3.1. Introduction to Plasma Processing
Plasma ...
• is quasineutral system of charged particles (electrons - ne, ions - ni)
that can contain neutrals (ng)
)/( giiiz nnnx ionization degree:
fully ionized plasma 1izx
1izxweakly ionized plasma
 Dodáním dostatečné energie molekulárnímu plynu dochází k jeho disociaci na atomy v
důsledku srážek těch částic, jejichž tepelná energie překračuje vazebnou energii molekuly.
 Ještě větší dodaná tepelná energie způsobí překonání vazebných sil elektronů k jádru 
ionizace, tj. vznik volných elektronů a iontů  plazma
Neutral gas
Ionized gas – plasma
(under some conditions)
energy
Two Methods for Generation of Plasma
 Dostatečným zvýšením teploty: Pak jde o systém v termodynamické
rovnováze. Elektronová teplota a stupeň ionizace jsou svázány Sahovou
rovnicí. V laboratoři neobvyklé, ale v přírodě časté (astrofyzikální plazma).
 Pomocí ionizačních procesů zvyšujících mnohonásobně stupeň ionizace
nad jeho rovnovážnou hodnotu (po vypnutí zdroje ionizace dojde k dohasínání
plazmatu díky rekombinaci):
• fotoionizace – ionizační potenciál
např. atomu kyslíku je 13,6 eV
 foton o vlnové délce 91 nm (daleká
UV oblast).
Ionosféra Země - přírodní
fotoionizované plazma.
• elektrický výboj v plynu – el. pole
urychluje volné elektrony na energie
dostatečné k ionizaci atomů,
laboratorní plazma.
Important plasma parameters are
• electron temperature Te
• electron density ne
•ne•ne
natural and artificially created plasmas
Te is given rather in [eV]
1 eV = 11 600 K
Natural length scale in plasma
is Debye length
Density and T of species in
typical RF CCP low pressure
discharge used for etching
Quasineutrality ie nn  has to be fulfilled on the scale
Quasineutrality is violated in regions adjacent to walls and other solid objects in
contact with plasma – plasma sheath.
These regions are very important for plasma processing. Plasma potential is
always the most positive potential electrons are repelled by a Coulolmb
barrier, ions accelerated towards solid surfaces.
Quasineutrality, plasma sheath
• Plasma contains many interacting charged particles. Condition:
• Plasma exhibits collective behavior of electrons that is not much disturbed
by electron-neutral collisions
Dynamics of charged plasma particles is given by
• externally applied fields and
• internal fields resulting from existence and motion of charged plasma particles
We can distinguish interaction of:
• two charged particles
• charged and neutral particles.
According to importance of these two interactions plasma is divided into weak or
high ionized.
Interactions (collisions) in plasma
There are various elastic
or inelastic collisions
(interactions) in plasma.
Few examples: