ενισχυτή ρεύματος το σήμα μεταφέρεται σε έναν ενισχυτή ισχύος ικανού να οδηγήσει έναν RF μετασχηματιστή τάσης, για 36

37 την ανύψωση του πλάτους (π.χ. από 12 V p-p στα 100 V p-p ) Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής, κατασκευάστηκαν τα δύο βασικότερα κομμάτια, ο ταλαντωτής κι ο ενισχυτής ισχύος. 2.7 Ο ταλαντωτής Ο ταλαντωτής τύπου Colpitts [12] και το κυκλωματικό διάγραμμά του φαίνεται στο σχήμα Σχ Σχήμα 2.14 Ταλαντωτής Colpitts για παραγωγή ημιτονικού σήματος αναφοράς 3 MHz Ο ταλαντωτής Colpitts υλοποιεί ένα παράλληλο κύκλωμα L-C (C 5, C 6, C 7 και L 1 στο Σχ. 2.14) μεταξύ του συλλέκτη και της βάσης ενός διπολικού τρανζίστορ (Q 4 στο Σχ. 2.14). Αν η συχνότητα λειτουργίας είναι επαρκώς χαμηλή ώστε να αγνοήσουμε τις χωρητικότητες που εισάγει το τρανζίστορ, η συχνότητα ταλάντωσης καθορίζεται από τη συχνότητα του παράλληλου συνδυασμού L-C. Επομένως, για τον ταλαντωτή Colpitts έχουμε: όπου C 1 = C 5 + C 6, C 2 = C 7 και L=L 1 στο Σχ Βάσει των τιμών που έχουν επιλεγεί στο Σχ. 2.14, έχουμε ω 0 = rad/s ή f 0 = Hz 3 MHz. Η παλμογραφημένη αυτή κυματομορφή φαίνεται στο Σχ Καθώς το κύκλωμα λειτουργεί ως ενισχυτής κοινού εκπομπού, το πλάτος του σήματος τείνει να αυξάνει συνεχώς, όμως τα μη γραμμικά χαρακτηριστικά του τρανζίστορ μειώνουν το κέρδος g m με αποτέλεσμα να μειώνεται το κέρδος του βρόχου ανάδρασης σε μοναδιαίο. Κατ' 37

38 αυτόν τον τρόπο διατηρείται η ταλάντωση σε σταθερό πλάτος. Σε αντίθεση με του ταλαντωτές που λειτουργούν βασιζόμενοι σε τελεστικούς ενισχυτές, οι οποίοι ενσωματώνουν ένα ειδικό κύκλωμα ελέγχου του πλάτους, οι LC-συντονιζόμενοι ταλαντωτές χρησιμοποιούν τα μη γραμμικά χαρακτηριστικά i C - u ΒΕ του BJT για τον έλεγχο του πλάτους. Γι' αυτό το λόγο, οι LCσυντονιζόμενοι ταλαντωτές είναι γνωστοί και ως αυτο-περιοριζόμενοι ταλαντωτές. Η εξάρτηση από τα μη γραμμικά χαρακτηριστικά του BJT υποδηλώνει την παραμόρφωση της κυματομορφής του ρεύματος του συλλέκτη. Παρά αυτό, το σήμα εξόδου του ταλαντωτή είναι ημίτονο χαμηλού αρμονικού περιεχομένου εξαιτίας της λειτουργίας του LC συντονιζόμενου κυκλώματος ως φίλτρου. [12] Οι αντιστάσεις R 1 και R 2 λειτουργούν ως καταμεριστής τάσης προκειμένου να εξαναγκάζεται να παραμένει το τρανζίστορ μόνιμα στην ενεργό περιοχή. Το πηνίο L 2 λειτουργεί ως στραγγαλιστής ραδιοσυχνοτήτων (RFC) εισάγοντας μεγάλη εμπέδηση στη συχνότητα λειτουργίας f 0, ενώ η αντίσταση σε DC είναι πρακτικά μηδενική. Έτσι, απομονωνόνεται το κύκλωμα DC πόλωσης του ταλαντωτή από το RF σήμα. Τέλος, ο πυκνωτής C 9 λειτουργεί ως υψιπερατό φίλτρο, απομονώνοντας το DC περιεχόμενο από το RF σήμα εξόδου. Σχήμα 2.15 Η έξοδος του ταλαντωτή 2.8 Ο ενισχυτής Ο ενισχυτής κατασκευάστηκε βάσει τοπολογίας ενισχυτή ισχύος με στάδιο εξόδου ΑΒ. Για την ενίσχυση της τάσης χρησιμοποιήθηκε τελεστικός ενισχυτής όπως φαίνεται στο Σχ Το κύκλωμα του ενισχυτή αποτελείται από 4 βασικές μονάδες [13, 14]: Από τον α) ενισχυτή τάσης, β) πολλαπλασιαστής V ΒΕ γ) πηγή σταθερού ρεύματος δ) στάδιο εξόδου. 38

