Fragmentierung reaktiver Gase und kontrollierte Elektrodenerosion in einer filamentlosen Hochfrequenz-Ionenquelle

Dr. Albrecht Brockhaus, Prof. Dr. Dr. Jürgen Engemann, Dipl.-Ing. Volker Wingsch, Dipl.-Ing. Yuling Yuan

In diesem Projekt wurden Plasma und Ionenstrahl einer hochfrequenzangeregten kapazitiv gekoppelten Ionenstrahlquelle plasmadiagnostisch analysiert. Als wesentliche Methode kam neben elektrostatischen Sonden und Emissionsspektroskopie die Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) zum Einsatz. Während die Charakterisierung des Plasmas zunächst mit Argon als Arbeitsgas erfolgte, kamen als weitere Prozessgase später Stickstoff und Sauerstoff hinzu. Unter Ausnutzung von Doppler-LIF konnte die Geschwindigkeitsverteilung der mittels Beschleunigungsgittern aus dem Plasma extrahierten Argon-Ionen sowie die Ionenstrahldivergenz vermessen werden. Im Unterschied zu den invasiven Messungen mittels elektrostatischem Gegenfeldanalysator liefert das Laserverfahren zusätzliche Informationen über den Anteil der durch Ladungsaustauschstösse entstehenden langsamen (thermischen) Ionen. Weitere plasmadiagnostische Untersuchungen betrafen die Ausbildung der Randschicht um die zentralen Anregungselektrode. Hier ist eine Steuerung des Dichtegradienten über das von aussen angelegte axiale Magnetfeld möglich. Die Interpretation der Messungen wurde erleichtert durch eine "Particle-in-Cell"-Modellierung, die Einblick in die physikalische Wirkungsweise des zylindrischen Hochfrequenzplasmas gibt.

Abschliessend wurde die Frage untersucht, inwieweit eine gezielte Erosion der zentralen Anregungselektrode der Ionenstrahlquelle vorgenommen werden kann. Als Material kam eine MgO- bzw. reine Mg-Elektrode zum Einsatz. Die Vermessung des Sputter-Abtrages erfolgte durch optische Emissionsspektroskopie, Quadrupol-Massenspektroskopie und LIF. Als besonders leistungsfähig erwies sich LIF, wo unter Ausnutzung einer Resonanzanregung aus dem elektronischen Grundzustand ein Detektionslimit von etwa 10⁵ Magnesiumatomen pro Kubikzentimeter erreicht wurde. Die Empfindlichkeit reichte aus, um die diffusionsbestimmte Abnahme der Dichte gesputterten Materials noch bis zu Entfernungen von mehr als 30 cm von der Quelle zu vermessen.

Schlagworte: Plasmadiagnostik, Laserinduzierte Fluoreszenz, Dissoziation reaktiver Gase, Hochfrequenz-Ionenquellen

Laufzeit: 1993 – 1998

Drittmittelgeber: DFG

• A. Brockhaus, St. Behle, A. Georg, V. Wingsch, J. Engemann: Determination of electron temperature in a pulsed inductively coupled plasma, Bull. Am. Phys. Soc.42, 1704 (1997)
• A. Georg, V. Wingsch, J. Engemann, A. Brockhaus: Gezielte Erosion einer Magnesium-Elektrode in einer zylindrischen Hochfrequenzentladung, Verh. der DPG, P18.2 (1998)
• A. Brockhaus, A. Georg, V. Wingsch, J. Engemann: Plasma erosion of a magnesium radio-frequency cathode measured by laser-induced fluorescence, J. Vac. Sci. Technol. A 18 (2000, im Druck)

• V. Wingsch: Aufbau und spektroskopische Untersuchung einer gepulsten induktiven Hochfrequenzplasmaquelle (1997)

Redaktion: Bernhard Block, Dez 2.4