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 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

Conversion of carbon dioxide in low-pressure plasma

The paper reports the results of experimental study of efficiency of carbon dioxide conversion to CO and O₂ in gas-discharge plasma at low gas pressure. The inductively coupled plasma source operates at 13.56 MHz in the RF power range 5…500 W. Pure CO₂ at pressure of 1…100 mTorr is fed into the plasma while the internal composition of atomic and molecular species is estimated using optical emission spectroscopy. Using the mass spectrometry method, the dependencies of the conversion rate and the energy efficiency of carbon dioxide conversion on the gas pressure and the power deposited in the discharge was measured. The maximum achieved conversion rate is 82 %, while the energy conversion efficiency is up to 50 %.Представленo результати експериментальних досліджень ефективності конверсії двоокису вуглецю в СО і О₂ у газорозрядній плазмі за низького тиску газу. Джерело індуктивно зв'язаної плазми працювало на частоті 13,56 МГц у діапазоні потужності 5…500 Вт. Чистий CO₂ подавався в плазму при тиску 1…100 мТорр, а склад атомних і молекулярних частинок оцінювався з використанням спектроскопії оптичного випромінювання. Використовуючи метод мас-спектрометрії, були виміряні залежності скорості конверсії та енергетичної ефективності конверсії двоокису вуглецю від тиску газу і потужності, що вводиться в розряд. Максимально досягнутий коефіцієнт конверсії становить 82%, а енергетична ефективність ~ до 50 %.Представлены результаты экспериментальных исследований эффективности конверсии двуокиси углерода в СО и О₂ в газоразрядной плазме при низком давлении газа. Источник индуктивно связанной плазмы работал на частоте 13,56 МГц в диапазоне мощности 5…500 Вт. Чистый CO₂ подавался в плазму при давлении 1…100 мТорр, а состав атомных и молекулярных частиц оценивался с использованием спектроскопии оптического излучения. Используя метод масс-спектрометрии, были измерены зависимости скорости конверсии и энергоэффективности конверсии двуокиси углерода от давления газа и мощности, вводимой в разряд. Максимально достигнутый коэффициент конверсии составляет 82%, а энергетическая эффективность преобразования энергии ~ до 50 %

Spatial distributions of plasma parameters in ICP reactor

The results of systematic experimental researches of ICP reactor are presented. Experimental results on spatial distribution of local plasma parameters (plasma density, temperature and electron energy distribution function) and radial profiles of ion current to processed surface are presented for atomic (Ar) and molecular (N2, CF4) gases. Relation between the plasma density profile and the ion current density radial distribution is discussed. Comparison of the obtained results with the calculations executed using 2D-fluid model has allowed to reveal the main rules of the ion flux profile formation.Представлены результаты систематических экспериментальных исследований реактора для плазменно-химического травления на базе ВЧ-индукционного разряда. Проведены измерения пространственных распределений локальных параметров плазмы (плотности плазмы, температуры и функции распределения электронов по энергии) и радиальных профилей плотности тока ионов на обрабатываемую поверхность. Измеренные зависимости существенно отличаются для инертного (Ar) и молекулярных (N2, CF4) газов. Поскольку диапазон давлений охватывал области бесстолкновительного и диффузионного режимов движения заряженных частиц в плазме, радиальное распределение плотности тока ионов и его абсолютная величина существенно изменялись. Проведено сравнение полученных результатов с расчетами, выполненными с использованием 2D-fluid модели.Представлено результати систематичних експериментальних досліджень реактора для плазмово-хімічного травлення на базі ВЧ-індукційного розряду. Проведено вимірювання просторових розподілів локальних параметрів плазми (густини плазми, температури і функції розподілу електронів по енергії) і радіальних профілів щільності струму іонів на оброблювану поверхню. Отримані залежності істотно відрізняються для інертного (Ar) і молекулярних (N2, CF4) газів. Оскільки діапазон тиску охоплював області руху без зіткнень і дифузійного режимів руху заряджених частинок в плазмі, радіальний розподіл щільності струму іонів і його абсолютна величина істотно змінювалися. Проведено порівняння отриманих результатів з розрахунками, виконаними з використанням 2D-fluid моделі

