Actinometric study of oxygen dissociation in ICP source
Results of actinometric study of oxygen dissociation in ICP source are presented. For atomic oxygen the emission lines of 844.6 nm was chosen having low impact of dissociative excitation. Actinometer gas in the experiments was argon, with emission line of 750.4 nm. Measurements of the degree of oxyg...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2014 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81932 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Actinometric study of oxygen dissociation in ICP source / A.N. Dakhov, S.V. Dudin // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 6. — С. 167-170. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859916227000926208 |
|---|---|
| author | Dakhov, A.N. Dudin, S.V. |
| author_facet | Dakhov, A.N. Dudin, S.V. |
| citation_txt | Actinometric study of oxygen dissociation in ICP source / A.N. Dakhov, S.V. Dudin // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 6. — С. 167-170. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Results of actinometric study of oxygen dissociation in ICP source are presented. For atomic oxygen the emission lines of 844.6 nm was chosen having low impact of dissociative excitation. Actinometer gas in the experiments was argon, with emission line of 750.4 nm. Measurements of the degree of oxygen dissociation were conducted depending on the RF power supplied to the ICP source as well as on the oxygen gas pressure. The dissociation degree varies from few percent to 40 % depending on gas pressure.
Представлены результаты актинометрического изучения диссоциации кислорода в источнике плазмы на базе индукционного разряда. Для атомарного кислорода была выбрана линия излучения 844, 6 нм, не подверженная существенному воздействию диссоциативного возбуждения. В качестве газа-актинометра в экспериментах использовался аргон с линией излучения 750,4 нм. Были проведены измерения степени диссоциации кислорода в зависимости от ВЧ-мощности, подводимой к источнику плазмы, а также от давления кислорода. Установлено, что степень диссоциации меняется от нескольких процентов до 40 % в зависимости от давления газа.
Представлено результати актинометричного вивчення дисоціації кисню в джерелі плазми на базі індукційного розряду. Для атомарного кисню була обрана лінія випромінювання 844, 6 нм, не схильна до істотного впливу дисоціативного збудження. В якості газу-актинометра в експериментах використовувався аргон з лінією випромінювання 750,4 нм. Були проведені вимірювання ступеня дисоціації кисню в залежності від ВЧ-потужності, що підводиться до джерела плазми, а також від тиску кисню. Встановлено, що ступінь дисоціації змінюється від декількох відсотків до 40 % залежно від тиску газу.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:05:34Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №6(94)
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2014, №6. Series: Plasma Physics (20), p. 167-170. 167
ACTINOMETRIC STUDY OF OXYGEN DISSOCIATION IN ICP
SOURCE
A.N. Dakhov, S.V. Dudin
V.N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv, Ukraine
Results of actinometric study of oxygen dissociation in ICP source are presented. For atomic oxygen the
emission lines of 844.6 nm was chosen having low impact of dissociative excitation. Actinometer gas in the
experiments was argon, with emission line of 750.4 nm. Measurements of the degree of oxygen dissociation were
conducted depending on the RF power supplied to the ICP source as well as on the oxygen gas pressure. The
dissociation degree varies from few percent to 40 % depending on gas pressure.
PACS: 52.70.Kz
INTRODUCTION
Weakly ionized highly dissociated plasmas are
nowadays widely used for processing of different
materials. Oxygen plasma is often applied in different
technologies such as discharge cleaning (degreasing),
plasma activation of organic materials, selective
plasma etching of composites with a polymer matrix,
plasma sterilization of delicate components for
medical application and plasma-synthesis of nano
structured materials [1, 2].
It is known that the plasma activation of the
reactive gas during reactive magnetron sputtering has
a dramatic effect on improving stoichiometry of
synthesized oxide coatings [3], however, the physical
mechanism of this activation has not yet been studied
sufficiently for reasonable selection of the plasma
source parameters to activate the reactive gas
effectively.
