On phenomena in ionized gases

 

2. Rod electrodes

 

As  an  example,  computed  values  of  the  anode 

heating voltage are applied, jointly with the model of 

nonlinear  surface  heating  for  cathodes,  to  the 

modelling  of  interaction  of  arc  plasmas  with  rod 

electrodes.  A  simple  and  free  of  empirical 

parameters  model  is  developed,  which  is  applicable 

to  the  anode  and  cathode  dc  regimes  as  well  as  ac 

regimes,  provided  no  anode  spots  are  present.  The 

model  is  in  good  agreement  in  a  wide  range  of 

conditions with the available experimental data. 

 

3. Acknowledgements 

The  work  was  supported  by  FCT  of  Portugal 

through the project Pest-OE/UID/FIS/50010/2013. 

 

4. References 

[1] J. Mentel and J. Heberlein, J. Phys. D: Appl. 

Phys. 43, 023002 (2010). 

[2]  N.  A.  Almeida,  M.  S.  Benilov,  U. 

Hechtfischer, G. V. Naidis, J. Phys. D: Appl. Phys., 

vol. 42, no. 4, pp. 045210 (11pp), 2009. 

[3]  I.  L.  Semenov,  I.  V.  Krivtsun,  and  U. 

Reisgen, J. Phys. D: Appl. Phys. 49, 105204 (2016). 

Topic 11 

281

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

 

 

Diagnostics of vicinity of thermal plasma jet by electric probes  

 

O. Hurba

1,2

, M. Hrabovský

1 

 

P

1

P

 Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i., Prague, Czech Republic 

P

2

P

 Charles University in Prague, Faculty of Mathematics and Physics, Prague, Czech Republic

 

 

Electric  probes  and  double  probe  have  been  applied  to  study  an  atmospheric  pressure  thermal 

plasma jet generated by the torch with water/argon stabilized arc. Different operation modes of the 

plasma torch were studied. Dependence of properties of the plasma jet on arc electric current, and 

argon  content  in  the  plasma  was  investigated.  The  area  9  -  33  cm  from  the  plasma  torch  was 

investigated.  Floating  potential  and  the  extent  of  conducting  area  were  determined  form  the 

measurements.  Plasma  temperature  and  the  plasma  resistance  corresponding  to  measured  probe 

signals were evaluated. 

 

Thermal  plasma  jets  generated  in  dc  arc  torches 

are  used  in  a  number  of  plasma  processing 

applications  like  plasma  spraying,  waste  treatment 

and 

gasification 

of 

organics, 

reforming  of 

hydrocarbons, and plasma cutting and melting. In all 

these  applications  the  plasma  flow  interacts  with 

treated  material  which  is  introduced  into  the  jet  or 

plasma flow impinges material surface. 

The  jet  dimensions  are  determined  by  torch 

nozzle  geometry  and  size,  and  by  jet  expansion  in 

the space after plasma leaves the nozzle. The extent 

of  region  of  plasma  presence  can  be  substantial 

larger  than  visible  area  of  plasma  jet. The presence 

of  cold  gas  eddies  inside  the  core  of  plasma  jet, 

resulting  from  an  entrainment  of  gas  into  plasma 

flow, has been well described [1]. However, little is 

known about possibility of ejection of plasma eddies 

from the jet into surrounding gas due to turbulences 

in  the  boundary  between  high  velocity,  low  density 

plasma  flow  and  steady  colder  gas  surrounding  the 

jet. Although the presence of plasma species around 

plasma jet can substantially influence interaction of 

treated  material  with  plasma  flow,  the  region 

surrounding  plasma  jet  has  not  been  sufficiently 

studied.   

In this paper, electrical single and double probes 

were  used  for  the  investigation  of  a  region 

surrounding  thermal  plasma  jet  generated  in  hybrid 

water/argon  plasma  torch  [2].  Figure  1  presents 

boundaries  of  conducting  region  around  plasma  jet 

for several arc currents and flow rates of argon.   

 

 

Fig.    1  -  Conductive  area  of  plasma  torch  in  operating 

modes with flow rate of Ar = 22 slm 

 

Floating  potential  and  the  plasma  temperature 

corresponding  to  the  probe  signals  have  been 

evaluated from results of measurements.  