Development of arc suppression technique for reactive magnetron sputtering

The technique of arc suppression on the target surface of magnetron sputtering system during reactive deposition of Al₂O₃ coatings has been developed. Damping of arcs is achieved by transient polarity change of the magnetron voltage by means of a simple circuit consisting of a capacitor and an inductive coil. Practically 100% arc inhibition probability is achieved during 5 - 20 мS after its ignition. The energy input into arc before its disappearance is about 50-100 mJ. Results of experimental and theoretical investigations of the arc suppression phenomenon are presented. Process of the magnetron discharge transition to stationary state after the arc suppression has been studied too. Relaxation oscillations of current and voltage accompanying this process are described. A theoretical model of the non-stationary magnetron discharge is developed featuring its dynamic properties. Magnetron discharge dynamic impedance is found.Розроблено методику гасіння дуг на поверхні мішені магнетронної розпилювальної системи в процесі реактивного нанесення покриттів Al₂O₃. Подавлення дуг відбувається шляхом тимчасової зміни полярності напруги на магнетроні, що досягається за допомогою простого електричного ланцюга з конденсатора та катушки індуктивності. Досягається практично 100% імовірність подавлення дуг протягом 5 – 20 мкс після їх виникнення. Енергія, що вкладається в дугу до згасання, складає 50 – 100 мДж. Надані результати експериментальних та теоретичних досліджень процесу дугогасіння. Досліджений також процес переходу магнетронного розряду до стаціонарного стану після зникнення дуги. Виявлено згасаючі коливання напруги та струму, що супроводжують цей процес. Побудовано теоретичну модель нестаціонарного магнетронного розряду, яка описує його динамічні властивості. Знайдено динамічний імпеданс магнетронного розряду.Разработана методика гашения дуг на поверхности мишени магнетронной распылительной системы в процессе реактивного нанесения покрытий Al₂O₃. Подавление дуг производится путем кратковременной смены полярности приложенного к магнетрону напряжения при по- мощи простой электрической цепи, состоящей из конденсатора и катушки индуктивности. Достигается практически 100% вероятность подавления дуг в течение 5 – 20 мкс после их возникновения. Энергия, вкладываемая в дугу до ее исчезновения составляет 50 – 100 мДж. Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса дугогашения. Исследован также процесс перехода магнетронного разряда к стационарному состоянию после подавления дуги. Обнаружены затухающие колебания тока и напряжения, сопровождающие этот процесс. Построена теоретическая модель нестационарного магнетронного разряда, описывающая его динамические свойства. Найден динамический импеданс магнетронного разряда