39 Ενισχυτής τάσης. Ο ενισχυτής τάσης υλοποιείται από τον τελεστικό ενισχυτή U 1 και το κέρδος ενίσχυσης ρυθμίζεται από την ανάδραση μέσω του ποτενσιόμετρου POT 2. Τυπικά σχεδιάστηκε για αύξησης της τάσης εξόδου από 1.8 V p-p έως 12 V p-p. Πολλαπλασιαστής V BE. O πολλαπλασιαστής V BE υλοποιείται από το τρανζίστορ Q 1 και το ποτενσιόμετρο POT 2. Ρυθμίζοντας τις τιμές της αντίστασης συλλέκτη - βάσης και της αντίστασης βάσης - εκπομπού του ποτενσιόμετρου, μπορούμε να ρυθμίσουμε την τάση που αναπτύσσεται στη βάση του Q 2 και Q 3, έτσι ώστε να πολώσουμε το "push-pull" ζεύγος στην ενεργό περιοχή οριακά, αποφεύγοντας τον στιγμιαίο μηδενισμό της τάσης εξόδου, όταν το σήμα αποκτάει τιμές μικρότερες από 0.7 V γύρω από τα σημεία μηδενισμού του. Με αυτόν τον τρόπο, εξαλείφουμε την παραμόρφωση μετάβασης που υπεισέρχεται εξαιτίας της πτώσης τάσης στις διόδους ΒΕ των τρανζίστορ Q 2, Q 3. Σχήμα 2.16 RF ενισχυτής ισχύος 39

40 Πηγή σταθερού ρεύματος. Η πηγή αποτελείται από το τρανζίστορ Q 6, τις διόδους D 1, D 2 και D 3, την αντίσταση R 9 και το ποτενσιόμετρο 200R 1 σε σειρά με την αντίσταση R 10. Η αντίσταση R 9 πολώνει ορθά τις διόδους D 1, D 2 και D 3 με ρεύμα περίπου 1 ma. Έτσι, η τάση στην βάση του Q 6 είναι σταθερή (~2.1 V) αφού κάθε μία από τις διόδους έχει τάση αγωγής ~0.7 V. Συνεπώς, το ρεύμα συλλέκτη του Q 6 είναι σταθερό και μπορεί να ρυθμιστεί από το ποτενσιόμετρο 200R 1. Δημιουργείται έτσι μια σταθερή πηγή ρεύματος για την πόλωση του πολλαπλασιαστή V BE. Στάδιο εξόδου. Το στάδιο εξόδου είναι μια συνδεσμολογία push-pull και ονομάζεται ΑΒ. Tα τρανζίστορ Q 2 και Q 4 υλοποιούν ένα NPN Darlington ζεύγος, το οποίο είναι ισοδύναμο με ένα NPN τρανζίστορ, Q N, αυξημένου κέρδους ρεύματος, όπως φαίνεται στο Σχ Ισοδύναμα, τα τρανζίστορ Q 3 και Q 5 υλοποιούν ένα ισοδύναμο PNP τρανζίστορ, Q P. Με τη χρήση του ζεύγους Darlington αυξάνεται το κέρδος ρεύματος του σταδίου εξόδου και αντίστοιχα μειώνεται το αναγκαίο ρεύμα οδήγησης της βάσης. Σχήμα 2.17 Ζεύγος Darlington [11] Για θετική τάση εξόδου, το ρεύμα φορτίου παρέχεται από το ισοδύναμο Q N τρανζίστορ το οποίο λειτουργεί ως ακόλουθος εκπομπού. Αντίθετα, το ρεύμα συλλέκτη του τρανζίστορ Q P μειώνεται, καθώς η τάση αυξάνει. Για μεγάλη τάση εξόδου, το ρεύμα που ρέει από το Q P τρανζίστορ θεωρείται αμελητέο. Για αρνητική τάση εξόδου συμβαίνει κάτι ανάλογο. Το ρεύμα φορτίου παρέχεται από το Q P το οποίο λειτουργεί ως ακόλουθος εκπομπού, ενώ το ρεύμα συλλέκτη του Q N μειώνεται καθώς η τάση εξόδου γίνεται αρνητικότερη. Για ασθενή τάση εισόδου (μεταβάσεις από τα σημεία μηδενισμού, βλέπε τμήμα πολλαπλασιαστή) άγουν και τα δύο τρανζίστορ και καθώς η τάση εισόδου αυξάνεται/μειώνεται το τρανζίστορ Q N /Q P αναλαμβάνει τη λειτουργία του ενισχυτή. H μετάβαση είναι ομαλή λόγω του τμήματος του πολλαπλασιαστή και η παραμόρφωση μετάβασης (crossover distortion) αγνοείται εύλογα. Στο Σχ παρουσιάζεται ένα τυπικό παλμογράφημα της εξόδου του ενισχυτή 40

