Vakuum-UV-Spektroskopie zur Diagnostik reaktiver Plasmen

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1 Vakuum-UV-Spektroskopie zur Diagnostik reaktiver Plasmen - XVI. Workshop Mühlleithen - Holger Spahr, René Reimer, Hans-Erich Wagner Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald Institut für Physik 11. März 2009

2 1 Einführung Motivation und Möglichkeiten Bestimmung von Teilchendichten Bestimmung der Gastemperatur 2 Untersuchungen an Sauerstoff Sauerstoffplasmen in Forschung und Anwendung Relevanter Spektralbereich 3 Versuchsaufbau 4 Ergebnisse (entlang Rohrachse) Lambert-Beersches Absorptionsgesetz Grundzustands- und Metastabilendichten Gastemperatur 5 Zusammenfassung und Ausblick 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 2 / 23

4 Motivation und Möglichkeiten Motivation und Möglichkeiten vielfältige Anwendungen reaktiver nichtthermischer Plasmen Grundlagenforschung: Verständnis komplexer Plasmen Spektroskopie zur Diagnostik und Prozesskontrolle einfach handhabbare Methode: Vakuum-UV-Spektroskopie seit 2 Jahren in Greifswald Vorteil: relativ einfache Diagnostik von Teilchendichten reaktiver Spezies mit VUV-Spektroskopie Diagnostik von Neutralgas (z.b. Sauerstoff Grundzustand O 2 ( 3 Σ g )) Metastabile Moleküle (z.b. metastabiler Sauerstoff O 2 (a 1 g )) Atome bzw. Übergänge in den Grundzustand (z.b. O) 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 4 / 23

7 Motivation und Möglichkeiten Abbildung: Einordnung in das elektromagnetische Spektrum 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 5 / 23

8 Bestimmung von Teilchendichten Teilchendichtebestimmung mittels Lambert-Beerschem Absorptionsgesetz I I 0 = e σ i l i n i linienintegrierte Teilchendichten n i Vorteil: aus relativer Messung I I 0 absolute Dichten! erforderlich: spektrale Wirkungsquerschnitte σ i (λ) Absorptionslängen l i 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 6 / 23

9 Bestimmung von Teilchendichten Teilchendichtebestimmung mittels Lambert-Beerschem Absorptionsgesetz I I 0 = e σ i l i n i linienintegrierte Teilchendichten n i Vorteil: aus relativer Messung I I 0 absolute Dichten! erforderlich: spektrale Wirkungsquerschnitte σ i (λ) Absorptionslängen l i 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 6 / 23

10 Bestimmung der Gastemperatur Gastemperatur Ermittlung von Rotationstemperaturen aufwändig, darum: Gesamtdichte der neutralen Spezies n mittels Lambert-Beerschem Absorptionsgesetz Gastemperatur durch ideales Gasgesetz T = p n k B Druckmessung p an nicht durchströmten Bereichen 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 7 / 23

12 Sauerstoffplasmen in Forschung und Anwendung Plasmatechnologie vielfältiger Einsatz von Sauerstoffentladungen (O, O 2 (a 1 g ), O ) Metastabile Moleküle O 2 (a 1 g ) dienen als Energiereservoir an Oberflächen (Herauslösen von Elektronen) im Volumen Einfluss auf Entladungszustand und Struktur Atome O als reaktive Teilchen chemisches Sputtern an Oberflächen vielfältige Radikalreaktionen 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 9 / 23

15 Sauerstoffplasmen in Forschung und Anwendung Ausgewählte Elementarprozesse Erzeugung von metastabilen O 2 (a 1 g )-Molekülen: (Detachmentpartner negativer Ionen und Energiespeicher) e+ Grundzustand O 2 ( 3 Σ Metastabile g ) e+ O 2 (a 1 g ) Erzeugung von Atomen O: e + O 2 ( 3 Σ g ) 2O + e e + O 2 (a 1 g ) 2O + e Erzeugung von negativen Ionen O : e + O 2 ( 3 Σ g ) O + O e + O 2 (a 1 g ) O + O 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 10 / 23

16 Relevanter Spektralbereich Abbildung: Wirkungsquerschnitte σ x und σ a 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 11 / 23

17 Relevanter Spektralbereich Abbildung: VUV-Spektralbereich - Sauerstoffentladung 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 12 / 23

18 Versuchsaufbau 1 Einführung Motivation und Möglichkeiten Bestimmung von Teilchendichten Bestimmung der Gastemperatur 2 Untersuchungen an Sauerstoff Sauerstoffplasmen in Forschung und Anwendung Relevanter Spektralbereich 3 Versuchsaufbau 4 Ergebnisse (entlang Rohrachse) Lambert-Beersches Absorptionsgesetz Grundzustands- und Metastabilendichten Gastemperatur 5 Zusammenfassung und Ausblick 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 13 / 23