One of the possible explanations of the activation
effect is that the neutral oxygen atoms play the
dominant role in surface reactions. Several methods
for measuring the O atom density are known. Mass
spectroscopy is a suitable method as long as plasma is
created at very low pressure. However, the neutral
oxygen atoms tend to recombine on the way from the
discharge to the mass spectrometer so the measured
value does not reflect the value in plasma. In contrast,
optical emission spectroscopy is alternative technique
providing information just from the plasma volume.
In order to find the contribution of molecular gas
dissociation process to the mentioned plasma
activation effect spectrometric investigation of optical
emission from ICP source with Ar-O2 filling was
performed. This paper presents the results of
experimental measurements of atomic oxygen density
and the degree of dissociation of the molecular filling
gas using actinometry technique.
1. EXPERIMENTAL SETUP
Schematic diagram of the experimental setup used
in our investigation is shown in Fig. 1. The cylindrical
discharge vessel has a radius R = 7 cm and height
L = 6 cm. The sidewall of the vessel is made of metal.
The glass top cover and the inductive coil are cooled by
air flow created by a fan. The vessel is evacuated by a
turbo molecular pump down to a base pressure of about
10
-6
Torr. The experiments are performed in the work gas
pressure range 0.5…100 mTorr.
The RF field is induced by a three-turn spiral copper
coil with variable radius. RF power in the range
50…800 W at 13.56 MHz is coupled to the coil via a
matchbox.
The measurings of the main plasma parameters have
been led by means of the Langmuir cylindrical probe of
diameter Dр = 0,1 mm and length of Lp = 5 mm. The probe
data processing was done using the “PLASMAMETER”
device. The sidewall flat probe of 1 cm
2
was mounted on
the chamber side wall (see Fig. 1). The ion saturation
regime was used.
Fig. 1. Schematic diagram of the experimental set-up
In order to find the density of oxygen atoms
spectrometric investigation of optical emission from ICP
source with Ar-O2 filling was performed. In all the
experiments the Argon partial pressure was 20 % of the
total gas pressure. For measurement of optical emission
spectra a spectrometer with spectral resolution of about 1
nm in wavelength range of 400…950 nm was used.
2. MEASUREMENT TECHNIQUE
In order to determine the concentration of ground state
oxygen atoms, we have used the classical technique
which consists of comparing the emission of the O(
3
P-
3
S)
844 nm transition to the emission of the Ar(2p1-ls2)
168 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №6(94)
750 nm transition. The energy levels taking part in the
mentioned lines emission are presented in the Fig. 2.
Fig. 2. The emission of the O(
3
P-
3
S) 844 nm, O(
5
P
_5
S)
777 nm and the emission of the Ar(2p1-1s2) 750 nm
transition
We suppose that these Y* states are mainly
populated by electron impact from the ground state Y:
* .
Yi
ek
ie Y Y e
The de-excitation of excited states Y* is assumed as
radiative:
* * .ijA
i j ijY Y h
The excitation coefficient iY
ek depends on the
effective electronic temperature Te via the electron
energy distribution function (EEDF):
* 2
( ) ( ) ( ) ,i
e
i
Y i
e e
e E
k T E Ef E dE
m
with the normalization condition
1)(
0
dEEfE ,
where E is the electron energy, )(Ei
e
is the
collision cross section with threshold energy Ei for i-
level excitation, f(E) is the electron energy distribution
function.
The excitation cross sections of the mentioned
levels are shown in Fig. 3 for Argon and Oxygen [4]
atoms.
0 20 40 60 80 100
0,1
1
10
100
,
x
1
0
-1
8
c
m
2
O (3p
3
P)
, eV
Ar(2p
1
)
Fig. 3. Excitation cross sections of the chosen levels of
Argon and Oxygen atoms [4]
The actinometry technique suppose operations with
the ratios of intensities of spectral lines instead of the
intensities themselves. Thus the ratio of the corresponding
excitation coefficients was calculated in dependence of
the electron temperature Te. The calculation result is
shown in the Fig. 4. In the experimental data
interpretation we used the Te values measured by the
Langmuir probe technique.
