Space and time resolved electric field vector distribution in radiofrequency discharges between unequal area electrodes

(Received 18 June 1992, revised 15 September 1992, accepted 22 September 1992)

Abstract
Two dimensional space and time-resolved electric field vector distributions have been determined in asymmetric, capacitively coupled, low frequency (35 kHz) and radio-frequency (4 MHz) discharges in Ar/2.9%K mixtures. The electric field was measured using a non perturbative spectroscopic technique based on the Stark mixing observed in the laser induced fluorescence of NaK molecules. Sheath oscillations are clearly visible, and show the different discharge conditions which prevail close to the different electrodes. The field direction is almost stationary in time. The electric field distribution is nearly radially uniform in front of the large electrode, while geometrical effects seem to affect the discharge close to the small electrode. Edge effects are visible at a distance of 2 mm from the electrode edges. In low frequency discharges the ionic current is about the same at both electrodes, whereas the current density is very different, due to the different charge densities. In RF discharges conditions were found for which different discharge sustaining regimes occur at each electrode : "alpha" regime near the large electrode, "gamma" regime near the small electrode.

Résumé
Nous avons cartographié le vecteur champ électrique dans des décharges asymétriques excitées par couplage capacitif à basse fréquence (35 kHz), puis en radiofréquence (4 MHz). Le champ électrique est mesuré au moyen d'une méthode spectroscopique non perturbative basée sur l'observation de transitions interdites induites par effet Stark dans le spectre de fluorescence induite par laser de molécules NaK. On met clairement en évidence l'oscillation des gaines, ainsi que les différentes conditions physiques régnant au voisinage de chacune des électrodes. La direction des lignes de champ est pratiquement indépendante du temps. La distribution du champ électrique est radialement uniforme au voisinage de la grande électrode jusqu'à 2 mm du bord tandis que des effets de géométrie semblent affecter la décharge près de la petite électrode. Dans les décharges basse fréquence le courant ionique collecté par chacune des deux électrodes est du même ordre de grandeur cependant que les densités de courant et de charge sont très différentes. Dans les décharges RF nous avons observé des situations où les mécanismes d'entretien de la décharge different selon l'électrode : régime près de la grande électrode, régime près de la petite.