Dependence of RF breakdown curve on electrode geometry in CCP reactor

The results of experimental and theoretical study of RF capacitively coupled discharge breakdown in reactor for reactive ion etching of semiconductors are presented. Taking into account complex geometry of the reactor with asymmetric electrodes the main attention has been paid to influence of geometric factor on the breakdown curve. Experiments have shown that the geometry of the electrodes has impact on the breakdown curve only at lowest gas pressure (<50 mTorr). In cylindrical configuration the curve has a region of ambiguity, while for asymmetric configuration similar to GEC reference cell the low pressure part of the breakdown curve is almost vertical. The experimental data are compared to the numerical simulation results obtained using the particle-in-cell/Monte Carlo (PIC/MCC) code. The comparison shows qualitative consistence of the results with general tendency of theoretical curves to be slightly shifted to higher pressures that can be explained by simultaneous action of different kinds of electron emission from the electrodes, while we accounted only for secondary electron emission. Both theory and experiment show influence of secondary electron yield from different electrode materials (aluminum, steel, graphite) on the low-pressure part of the breakdown curve.Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований кривой зажигания ВЧ-разряда в реакторе для ионного реактивного травления. С учетом сложной геометрии реактора с асимметричными электродами основное внимание было уделено влиянию геометрического фактора на кривую зажигания разряда. Эксперименты показали, что геометрия электродов оказывает существенное влияние на кривую зажигания в области низких давлений рабочего газа (<50 мТорр). Для цилиндрической геометрии камеры в области низких давлений существует область неоднозначности кривой зажигания, в то время как для асимметричной конфигурации близкой к GEC ячейке наблюдается практически вертикальный рост напряжения зажигания разряда с уменьшением давления газа. Наблюдается качественное согласие численых расчетов, полученых с использованием particle-in-cell/Monte Carlo (PIC/MCC) кода, с экспериментом. Общую тенденцию смещения рассчетных кривых зажигания в область более высоких давлений можно объяснить необходимостью корректного учета различных видов электронной эмиссии с электродов вдополнение к учтенной нами вторичной е-е-эмиссии. И теория, и эксперимент показывают существенное влияние вторичной элетронной эмиссии на кривую зажигания ВЧ-разряда в области низких давлений.Представлені результати експериментальних та теоретичних досліджень кривої запалювання ВЧ-разряду в реакторi для іонного реактивного травлення. З урахуванням складної геометрії реактора з асиметричними електродами основну увагу було приділено впливу геометричного фактора на криву запалювання розряду. Експерименти показали, що геометрія електродів робить істотний вплив на криву запалювання в області низьких тисків робочого газу (<50 мТорр). Для циліндричної геометрії камери в області низьких тисків існує область неоднозначності кривої запалювання, в той час як для асиметричної конфігурації близької до GEC осередку спостерігається практично вертикальне зростання напруги запалювання розряду при зменшенні тиску газу. Спостерігається якісна згода чисельних розрахункiв, отриманих з використанням particle-in-cell/Monte Carlo (PIC / MCC) коду, з експериментом. Загальну тенденцію зсуву розрахункових кривих запалювання в область більш високих тисків можна пояснити необхідністю коректного врахування різних видів електронної емісії з електродів в доповнення до врахованої нами вторинної е-е-емісії. Як теорія, так і експеримент показують істотний вплив вторинної елетронній емісії на криву запалювання ВЧ-розряду в області низьких тисків

Formation stages of pulsed discharge in oxygen and carbon tetrafluoride

This paper reports the current and voltage oscilloscope waveforms of a pulsed discharge measured in a broad range of frequencies (from 20 to 300 kHz) and duty cycle from 0.15 to 0.85 for two values of oxygen and carbon tetrafluoride pressure values of 0.1 and 1 Torr. Current oscilloscope waveforms of the glow pulsed discharge have been found to possess a plasma phase and an afterglow phase. The following stages of the plasma phase have been observed: 1. The capacitive current pulse of about 0.5–1 μs in duration; 2. The current growth stage the duration of which depends on the gas species, the plasma phase duration and the pressure; 3. The plateau (remarkably pronounced only for carbon tetrafluoride and absent for other gases); 4. The current decrease of tens microseconds in duration down to the level corresponding to that of the direct voltage discharge.В данной работе были измерены осциллограммы тока и напряжения импульсного разряда в широком диапазоне частот (от 20 до 300 кГц), коэффициентов заполнения от 15 до 85 %, для двух значений давлений 0,1 и 1 Торр кислорода и C F₄. Было получено, что осциллограммы тока тлеющего импульсного разряда имеют плазменную фазу и фазу послесвечения. Наблюдались следующие этапы плазменной фазы: 1. Импульс емкостного тока длительностью примерно 0,5–1 мкс; 2. Этап роста тока, длительность которого зависела от сорта газа, длительности плазменной фазы и давления; 3. Плато (заметно выраженное лишь для CF₄ и отсутствующее в кислороде); 4. Уменьшение тока, длившееся десятки микросекунд, до уровня, соответствующего разряду с постоянным напряжением.У цій роботі були виміряні осцилограми струму і напруги імпульсного розряду в широкому діапазоні частот (від 20 до 300 кГц), коефіцієнтів заповнення від 15 до 85 %, для двох значень тиску 0,1 і 1 Торр кисню і C F₄. Було отримано, що осцилограми струму тліючого імпульсного розряду мають плазмову фазу і фазу післясвітіння. Спостерігалися наступні етапи плазмової фази: 1. Імпульс ємнісного струму тривалістю приблизно 0,5–1 мкс; 2. Етап зростання струму, тривалість якого залежала від сорту газу, тривалості плазмової фази і тиску; 3. Плато (помітно виражене лише для CF₄ і відсутнє в кисні); 4. Зменшення струму, що тривало десятки мікросекунд, до рівня, відповідного розряду з постійною напругою