 

Acknowledgement 

The  authors  gratefully  acknowledge  support  of 

the  Grant  Agency  of  CR  under  the  project  number 

GA15-19444S. 

References 

[1]  E.  Pfender,  Thin  Solid  Films,  238  (1994)  228-

241. 

[2]  M.  Hrabovsky,  V.  Kopecky,  V.  Sember,  T. 

Kavka, O. Chumak, IEEE Trans. on Plasma Science, 

TPS0333, 2004. 

11 

282

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

 

 

 Investigation of optical emission in the plume of the Advanced Plasma 

Source in argon-oxygen mixtures 

  

J. Harhausen

P

, J. Wauer, D. Loffhagen,

P

 R. Foest 

 

Leibniz Institute for Plasma Science and Technology (INP), Greifswald, Germany

 

 

Plasma ion assisted deposition employing the Advanced Plasma Source (APS) is an important tool 

for the production of high precision optical interference coatings. Present efforts focus on radiance 

monitoring of the plasma plume of an APS by optical emission spectroscopy (OES) to provide the 

basis for an advanced plasma control. In this contribution the electron density, plasma potential and 

electron  energy  distribution  function  in  Ar/O

2

  mixtures  are  determined  using  a  Langmuir  probe. 

Moreover, results of the optical emission of various argon 2p – 1s transitions and of oxygen atoms 

at  777  and  844  nm  are  presented.  The  measured  radiance  is  compared  to  results  of  collisional 

radiative modelling. 

 

In  various  optical  applications  like  imaging, 

metrology or laser technology, interference coatings 

are  required  to  provide  specific  spectral  properties 

e.g. for lenses, mirrors or beam splitters. Plasma ion 

assisted  deposition  (PIAD)  is  commonly  used  to 

produce such optical coatings [1]. The knowledge of 

plasma  properties  promotes  the  control  of  the 

deposition 

process 

regarding 

accuracy 

and 

reproducibility. 

 

 

        

EBG

~ 85 cm

~

 8

5

 c

m

substrate-

holder

floating

APS-

PSU

floating

heater-

PSU

V

A

(V , I )

D

D

+

+

-

-

spectrograph

collimating

optics

line of sight

 

Fig. 1: Scheme of the box coater equipped with plasma 

source (APS) and diagnostics (OES).  

 

 

An  industrial  PIAD  box  coater  using  an  APS 

plasma  source  serves  as  experimental  environment 

and is equipped with additional diagnostics (Fig. 1). 

OES  provides  data  on  the  spectral  radiance,  and  a 

movable  Langmuir  probe  allows  the  determination 

of  the  plasma  potential  and  electron  energy 

distribution  function  (EEDF)  at  different  heights 

above the APS [2]. 

Figure 2 shows typical results for an EEDF in an 

argon/oxygen  gas  mixture  as  a  function  of  the  total 

energy E

tot

 demonstrating the non-local character of 

the EEDF. 

    

 

Fig  2:  Measured  EEDF  in  the  plume  of  an  argon oxygen 

plasma as a function of the total energy at various heights 

z above the APS.

 

 

In addition, the optical emission of various argon 

2p – 1s lines and atomic  oxygen  lines (777 nm and 

844  nm)  near  the  plasma  source  was  measured  and 

the  radiance  was  calculated.  The  measurements  are 

related  to  results of  a collisional radiative model of 

the  plasma  plume  providing  further  possibilities  to 

analyse  the  plasma  properties  and  ultimately  to 

control the plasma process at an elevated level. 

 

Acknowledgment 

This  work  was  financially  supported  by  BMBF 

under grant 13N13214. 

 

References 

[1] O. Stenzel et al., Appl. Opt. 56 (2017), C193. 

[2]  J.  Harhausen  et  al.,  Plasma  Sources  Sci. 

Technol. 21 (2012) 035012. 