41 Σχήμα 2.18 Τυπικό παλμογράφημα της εξόδου του ενισχυτή 2.9 Λογισμικό επεξεργασίας των σημάτων του καθετήρα Για την επεξεργασία των σημάτων υλοποιήθηκε λογισμικό σε περιβάλλον MATLAB. Αν και ο πλήρης κώδικας παρατίθεται στο παράρτημα Β, περιγράφεται σύντομα εδώ. Σκοπός του προγράμματος αυτού είναι η ανάγνωση των.csv αρχείων όπως αυτά λαμβάνονται απ' ευθείας από τον παλμογράφο. Στη συνέχεια τα δεδομένα φιλτράρονται αριθμητικά ανά 100 διαδοχικά σημεία (φίλτρο Savitzky-Golay) και λαμβάνεται η πρώτη παράγωγος της εξομαλυμένης πλέον κυματομορφής εκφόρτισης. Έτσι προκύπτει η κλίση της τάσης, που όπως περιγράφηκε στο Κεφάλαιο 1, μας είναι απαραίτητη για την εξαγωγή της απόλυτης ροής των ιόντων. Παράλληλα, προστίθεται ένα ρεύμα διόρθωσης, ώστε να υπολογιστεί και το ρεύμα που διέρρευσε μέσω του καταμεριστή 33 ΜΩ / 3.3 ΜΩ του κυκλώματος καταγραφής Σχ Η εξομαλυμένη κυματομορφή προσαρμόζεται αριθμητικά με την εξίσωση (5) που παρουσιάστηκε στην παράγραφο Αυτή η προσαρμογή πραγματοποιείται μέσω του λογισμικού (model = 'a*(1-b*(x-c)-exp((x-c)/d))'; f = fittype(model); gfit = fit(voltage,- 1*current,f,options);). Στη συνέχεια εξάγεται η γραφική παράσταση των πραγματικών δεδομένων και των εξομαλυμένων δεδομένων (plot(timedata*1000,probedata); hold on; plot(timedata*1000,voltagerot,'r');), καθώς και μια δεύτερη γραφική παράσταση, του ρεύματος συναρτήσει της τάσης, Ι-V, των πραγματικών δεδομένων καθώς και των προσαρμοσμένων δεδομένων (plot(voltage,-1*current); hold on; plot(gfit,'r');). Τέλος εξάγονται τα δεδομένα για την ροή ιόντων, του αιωρούμενου δυναμικού πλάσματος και τη θερμοκρασία των υψηλής ενέργειας ηλεκτρονίων (coef=coeffvalues(gfit); Io=coef(1)*1e-6; Vfl=coef(3); Te=coef(4); flux=-(io/(qe*surface))/1e4;) 41

42 2.10 Διάταξη οπτικής φασματοσκοπίας εκπομπής Ένα διεγερμένο άτομο ή ιόν, που βρίσκεται μέσα στο πλάσμα, εκπέμπει ακτινοβολία λόγω της μετάβασης του από μια κβαντική κατάσταση σε μια άλλη. Οι διακριτές φασματικές γραμμές εμφανίζονται για ηλεκτρονικές μεταβάσεις που συμβαίνουν μεταξύ δέσμιων καταστάσεων. Αν Ε κ και Ε i οι ενέργειες της τελικής και της αρχικής κατάστασης αντίστοιχα, τότε η συχνότητα και το μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας που αντιστοιχεί στη μετάβαση θα είναι: Όσο διαρκεί η συγκεκριμένη μετάβαση στο φάσμα του πλάσματος εμφανίζεται μια κορυφή με συγκεκριμένο μήκος κύματος, το οποίο προκύπτει από τη σχέση (6). Σχήμα 2.19 Διάγραμμα λειτουργίας οπτικού φασματογράφου εκπομπής Στο Σχ παρουσιάζεται ο τρόπος λειτουργίας ενός οπτικού φασματογράφου εκπομπής. Προσαρμόζοντας κατάλληλα τη σχισμή εισόδου του οργάνου μπορούμε να ελέγξουμε τη διάμετρο της εισερχόμενης δέσμης φωτός η οποία οδηγείται παράλληλα σε ένα καθρέπτη. Αυτή κατευθύνεται, στη συνέχεια, στο φράγμα περίθλασης, το οποίο αναλύει το εισερχόμενο φως στα επιμέρους μήκη κύματος του. Στη συνέχεια, οι ακτίνες αυτές οδηγούνται μέσω ενός δεύτερου καθρέπτη στην σχισμή εξόδου, όπου γίνεται καταγραφή με τη χρήση κατάλληλης συσκευής (CCD). Η ταυτοποίηση των σωματιδίων που παράγονται στο πλάσμα, καθώς και η εξακρίβωση του βαθμού ιονισμού των ατόμων, πραγματοποιήθηκε με χρήση οπτικής φασματοσκοπίας εκπομπής. Η διαδικασία αυτή έλαβε χώρα προκειμένου να επαληθευθεί η υπόθεση που έγινε για τη μέτρηση της ροής των ιόντων, ότι, δηλαδή, τα δημιουργούμενα ιόντα είναι αποκλειστικά 42