On phenomena in ionized gases

1. Introduction 

A  radial  uniformity  in  the  plasma  characteristics 

and  in  the  neutral  species  densities  is  an  important 

factor for achieving uniform etch rates [1]. It is well 

known  that  the  radial  plasma  non-uniformity  at  the 

wafer is due to a combination of different factors, like 

an  inhomogeneous  magnetic  field,  pressure,  reactor 

aspect ratio, applied power and bias, and the complex 

plasma  chemistry  typically  used  in  material 

processing.  

Computer  modelling  can  be  used  for  parametric 

investigation  and  improvement  of  the  spatial 

uniformity.  In  the  present  work  we  apply  the  2-

dimensional  Hybrid  Plasma  Equipment  Model 

(HPEM)  [2] to simulate  SF

6

/O

2

  plasma  sustained  in 

an ICP reactor. The etch profile and rate are simulated 

by a Monte Carlo model [3]. The extensive gas phase 

(37  species)  and  plasma-surface  (33  species) 

chemistry  sets  are  developed  based  on  a  number  of 

papers  reporting  cross-sections  and  reaction  rate 

coefficients  in  SF

6

/O

2

  gas  mixtures  and  plasma 

interaction with a Si surface. 

 

2. Setup 

We  consider  a  typical  ICP  reactor operating  at  a 

pressure  of  10  mTorr.  The  applied  power  and  bias, 

and  the  O

2

  content  can  be  varied  in  order  to  find 

optimal  operating  conditions  for  etching.  The  ICP 

reactor  geometry  and  an  example  of  the  calculated 

electron temperature, T

e

, are presented in Figure 1. 

  

3. Results 

The  fluxes  of  species  with  comparatively  high 

density  at  the  wafer  are  presented  in  Figure  2.  It  is 

clear that the degree of dissociation of SF

6

 and O

2

 has 

a  radial  maximum  below  the  region  of  power 

deposition  and  its  absorption  by  the  electrons.  The 

decrease  of  reactive  species  fluxes  in  the  radial 

direction  retards  the  etching.  The  research  on  the 

influence of the plasma uniformity at the wafer on the 

etch rate and profiles is ongoing.  

 

 

Fig.1. Calculated T

e

 for applied power 1 kW, bias 300 V, 

and 15% O

2

 concentration in  a  SF

6

/O

2

  mixture, at a  total 

gas flow rate of 100 sccm. 

 

 

Fig. 2. Calculated species fluxes at the wafer surface. F, F

2

, 

SF

6

, SF

5

 and O

2

 refer to the left y-axis. The other species 

refer to the right  y-axis. The operating conditions are the 

same as in Fig. 1. 

 

4. References 

[1]  H.  Sasaki,  K.  Nanbu  and  M.  Takahashi. 

CP585, Rarefied Gas Dynamics: 22nd International 

Symposium,  edited  by  T. J.  Bartel and M.  A.  Gallis 

(2001), 262. 

[2] M. Kushner, J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) 

194013. 

[3] R. J. Hoekstra, M. J. Grapperhaus, and M. J. 

Kushner, J. Vac. Sci. Technol. A 15, (1997) 1913.

 

                   14 

103

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Molecular Dynamics Simulation of Reaction Mechanism between Reactive 

Oxygen Species and Membrane Lipid Molecules in Moisture 

 

S. Uchida

P

1

P

, T. Yoshida

UP

1

P

, and F. Tochikubo

1

 

 

P

1

P

 Department of Electrical and Electronic Engineering, Graduate School of Science and Engineering,  

Tokyo Metropolitan University, Tokyo, Japan 

 

Plasma medicine is an attractive application of atmospheric pressure discharge. However, the atomic 

scale mechanism related to biological effects was not understood well. In the present work, reactive 

behavior  of  plasma  radials  with  a  membrane  lipid  in  moisture  was  simulated  using adaptive 

molecular dynamics. The dependence of chemical processes on radical energy was investigated. At 

low  incident  energy, oxygen atom did  not penetrate to the water layer of some angstroms. The 

elemental reaction with water molecule produced two hydroxyl radicals, which finally changed to 

hydrogen peroxide. On the other hand, high energetic oxygen atom  reached  to  phospholipid  and 

combined with the part of choline. Then, most of incident energy dispersed in surrounding water. 