14 

283

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

 

 

Study on high flow rate F-radical generation by compact water-cooled 

surface wave plasma source for remote plasma cleaning process 

 

W. I. Choo

PP

, H. J. You

H

. UP

*

 

 

P

 Plasmas Technology Research Center, National Fusion Research Institute, Gunsan, Republic of Korea

 

 

In this study, cleaning process experiments using a F-radical generated from a compact water-cooled 

surface wave plasma source were carried out in a process chamber. This is why it is called remote 

plasma source cleaning. It is essential process of improving performance. For quick cleaning, it is 

necessary to generate more F-radicals. The cleaning processes for the various Si/SiO

2

/Si

3

N

4, 

were 

investigated  by  varying  the  various  process  parameters,  such  as  the  NF

3

  Gas  flow  rate,  process 

temperature, microwave power. Stable plasma have been maintained in conditions of high flow rate 

(1 ~ 10 slm of NF

3

) at low microwave power (1 ~ 3 kW). We present the result of the species emitted 

during cleaning was monitored by residual gas analysis (RGA), and the observed in the pressure and 

etch rate. 

 

1. Introduction 

A remote plasma source cleaning is used to clean 

residues  of  process  steps  using  silicon  in  the 

semiconductor  and  display  industry.  And  it  is 

essential  process  of  maintaining  high  throughput 

during the thin film deposition process and lowering 

the defect rate of refinement process and increasing 

productivity.  Remote  plasma  source  cleaning  have 

been  attempted  and  used  by  various  methods  using 

chemical reactions. The industry has moved from wet 

cleaning  to  in-situ  plasma  cleaning  and,  finally,  to 

remote  plasma  cleaning.  The  first  generation 

technology  for  remote  plasma  source  cleaning  used 

microwave and second generation of equipment used 

a toroidal RF plasma source. The third generation of 

equipment, also based on toroidal plasma technology, 

offers significant expansion in the process flow rate 

and pressure operating range, including the capability 

to operate on cleaning gases other than NF

3

. Existing 

microwave remote plasma source cleaning to require 

complicated set-up where was not sufficient. Due to 

these shortcomings the microwave type has been low 

preference. But it can be operated in a wide area (10 

mTorr to 760 Torr), and in this area it has a plasma 

density  of  10

8

  ~  10

15

  ㎝

-3

.  Also  have  high  electron 

temperature in  terms  of  electron  temperature  and  is 

efficient  in  dissociation  and  radical  generation  of 

molecular  flow.  In  this  research,  it  is  an  improved 

structure than existing surfa-guide type surface wave 

plasma discharge tube. It is improvements have been 

made  on  the  cooling  and  microwave  transmission 

efficiency. So overcome the problem of capacity and 

no loss of electromagnetic waves. 

 

 

 

2. Experimental 

The  compact  water-cooled  surface  wave  plasma 

source is shown in Figure 1. F-radicals are generated 

by using the surface wave plasma source. The plasma 

is  generated  and  continued  by  an  electromagnetic 

wave  electric  filed  formed  into  the  waveguide.  The 

apparatus of the cleaning system is shown in Figure 2. 

The  decomposition  rate  of  NF

3

  was  measured  via 

RGA,  and  the  pressure  change  before  and  after 

decomposition was investigated. Also, the observed 

in the etch rate of the sample. We intend to show the 

relationship  of  process  temperature  and  substrate 

position to etch rate. 

 

 

Fig 1. Structure of compact water-cooled surface wave 

plasma source 

 

 

Fig 2. Schematic of compact water-cooled surface wave 

plasma source 

 

14 

284

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

 

 

Dependence of electrode materials and gaseous in serpentine plasma for 

nano particles preparation 

 

S. Aoqui

P

1

P

, F. Mitsugi

P

2

P

, H. Kawasaki

3

P

 

 

1

 Department of Computer and Information Sciences, Sojo University 

4-22-1 Ikeda, Nishi-ku, Kumamoto, 860-0082, Japan 

2

 Graduate school of science and technology, Kumamoto University 

2-39-1 Kurokami, Chuo-Ku, Kumamoto, 860-8555, Japan 

3

 Department of Electrical & Electronics Eng., Sasebo National College of Tech., Okishin-machi 1-1, Sasebo, 

857-117, Japan 

 

Gliding arc discharge is attractive discharge system that can control electrical consumption power 

under atmospheric pressure. Regarding this discharge, we named serpentine plasma. This plasma 

does  not  satisfy  thermionic  emission  condition,  but  there  is  much  characteristic.  This  plasma 

generates  particles  in  atmospheric  pressure  environment.  We  investigated  preparation  of  nano 

particle using various gas and electrode materials on atmospheric serpentine plasma system. 