Модели массового обслуживания для описания работы узлов беспроводных сенсорных сетей с самогенерацией энергии

Wireless sensor networks have a lot of important applications in various real-world systems. Nodes of sensor networks, which collect and transmit information about some objects, have small batteries with limited power and storage space. When the battery of a node is discharged, it should be charged again or replaced. Otherwise and the node terminates its operation and, eventually, the network may not be able to perform its designated task. Recent advances in developing various energy harvesting technologies have resulted in the design of new types of sensor nodes which are able to extract energy from the surrounding environment. The major sources of energy harvesting include solar, wind, sound, vibration, thermal, and electromagnetic power. The energy harvested from existing environmental sources is accumulated in energy storage devices. Design of such nodes requires, in particular, making decisions about the required equipment for energy harvesting and accumulation. The useful tool for decision support regarding the design of such nodes is provided by queueing theory. In this presentation, short survey of queueing literature devoted to optimization of operation of energy harvesting sensor nodes and its relation to the previously studied in the literature queueing models are presented.Беспроводные сенсорные сети имеют множество важных приложений в различных реальных системах. Узлы сенсорных сетей, которые собирают и передают информацию о некоторых объектах, имеют небольшие батареи с ограниченными мощностью и пространством для хранения энергии. Когда аккумулятор узла разряжается, его необходимо снова зарядить или заменить. В противном случае, узел прекращает свою работу, и, в конечном итоге, сеть может не выполнить поставленные перед ней задачи. Недавние достижения в разработке различных технологий сбора энергии привели к созданию новых типов узлов сетей, которые способны извлекать энергию из окружающей среды. Основными источниками сбора энергии являются солнечная энергия, ветер, звуковая, вибрационная, тепловая и энергия электромагнитных волн. Энергия, собранная из существующих источников окружающей среды, накапливается в аккумуляторах энергии. Проектирование таких узлов требует, в частности, принятия решений относительно необходимого оборудования для сбора и накопления энергии. Полезный инструмент для поддержки принятия решений в отношении проектирования таких узлов обеспечивается теорией массового обслуживания. В этой презентации приведено краткое описание литературы о очередях, посвященной оптимизации работы узлов узлов сбора энергии и их связи с ранее изученными в литературе моделями массового обслуживания

OPTIMAL CONTROL BY A NODE OF WIRELESS SENSOR NETWORK WITH QUALITY OF TRANSMISSION DEPENDING ON THE AMOUNT OFHARVESTED ENERGY

In this paper, we briefly consider a queueing model with energy harvesting and multi-threshold control by the service modes. The available service modes distinguish by the service rate, the number of required for a customer service energy units and the probability of error occurrence during service. The account of the possibility of error occurrence is very important in modelling wireless sensor networks. The use of a larger number of energy units corresponds in real-life wireless communication systems to the ability to send a stronger signal what implies the faster service (transmission) rate and a lower probability of incorrect transmission (due to the noise in the wireless transmission channel). Incorrect transmission implies the necessity of repeated transmission and additional consumption of energy. Under the fixed thresholds defining the control strategy, behavior of the system is described by multi-dimensional Markov chain what allows to formulate and solve optimization problems

OPTIMIZATION OF A SIGNAL PROCESSING STRATEGY IN SENSOR NODES WITH ENERGY HARVESTING AND CONSUMPTION FOR ADMISSION AND TRANSMISSION

Operation of a sensor node of a wireless sensor network with energy har- vesting is described by the single-server queue. Customers and energy units arrive according to the marked Markov arrival process. Service of a customer is possible only in presence of an energy unit. We assume that, besides the use of one energy unit for service of any customer, one more unit is expended at the moment of a customer arrival if the customer is accepted to the system. To optimize operation of the system, a parametric strategy of admission control is used. Under the fixed value of control parameter, the behavior of the sys- tem is described by the five-dimensional Markov chain. The generator of this Markov chain is obtained. Expressions for computation of the key performance indicators of the system are presented