 

1. Introduction 

Medical applications  of atmospheric pressure 

non-equilibrium plasma have been promoted on the 

basis of stable formation techniques. The biological 

responses by plasma irradiation must be initiated by 

the  interaction between plasma radical and 

membrane  molecule. However, the theoretical 

mechanism  thorough  the  complicated reaction 

processes  was not understood well.  Recently,  the 

structural change of stratum corneum was 

numerically  clarified  with  reactive  molecular 

dynamics [1]. In addition, surrounding water strongly 

affected the chemical reaction of radicals with DNA 

[2].  In the present work,  we  investigated the 

interaction between  reactive  oxygen  species  and 

membrane  phospholipid  in  moisture  using  adaptive 

solvent molecular dynamics. The change in reaction 

processes  on the irradiation direction and initial 

position of radical was also discussed.  

 

2. Analytical method 

In the present analysis, the direct contact  of 

oxygen atom (O) to phosphatidylcholine (PC) in 

water was modeled as a basic interaction of plasma 

radical with biological membrane. The initial 

distance from O to PC was set to 6 Å. The incident 

energy of O was varied from 0 to 10  eV. The 

calculation  time was 10 ps. The force field of each 

time increment was derived using a semi-empirical 

molecular orbital method (PM3).  

 

3. Results and discussion 

Figure 1 shows the trajectory  of  O  at  the 

irradiation to hydrophilic group of PC. At an incident 

energy of 0.1 eV, O  could not penetrate deeply to 

water layer. The radical bound to H

2

O at the vicinity 

of initial position. Then, two hydroxyl radicals (OH) 

were produced. Consequently, the direct combination 

of  OH radicals  generated  H

2

O

2

.  These  are  general 

processes  between  O and H

2

O.  On the other hand, 

high energetic O reached to PC. After colliding with 

PC, transient binding was occurred around the part of 

choline. The behavior was different from the dissolve 

process of PC in air. This result suggests that most of 

the  incident  energy  of O was dispersed in the 

surrounding water. 

 

0.1 eV 

 

 

1.0 eV 

 

 

10 eV 

 

 

Fig1. Change in reaction processes between O and PC at 

different irradiation energies in water  

 

References 

[1] J. Van der Paal, C. C. Verlackt, M. Yusupov, E. C. 

Neyts and A. Bogaerts, J. Phys. D: Appl. Phys., 48, 

(2015) 155202 

[2] R. M. Abolfath, P. K. Biswas, R. Rajnarayanam, 

T. Brabec, R. Kodym and L. Papiez, J. Phys. Chem. 

A, 116, (2012) 3940

 

5 

0 ps 

0 ps 

0 ps 

0.33 ps 

0.5 ps 

0.06 ps 

104

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Study of Coupling of 2.45 GHz Electromagnetic Waves with Dense Plasma 

in Strong Magnetic Field

 

S. Polosatkin

1,2,3

, V. Batkin

1,2

, A. Burdakov

1,2,3

, I. Ivanov

1,2

, P. Kalinin

1,2

, I. Kotelnikov

1,2

, 

K. Mekler

1

, N. Melnikov

1,2

, V. Postupaev

1,2

, E. Sidorov

1

 

 

P

1

P

 Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk, Russia 

P

2

P

 Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia 

3

 Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia 

 

 