 

1. Introduction 

Gliding  arc  discharge  is  attractive  discharge 

system  that  can  control  consumption  power  under 

atmospheric  pressure  [1].  In  our  previous  study,  we 

showed that gliding arc discharge did not satisfy the 

requirements  of  normal  arc  discharge  condition.  In 

other  words,  the  conditions  of  gliding  arc  discharge 

are  not  low  voltage,  high  current.  The  gliding  arc 

does  not  have  thermionic  emission  condition  in  a 

fixed  point  on  electrode.  Depending  on  a  shape  of 

electrodes, gliding arc discharge may satisfy normal 

arc condition, but many cases are not so. In addition, 

it  has  been  understood  that  the  discharge  strongly 

depended  on  a  velocity  of  supplied  gas.  Therefore 

we  named  it  ‘serpentine  plasma’  as  a  name  to 

distinguish  from  a  normal  arc  discharge.  Nano 

particles  preparation  using  this  atmospheric  plasma 

was  carried  out.  Also  emission  spectroscopy 

observation  of  plasma  was  carried  out.  We  already 

confirmed  that  particles  were  generated  in  a  vapour 

phase  between  the  electrodes  by  a  high-speed 

Infrared  thermography.  An  image  same  as  a  visible 

region  was  got  in  an  infrared  region  by  the 

measurement of the interval that plasma maintained. 

Usually  thermography  does  not  enable  plasma 

diagnoses  because  thermography  observes  the 

wavelength  from  1µm  to  1mm.  Plasma  does  not 

often  emit  the  infrared  radiation  of  this  wavelength 

area.  This  thing  means  that  there  were  particles  in 

the  space  between  electrodes.  We  confirmed  nano 

particles  based  on  the  electrode  metallic  element 

were generated in particular easily when only argon 

(Ar) was used for feeding gas in serpentine plasma.  

2. Experiment 

We  used  for  serpentine  plasma  system  with  UV 

assistance  and  equipment  for  observation  of 

electrical  properties  and  dynamic  behaviour.  Two 

electrodes,  which  are  made  of  iron,  graphite  or 

aluminium,  are  100  mm  height  knife  edge-shaped 

and  their  shortest  gap  was  5  mm.  The  electrodes 

were set inside an acrylic chamber that has an outlet 

on the top for gas exhaust. An inlet for gas supply to 

the  chamber  was  placed  at  the  bottom  and  at  the 

centre  between  two  electrodes.  Ar,  He,  CH

4

,  CO

2

 

was  used.  The  definition  of  discharge  starting 

voltage  in  this  work  is  the  amplitude  of  applied 

voltage just before the start of discharge. Waveforms 

of  applied  voltage  and  discharge  current  were 

measured  with  a  high-voltage  probe  and  a  current 

clamp, respectively.  Both  waveforms  were  captured 

with  a  digital  oscilloscope.  Time-resolved  digital 

photographs  for  plasmas  were  recorded  by  a 

high-speed  digital  camera  (Nobby  Tech.  Ltd., 

Phantom  V.1210)  with  10,000-100,000  fps  with 

external trigger signal from a pulsed signal generator. 

Sampling  of  the  particle  to  silicon  substrate  or 

stainless  mesh  which  was  installed  in  the  gas 

exhaust aperture was carried out. The nano particles 

were  analysed  by  Electron  Beam  3D  surface 

roughness analyzer (Elionix, ERA-8900FE). 