Fig. 4. Coefficient for electron impact excitation for the
750 nm argon line and 844 nm oxygen line and ration of
these coefficients as function effective electron
temperature
3. RESULTS AND DISCUSSION
The typical emission spectra at different RF power
and gas pressure are shown in Figs. 5-8.
Fig. 5. Optical emission spectrum of A-O2 ICP
Fig. 6. Optical emission spectrum of A-O2 ICP
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №6(94) 169
Fig. 7. Optical emission spectrum of A-O2 ICP
Fig. 8. Optical emission spectrum of A-O2 ICP
One can see from the figures that different lines
of Argon and atomic Oxygen demonstrate different
dependencies on power and pressure. Using this
dependencies we can define density of neutral oxygen
atoms, and thus the oxygen dissociation degree. We
have chosen the emission lines of atomic oxygen
844.6 nm instead of 777.3 nm having higher impact of
dissociative excitation.
Fig. 9. The intensities ratio of O(
3
P-
3
S) 844 nm and of
Ar(2p1-1s2) 750 nm, versus ion current density at the
flat probe (power)
Fig. 10. Variation of intensities ratio of O(
3
P-
3
S) 844 nm
and of Ar(2p1-1s2) 750 nm, electron temperature and ion
current density at the flat probe from gases pressure
The main measured parameter was the line intensities
ratio of O(
3
P-
3
S) 844 nm and of Ar(2p1-ls2) 750 nm. The
dependencies of this parameter on the gas pressure and
RF power are shown in Figs. 9, 10.
The measured ratios of the line intensities allows us
to find the ratio of densities of the argon and oxygen atom
sin ground state. Taking into account branching ratios for
the selected radiation processes are close to 1 and using
the calculated above ratio of the excitation coefficients,
we can calculate the oxygen atom density, and thus the
molecular Oxygen dissociation degree. The calculated
oxygen dissociation degree η is plotted in Fig. 11 in
dependence on gas pressure in the discharge chamber.
Fig. 11. Oxygen dissociation degree η in dependence on
gas pressure in the discharge chamber
REFERENCES
1. D. Pagnon, J. Amorim, J. Nahorny, M. Touzeau, and
M. Vialle. On the use of actinometry to measure the
dissociation in O2 DC glow discharges: determination of
the wall recombination probability // J. Phys. D: Appl.
Phys. 1995, № 28, p. 1856-1868.
2. R. Etemadi, C. Godet, and J. Perrin. Phenomenology of
a dual-mode microwave/RF discharge used for the
deposition of silicon oxide thin layers // Plasma Sources
Sci. Technol. 1997, v. 6, p. 323-333.
170 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №6(94)
3. A.V. Zykov, S.D. Yakovin, S.V. Dudin. Synthesis
of dielectric compounds by DC magnetron // Physical
Surface Engineering. 2009, v. 7, № 3, р. 195-203.
4. Russ R. Laher and Forrest R. Gilmore. Updated
Excitation and Ionization Cross Sections for Electron
Impact on Atomic Oxygen // J. Phys. Chem. Ref. Data.
1999, v. 19, p. 277.
Article received 23.10.2014
АКТИНОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИССОЦИАЦИИ КИСЛОРОДА
В ИНДУКЦИОННОМ РАЗРЯДЕ
А.Н. Дахов, С.В. Дудин
Представлены результаты актинометрического изучения диссоциации кислорода в источнике плазмы на
базе индукционного разряда. Для атомарного кислорода была выбрана линия излучения 844, 6 нм, не
подверженная существенному воздействию диссоциативного возбуждения. В качестве газа-актинометра в
экспериментах использовался аргон с линией излучения 750,4 нм. Были проведены измерения степени
диссоциации кислорода в зависимости от ВЧ-мощности, подводимой к источнику плазмы, а также от
давления кислорода. Установлено, что степень диссоциации меняется от нескольких процентов до 40 % в
зависимости от давления газа.
АКТИНОМЕТРИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСОЦІАЦІЇ КИСНЮ В ІНДУКЦІЙНОМУ РОЗРЯДІ
О.Н. Дахов, С.В. Дудін
Представлено результати актинометричного вивчення дисоціації кисню в джерелі плазми на базі
індукційного розряду. Для атомарного кисню була обрана лінія випромінювання 844, 6 нм, не схильна до
істотного впливу дисоціативного збудження. В якості газу-актинометра в експериментах використовувався
аргон з лінією випромінювання 750,4 нм. Були проведені вимірювання ступеня дисоціації кисню в
залежності від ВЧ-потужності, що підводиться до джерела плазми, а також від тиску кисню. Встановлено,
що ступінь дисоціації змінюється від декількох відсотків до 40 % залежно від тиску газу.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81932 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T16:05:34Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Dakhov, A.N. Dudin, S.V. 2015-05-22T17:14:59Z 2015-05-22T17:14:59Z 2014 Actinometric study of oxygen dissociation in ICP source / A.N. Dakhov, S.V. Dudin // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 6. — С. 167-170. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.70.Kz https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81932 Results of actinometric study of oxygen dissociation in ICP source are presented. For atomic oxygen the emission lines of 844.6 nm was chosen having low impact of dissociative excitation. Actinometer gas in the experiments was argon, with emission line of 750.4 nm. Measurements of the degree of oxygen dissociation were conducted depending on the RF power supplied to the ICP source as well as on the oxygen gas pressure. The dissociation degree varies from few percent to 40 % depending on gas pressure. Представлены результаты актинометрического изучения диссоциации кислорода в источнике плазмы на базе индукционного разряда. Для атомарного кислорода была выбрана линия излучения 844, 6 нм, не подверженная существенному воздействию диссоциативного возбуждения. В качестве газа-актинометра в экспериментах использовался аргон с линией излучения 750,4 нм. Были проведены измерения степени диссоциации кислорода в зависимости от ВЧ-мощности, подводимой к источнику плазмы, а также от давления кислорода. Установлено, что степень диссоциации меняется от нескольких процентов до 40 % в зависимости от давления газа. Представлено результати актинометричного вивчення дисоціації кисню в джерелі плазми на базі індукційного розряду. Для атомарного кисню була обрана лінія випромінювання 844, 6 нм, не схильна до істотного впливу дисоціативного збудження. В якості газу-актинометра в експериментах використовувався аргон з лінією випромінювання 750,4 нм. Були проведені вимірювання ступеня дисоціації кисню в залежності від ВЧ-потужності, що підводиться до джерела плазми, а також від тиску кисню. Встановлено, що ступінь дисоціації змінюється від декількох відсотків до 40 % залежно від тиску газу. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Низкотемпературная плазма и плазменные технологии Actinometric study of oxygen dissociation in ICP source Актинометрические исследования диссоциации кислорода в индукционном разряде Актинометричні дослідження дисоціації кисню в індукційному розряді Article published earlier |
| spellingShingle | Actinometric study of oxygen dissociation in ICP source Dakhov, A.N. Dudin, S.V. Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| title | Actinometric study of oxygen dissociation in ICP source |
| title_alt | Актинометрические исследования диссоциации кислорода в индукционном разряде Актинометричні дослідження дисоціації кисню в індукційному розряді |
| title_full | Actinometric study of oxygen dissociation in ICP source |
| title_fullStr | Actinometric study of oxygen dissociation in ICP source |
| title_full_unstemmed | Actinometric study of oxygen dissociation in ICP source |
| title_short | Actinometric study of oxygen dissociation in ICP source |
| title_sort | actinometric study of oxygen dissociation in icp source |
| topic | Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| topic_facet | Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81932 |
| work_keys_str_mv | AT dakhovan actinometricstudyofoxygendissociationinicpsource AT dudinsv actinometricstudyofoxygendissociationinicpsource AT dakhovan aktinometričeskieissledovaniâdissociaciikislorodavindukcionnomrazrâde AT dudinsv aktinometričeskieissledovaniâdissociaciikislorodavindukcionnomrazrâde AT dakhovan aktinometričnídoslídžennâdisocíacííkisnûvíndukcíinomurozrâdí AT dudinsv aktinometričnídoslídžennâdisocíacííkisnûvíndukcíinomurozrâdí |