Helicon discharge is one of the most suitable way for production of high-density low-temperature 

plasma.  Helicon  plasma  sources,  operating  in  the  MHz  frequency  range  and  respectively  low 

magnetic fields (0.01-0.1 T), capable to create plasma with density up to 10

13

 cm

−3

. At the same 

time,  next  generation  of  linear  plasma  facilities  for  fusion  requires  production  of  plasma  with 

density above this limit. Theoretical studies predict that such increasing of density can be achieved 

by  application  of powerful  microwave  sources of GHz range  frequency.  The  paper presents first 

results of studies of coupling of 2.45 GHz radiation with low-temperature plasma column, created 

in strong magnetic  field by external plasma source. Coupling efficiency (reflected-to-direct wave 

ratio)  were  measured  for  several  types  of  antennas,  and  values  of  magnetic  field  and  plasma 

density. 

 

1. Experimental setup 

Interaction  of  EM  waves  with  plasma  were 

studied  on  the  GOL-3  facility,  that  represents  8-

meter long solenoid  with a magnetic field arranged 

from  0.3  to  4.5  T.  Arc  plasma  gun,  attached  at  the 

one  end  of  the  facility,  produces  plasma  column 

with density up to 10

14

cm

-3

. Diameter of the plasma 

can  be  varied  from  0.5  to  4  cm  by  changing  of 

relation between magnetic fields on the plasma gun 

and in the solenoid. 

 

Fig.1 Configuration of the experiment. In the 

inset - screened ring antenna 

Experimental study of EM wave interaction with 

plasma  was  performed  in  the  special  cell  in  the 

center  of  the  facility.  Microwave  power  was 

produced  by  1.4  kW  household  2.45  GHz 

magnetron,  mounted  in  the  R26  square  waveguide. 

Magnetron  is  separated  from  antenna  unit  by 

ferromagnetic  isolator  to  avoid  influence  of 

coupling  efficiency  to  generation  of  microwave 

power. Direct and reflected power are measured by 

DD112  detectors  from  S-Team  lab,  mounted in the 

waveguide  after  isolator.  Magnetron  unit  is 

connected  to  antenna  by  coaxial  transfer  line  via 

specially designed waveguide-coaxial coupling unit. 

 

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

Radial coordinate, cm

In

te

n

si

ty,

 a

.u

.

With

wicrowave

Without

wicrowave

a

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

Radial coordinate, cm

In

te

n

si

ty,

 a

.u

.

Without

wicrowave

With

wicrowave

b

 

Fig.2 Profiles of plasma radiation in visible range 

with and without microwave power; a – magnetic 

field 0.3 T, b – magnetic field 1.7 T. 

 

2. Results of experiments 

Several  types  of  antennas,  including  ring  and 

horseshoe  antenna  with  capacitive  coupling,  and 

screened  ring  antenna  (fig.1,  inset)  were  studied  in 

experiments.  Screened  ring  demonstrated  best 

coupling efficiency – up to 30% for plasma density 

10

14 

cm

-3

 and more than 60% for low-density (below 

10

14 

cm

-3

) plasma.

 

Influence of microwave power to 

plasma  was  indentified  on  the  images  of  plasma 

radiation taken by CCD camera. Profiles of plasma 

radiation  across  the  plasma  column  are  shown  in 

Fig.4  for  magnetic  field  0.3  T  (Fig.  3a)  and  1.7  T 

(Fig.3b).  Despite  captured  microwave  power 

sufficiently less than power, released in the plasma 

gun,  microwave  cause  valuable  increasing  of  light 

emission  and  also  transformation  of  the  radial 

profile of emission. 

3. Acknowledgments 

This work was supported by Russian Foundation 

for Basic Research (project 15-02-06757).  

Topic number 

105

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Formation of electrical potential profile in DC reflex discharge 

 

G. D. Liziakin, A. V. Gavrikov, R. A. Usmanov, and V. P. Smirnov 

 

P

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russian Federationde 

 

 

In the paper reflex DC discharge in helium  was explored. It was studied the effect of parameters 

such as magnetic field of 0.03 to 0.2 T, the pressure of 0.1-100 mTorr, discharge voltage of 0-1,2 kV, 

the distance cathode-cathode and cathode-anode on plasma column potential. It was shown that the 

dependence of the plasma column potential on pressure has two maxima. The position of the maxima 

was determined by the magnetic field. By single floating probe was measured radial profile of the 

plasma potential. Using a double probe was measured concentration and the electron temperature. 