19 Versuchsaufbau Deuterium-Lampe als VUV-Quelle Sauerstoff als Arbeitsgas strömendes System Magnesium-Fluorid Fenster (VUV durchlässig) Abbildung: Aufbau der VUV-Diagnostik Vakuum-UV-Monochromator mit Detektionseinheit Platin-Sonden zur Gradientenmessung strömungsunabhängige Druckmessung (Baratron) 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 14 / 23

20 Versuchsaufbau 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 15 / 23

22 Lambert-Beersches Absorptionsgesetz Vorgehensweise Vergleich: berechnete vs. gemessene Transmission I I 0 = e σ i l i n i Abbildung: Lambert-Beersches Absorptionsgesetz - (1Torr = 133, 32Pa) 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 17 / 23

23 Grundzustands- und Metastabilendichten Vorgehensweise Grundzustand Transmission bei λ = 134nm O 2 ( 3 Σ g )-Teilchendichte I I 0 = e σx lx nx n x = ln( I0 I ) σ x l x (σ x = Wirkungsquerschnitt O 2 ( 3 Σ g ) für 134nm) Vorgehensweise Metastabile Transmission bei λ = 128, 5nm O 2 (a 1 g )-Teilchendichte I I 0 = e σy lx nx σa la na n a = ln( I0 I ) σ y l x n x σ a l a (σ y = Wirkungsquerschnitt O 2 ( 3 Σ g ) für 128, 5nm) (σ a = Wirkungsquerschnitt O 2 (a 1 g) für 128, 5nm) 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 18 / 23

24 Grundzustands- und Metastabilendichten Vorgehensweise Grundzustand Transmission bei λ = 134nm O 2 ( 3 Σ g )-Teilchendichte I I 0 = e σx lx nx n x = ln( I0 I ) σ x l x (σ x = Wirkungsquerschnitt O 2 ( 3 Σ g ) für 134nm) Vorgehensweise Metastabile Transmission bei λ = 128, 5nm O 2 (a 1 g )-Teilchendichte I I 0 = e σy lx nx σa la na n a = ln( I0 I ) σ y l x n x σ a l a (σ y = Wirkungsquerschnitt O 2 ( 3 Σ g ) für 128, 5nm) (σ a = Wirkungsquerschnitt O 2 (a 1 g) für 128, 5nm) 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 18 / 23

25 Grundzustands- und Metastabilendichten Abbildung: Dichten bei steigendem Entladungsstrom - p = 0, 5Torr (1Torr = 133, 32Pa) Abbildung: Metastabilendichten bei steigendem Entladungsstrom 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 19 / 23

26 Gastemperatur Vorgehensweise Teilchendichten: n x (O 2 ( 3 Σ g ) - Grundzustand) n a (O 2 (a 1 g ) - Metastabile) Gesamtdichte: n = n x + n a Gastemperatur der neutralen Spezies: T = p n k B 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 20 / 23

27 Gastemperatur Abbildung: Gastemperatur bei steigendem Entladungsstrom - ausgewählte Drücke Abbildung: Gastemperatur bei steigendem Entladungsstrom - p = 0, 5Torr (1Torr = 133, 32Pa) 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 21 / 23

29 Zusammenfassung: VUV-Spektroskopie einfach handhabbare Diagnostik für reaktive Spezies absolute Dichten durch relative Intensitätsmessungen Gastemperaturermittlung durch Druckmessung Ausblick: Radiales Problem bisher ausschließlich Messungen entlang der Rohrachse möglich Modifikation der Anlage mit verschiebbarer Blende zur radialen Dichte- (n(r)) und Temperaturauflösung (T (r)) Ausblick: Gastemperatur durch Emissionsprofil Temperatur mittels Dopplerverbreiterung Achtung: Linienbreite liefert falsche Ergebnisse, wenn das spektrale Auflösungsvermögen nicht ausreichend (< 10 4 nm) ist! 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 23 / 23

30 Zusammenfassung: VUV-Spektroskopie einfach handhabbare Diagnostik für reaktive Spezies absolute Dichten durch relative Intensitätsmessungen Gastemperaturermittlung durch Druckmessung Ausblick: Radiales Problem bisher ausschließlich Messungen entlang der Rohrachse möglich Modifikation der Anlage mit verschiebbarer Blende zur radialen Dichte- (n(r)) und Temperaturauflösung (T (r)) Ausblick: Gastemperatur durch Emissionsprofil Temperatur mittels Dopplerverbreiterung Achtung: Linienbreite liefert falsche Ergebnisse, wenn das spektrale Auflösungsvermögen nicht ausreichend (< 10 4 nm) ist! 11. März 2009 XVI. Workshop Mühlleithen 23 / 23