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Kinetik transitorischer reaktiver Spezies in Sauerstoffplasmen bei Mitteldruck

Niedertemperaturplasmen in Sauerstoff werden in großem Umfang in verschiedenen Verarbeitungsprozessen eingesetzt, wie z. B. der Oberflächenreinigung, der Sterilisation von medizinischen Geräten und der plasmagestützten Wasseraufbereitung. Insbesondere kapazitiv gekoppelte HF-Plasmen (Radiofrequenz-CCPs) werden häufig für die chemische Gasphasenabscheidung von Metalloxidfilmen, das Materialätzen und das Ablösen von Fotolack in der Mikroelektronik verwendet.

Im Gegensatz zu Plasmen bei Niederdruck oder Atmosphärendruck sind Plasmen bei Mitteldruck jedoch weniger erforscht und aufgrund der Herausforderungen im Zusammenhang mit der Diagnostik und Simulation in diesem Druckbereich noch nicht vollständig verstanden. Experimentell sind alle bisherigen Elektronendichtemessungen in solchen schwach ionisierten Hochdruckplasmen nur bedingt geeignet. Insbesondere Langmuir-Sonden werden aufgrund häufiger Kollisionen in der Sondenschicht und starker HF-Oszillationen schwer handhabbar. Auf der Seite der Modellierung wird die PIC-Simulation mit steigendem Druck sehr rechenintensiv, während auch das Fluidmodell gewisse Probleme aufwirft, auf die wir später eingehen werden.

In dieser Arbeit untersuchen wir Sauerstoff-Argon-Plasmen mit experimentellen und modellierenden Methoden, um ein tieferes Verständnis der Dynamik neutraler und geladener Partikel in Plasmen dieses Druckbereichs zu gewinnen. Es wurden folgende Forschungsarbeiten durchgeführt:

1. Untersuchung von DC-Glimmentladungen bei Mitteldruck: Diese Studie umfasste die Messung der Sauerstoffatomdichte und der Gastemperatur mittels CRDS-Technik (Cavity RingDown Spectroscopy). Die Auswirkungen der Plasmastabilisierung über die Zeit wurden untersucht, wobei die Bedeutung des Erreichens eines stabilen Plasmastatus vor der Durchführung von Messungen hervorgehoben wurde. Die Einflüsse der Zufuhr von Argongas und geringfügiger Luftlecks wurden sorgfältig analysiert. Es wurden Empfehlungen für die Aktinometriekalibrierung mit Argongas gegeben, wobei die Bedeutung der Aufrechterhaltung guter Vakuumbedingungen für eine optimale Plasmareproduzierbarkeit hervorgehoben wurde. Die Studie erörterte auch die Mechanismen hinter dem Oberflächenverlust von Sauerstoffatomen und stellte ein neuartiges Modell vor, das besser mit unseren experimentellen Beobachtungen übereinstimmt. Darüber hinaus wurde der Einfluss variierender Wandtemperaturen auf diese Prozesse untersucht.

2. Experimentelle Studie von HF-CCPs in O2-Ar-Mischungen bei Mitteldruck: Diese Studie konzentrierte sich auf die Auswirkungen unterschiedlicher Leistung, Drücke und Gasmischungen. Es wurden verschiedene elektrische und neutrale Eigenschaften gemessen, darunter die Plasmaimpedanz (unter Verwendung einer Octiv- und von Tektronix-Sonden), die Elektronendichte (mithilfe einer Hairpin-Sonde) und der Oberflächenionenfluss (mittels eines elektrostatischen Sonden-Arrays).
Zusätzlich wurden die Sauerstoffatomdichte und die Gastemperatur durch CW-CRDS-Messungen bestimmt. Schließlich wurden die O-Atom-Verlustrate, die Dichte negativer Ionen und die Ozonkonzentration im Nachleuchten mithilfe modulierter CRDS-Messungen ermittelt. Die Einflüsse von Druck, Leistung und Gasmischungen wurden diskutiert und die in solchen Plasmen ablaufenden Mechanismen sowohl für geladene Teilchen als auch für Neutrale aufgezeigt. Insbesondere wird der Modenübergang in Abhängigkeit von der Leistung beobachtet und diskutiert. Gleichzeitig wird der Zusammenhang zwischen der O-Atom-Oberflächenverlustrate und dem Ionenbombardement in Richtung der Begrenzung aufgezeigt.

3. Modellierung von HF-CCPs bei Mitteldruck: Die Arbeit präsentiert zudem Modellierungsansätze unter Verwendung von sowohl Particle-in-Cell- (PIC) als auch Fluidsimulationen. Die Studie erörtert den Rechenaufwand und die Grenzen des PIC-Modells (Particle-in-Cell), vergleicht es mit dem Fluidmodell und erläutert die Bedingungen, unter denen das Fluidmodell ungültig wird. Schließlich gibt die Arbeit Vorschläge zur Auswahl der geeigneten Modellierungsmethode für unterschiedliche Druckbereiche und schlägt ein Hybridmodell vor, das die Stärken von PIC- und Fluidsimulationen miteinander verbindet.

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