The range of the potential oscillations of the plasma column in different modes was defined. 

 

1. Introduction 

The  question  about  the  formation  of  a  defined 

spatial profile of the electric potential in the plasma is 

important  in  the  plasma  separation  method  of  spent 

nuclear  fuel  [1].  The  combination  of  electric  and 

magnetic fields leads to spatial separation of «light» 

(m<160  u)  and  «heavy»  (M~240  u)  component  of 

spent fuel. At the ends of the cylindrical chamber are 

the  electrodes.  To  these  electrodes  is  applied  a 

negative  voltage.  A  grounded  vacuum  chamber  in 

conjunction  with  these  electrodes  forms  a  reflex 

discharge. This discharge generates a radial profile of 

the electric plasma potential. The work is devoted to 

the study of this profile. 

 

2. Experimental setup and methods 

We  use  single  floating  probe  to  measure  plasma 

potential.  Such  measurement  gives  us  a  value  with 

errors  less  than  10%.  Electron  temperatures  and 

plasma density we measure by double probe method. 

Schematic  setup  of  the  experimental  facility  is 

presented  on  Fig.  1.  Cylindrical  vacuum  chamber 

(anode)  1  with  diameter  856 mm  has  the  length  of 

1900 mm. Helmholtz coils 2 are positioned coaxially 

with  the  chamber.  The  coils  have  inner  diameter  of 

100 cm, and they stand at a distance of 50 cm from 

each other. Cathodes 3 are fixed on the chamber end 

planes on  dielectric  plates 4.  We  have  used  circular 

and  ring  shape  cathodes.  In  addition,  we  have  used 

superposition  of  them.  Cathodes  positioning  on  the 

opposite end planes is absolutely identical in all tests. 

In this connection hereafter in this text we will always 

discuss  the  electrodes  positioning  on  one  end  plane 

only, having in mind that at the other end the layout 

is exactly the same. The plates screen the conductive 

chamber’s end planes from the discharge gap. Thus, 

the  cylindrical  surface  of  the  grounded  chamber 

serves as a discharge anode. 

 

Fig. 1 Experimental setup 

3. Results

  

Considered different geometries of the electrodes.  

Distance between anode and cathode is an important 

parameter, the smaller that distance is the lower is the 

electrostatic  potential  reproduced  in  the  plasma 

volume.  Increase  of  the  discharge  voltage  up  to 

1.2 kV leads to the growth of the potential maximal 

value. However, at further increase of the discharge 

voltage,  the  plasma  potential  practically  does  not 

change. Varying the magnetic field value it is possible 

to  change  both  –  plasma  potential  and  discharge 

current.  Plasma  potential  monotonously  grows  with 

the growth of the magnetic field, and the dependence 

of the discharge current on the magnetic field has its 

maximum at B=40 mT. The value of plasma column 

potential is up to 800 V depends on conditions. 

 

Acknowledegements 

This  work  was  supported  by  the  Russian  Science 

Foundation (project № 14-29-00231). 

 

4. References 

[1]  V.P.  Smirnov,  A.A.  Samokhin,  N.A.  Vorona 

and A.V. Gavrikov Plasma Phys. Rep. 39, (2013).  