3. Summary 

Nano and micro size particles were confirmed on 

stainless steel mesh. However positive confirmation 

was not possible with silicon substrate. Flow rate of 

the  gas  was  more  than  10  l/min  (maximum  rate  50 

l/min)  therefore  substrate  heating  will  be  necessary 

with  a  flat  and  smooth  silicon  substrate.  Because 

gliding  arc  discharge  system  is  extremely  simple 

structure,  and  a  power  supply  can  apply  it  with  a 

commercial  power  supply,  low-cost  nano  particles 

preparation is enabled. 

 4. References 

 [1]  J.  Sperka  et  al.

 

Materials  Research  Bulletin 

54 (2014) 61–65 

 

Topic No.14 

285

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

 

 

Fine Structure of Ionisation Patterns and Confinement of Energetic 

Electrons in Asymmetric Capacitive Radio Frequency Discharges 

 

S. Wilczek

P

1

, J. Trieschmann

1

, J. Schulze

1,2

, R. P. Brinkmann

1

, Z. Donkó

3

, T. Mussenbrock

P

4

 

 

1

Department of Electrical Engineering and Information Science, Ruhr University Bochum, Bochum, Germany  

2

Department of Physics, West Virginia University, Morgantown, USA 

3

Institute for Solid State Physics and Optics, Wigner Research Centre for Physics, Budapest, Hungary 

4

Electrodynamics and Physical Electronics Group, Brandenburg University of Technology, Cottbus, Germany 

 

Geometrically  asymmetric  capacitively  coupled  radio  frequency  discharges  (CCRF)  are 

investigated  by  Particle-In-Cell  (PIC)  simulations.  At  low  pressures,  CCRF  discharges  promote 

strongly  nonlinear  dynamics  and  nonlinear  electron  resonance  heating  (NERH)  is  important. 

During  sheath  expansion,  multiple  electron  beams  are  accelerated  into  the  plasma  bulk,  which 

support the ionization process and frequently lead to the excitation of the plasma series resonance 

(PSR). At small gap sizes and low pressures, some of these beam electrons can reach the opposing 

sheath at different temporal phases without any collisions. Especially during sheath collapse, the 

confinement of these energetic electrons is inefficient, which influences the complete discharge. 

 

 

Low  pressure  capacitively  coupled  radio  frequency 

(CCRF)  discharges  are  operated  in  a  strongly  non-

local  regime.  In  geometrically  asymmetric 

discharges  assuming  cylindrical  or  spherical 

symmetry,  the  two  opposing  plasma  sheaths  (Fig.1: 

white  lines)  exhibit  different  nonlinear  dynamics, 

e.g. in the sheath width and the sheath potential. The 

dynamics of such a geometrically asymmetric CCRF 

discharge  are  investigated  by  means  of  1d3v 

Particle-In-Cell  simulations.  A  spherical  grid  is 

implemented  to  obtain  the  geometrical  asymmetry 

(including  a  DC  self-bias).  Cross-sections  for 

electron-argon  (elastic,  excitation,  ionization)  and 

ion-argon (isotropic and backward elastic scattering) 

collisions are taken from the Phelps JILA database. 

Most  of  the  RF  power  is  coupled  into  the  plasma 

near  the  sheath  at  the  driven  electrode  (situated  at     

r = 20 mm). During sheath expansion (Fig.1: 10 < t 

<  25  ns),  a  bunch  of  energetic  electrons  is 

accelerated  into  the  bulk  region  and  undergo 

different  scenarios.  First,  they  collectively  interact 

with  bulk  electrons  and  excite  plasma  oscillations 

(e.g. PSR). That is, cold bulk electrons are attracted 

back  to  the  expanding  sheath,  which  generates 

harmonics  in  the  RF  current.  This  process  leads  to 

the  acceleration  of  multiple  successive  electron 

beams  the  number  of  which  depends  on  the 

timescale of the local plasma frequency and the time 

of sheath expansion. Second, these multiple electron 

beams have enough energy to ionize the neutral gas, 

which is important to sustain the plasma. The color 

map  plot  of  Figure  1  shows  the  spatio-temporal 

result  of  a  very  fine  ionization  pattern  in  an  argon 

gas  with  an  ionization  threshold  of  15.7  eV.  This 

structure similarly represents the dynamics of all