Topic number 8 

106

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Gas temperature determination of non-thermal plasma jets from the 

collisional broadening of argon atomic emission lines  

 

M. C. García

P

1, *

P

, 

U

A. Rodero

P

1

, A. Gamero

1

 and C. Yubero

1

 

 

P

1

P

Grupo de Física de Plasmas: Diagnosis, Modelos y Aplicaciones (FQM-136) 

 Edificio A. Einstein (C-2), Campus de Rabanales. Universidad de Córdoba, 14071 Córdoba, Spain 

 

We propose two new spectroscopic tools allowing gas temperature determination of non-thermal 

plasma jets, based on the measurement of the collisional broadening of two atomic emission lines, 

Ar  I  750.39  nm  and  Ar  I  842.46  nm,  respectively.

 

The  gas  temperature  of  a  microwave  non-

thermal plasma jet was determined from them. Results were consistent with each other, and with 

those obtained from the rotational temperature derived from OH ro-vibrational band. 

 

1. Introduction 

In  some  technological  applications,  such  as  those 

related  to  plasma  surface  treatments  or  plasma 

treatment  of  liquids,  a  reliable  determination  of  the 

gas  temperature  (T

g

)  in  the  plasma  could  be  crucial. 

To  control  this  plasma  characteristic  parameter 

becomes 

particularly 

relevant 

in 

biomedical 

applications.  Optical  Emission  Spectroscopy  (OES) 

techniques  based  on  the  analysis  of  molecular 

emission  spectra  are  commonly  used  for  T

g

 

determination  of  plasmas  sustained  at  atmospheric 

pressure.  But,  the  use  of  molecular  emission 

spectroscopy  is  not  always  easy:  overlapping  of 

bands,  rotational  population  distribution  of  levels 

having  a  non-Boltzmann  nature,  wake  emission  of 

rotational bands, among others, can make difficult to 

obtain reliable values of gas temperature. 

In  this  paper  we  propose  two  new  spectroscopic 

tools  for  determination  of  gas  temperature  in  non-

thermal  plasmas,  based  on  the  measurement  of  the 

collisional broadening of two argon atomic lines: Ar I 

750.39  and  Ar  I  842.46  nm,  respectively.  The  new 

methods  have  been  used  to  measure  T

g

  of  an  argon 

microwave  jet open to the air. Values obtained using 

them,  have  been  compared  to  the  rotational 

temperatures  derived  from  the  OH  ro-vibrational 

bands for validation. 

 

2. Method 

Lines  Ar  I  750.39  and  Ar  I  842.46  nm  are  very 

intense  and  can  be  almost  always  detected  with  a 

reasonably 

good 

signal-to-noise 

ratio, 

using 

appropriate  detectors.  They  correspond  to  resonance 

transitions into both resonance levels s

2

 and s

4

 of the 

3p

5

4s  configuration  of  the  Ar  I  system,  and  have  a 

very  high  resonance  broadening  only  dependent  on 

the  gas  temperature.  These  lines  also  have  a  non 

negligible  van  der  Waals  broadening  also  depending 

on T

g

. 

For plasmas with gas temperatures under 2000 K, 

and  electron  densities  lower  than  10

15

  cm

-3

, 

contributions  of  the  Stark  and  Doppler  broadenings 

to  the  whole  line  profile  are  negligible  when 

compared  to  resonance  and  van  der  Waals  ones. 

Under  these  experimental  conditions,  the  total 

collisional broadening for these lines is then given by:  

0.7

( )

( )

( )

W

R

C

g

W

g

R

g

g

g

C

C

W T

W T

W T

T

T









         (1) 

where  constants  C

W

  and  C

R

  are  characteristics  for 

each line. Using expressions given by Yubero et al. in 

[1], and Ali and Griem in [2-3], respectively, we have 

calculated these constants for Ar I 750.39 and 842.46 

nm. 

The  experimentally  measured  profiles  of  the  lines 

(no  self-absorbed),  can  be  fitted  to  a  Voigt  shaped 

profile with a FWHM given by 

2

2

2

2

C

C

V

I

W

W

W

W



















               (2) 

being W

I

 the instrumental broadening. 

So,  by  measuring  W

V

,  and  knowing  W

I

,  from  eq. 

(2) W

C

 can be derived, and T

g

 determined.