Quantitative Bestimmung der massenaufgelösten Ionenflüsse aus Wasserstoff-Argon-Plasmen

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1 Quantitative Bestimmung der massenaufgelösten Ionenflüsse aus Wasserstoff-Argon-Plasmen Maik Sode, Th. Schwarz-Selinger, W. Jacob, D. Wünderlich, U. Fantz Arbeitsgruppe Reaktive Plasmaprozesse, Bereich Materialforschung Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching Inhalt: 1. Motivation / Strategie 2. Messaufbau 3. Messdiagnostiken 4. Quantitative Bestimmung der Ionenflüsse 5. Zusammenfassung Mühlleiten, März 2010 Maik Sode 1

2 Motivation Plasmachemie - im Volumen des Plasmas - an der Oberfläche Plasmainneres Leistung Neutrale Gas Radikale Ionen Ionen Oberfläche - Wachstum -Erosion Randschicht Elektronen Chemie Physik Modellierung der Reaktionen Wand Synergismus Mühlleiten, März 2010 Maik Sode 2

3 Strategie Massenaufgelöste Ionenflüsse auf die Wand mit dem Plasmamonitor (PM) Quantifizierung des Plasmamonitors: - Massenabhängige Transmission über Neutralgasmassenspektroskopie - Absoluter Gesamtionenfluss über den Gegenfeldanalysator (GFA) Ionendichten mit Langmuirsondendaten Beginn mit einfachem System: Ar Gasgemisch Mühlleiten, März 2010 Maik Sode 3

4 Experimenteller Aufbau Induktiv-eingekoppeltes Plasma Plasmamonitor Edelstahlgehäuse Gegenfeldanalysator Plasma Ø 14 cm Vakuum Optische Emissions Spektr. (OES) Langmuirsonde T e : ev n e : 1 E E18 / m³ flache Spule (Luft) ICP HF- Generator MHz Mühlleiten, März 2010 Maik Sode 4 Ar Quarzglas Druck: 0, Pa Leistung: W

5 Messdiagnostiken Plasmamonitor (PM) Ionenoptik/ Ionisator 2. Pumpstufe Energieanalysator Quadrupolmassenspektrometer T (m) P L A S M A Ø 100 µm Faraday- Cup Messung massen- und energie-aufgelöster Flüsse der Ionen oder Neutrale auf die Plasmawand 1. Pumpstufe Gerät: PPM 422 Pfeiffer / Inficon Mühlleiten, März 2010 Maik Sode 5

6 Messdiagnostiken Gegenfeldanalysator Gegenfeldanalysator (GFA) Messung der I - U Kennlinien Daraus: Ionenenenergieverteilung IEV P L A S M A Ø 1,5 mm Gitter Φ Wahrscheinlichste Ionenenergie E w -55 V -82 V -73 Ionenfluss j Ion U var I mess Mühlleiten, März 2010 Maik Sode 6

7 Messdiagnostiken Langmuirsonde Langmuirsonde Messung der I - U Kennlinien Daraus: Elektronenenergieverteilungsfunktion EEVF Elektronentemperatur T e Wolfram Ø 50 µm l = 3 mm P L A S M A Elektronendichte n e Ionendichte n Ion Mühlleiten, März 2010 Maik Sode 7

8 Quantifizierung Schritt 1: PM - Messkurven -Ar-Mischplasma Ionen: H,, H 3, Ar, ArH Flussverteilung der Ionen auf die Wand 3 Ar -Plasma p = 2 Pa, P = 200 W Signal PM [E-10 A] z.b.: ArH = 80 % 60 % E [ev] 40 % 20 % Mühlleiten, März 2010 Maik Sode 8

9 Quantifizierung Schritt 2: PM ~ Ionenflüsse Flüsse verschiedener Ionen auf die Wand Integral der Flussverteilung I(E) de ~ j H 3 Ar -Plasma p = 2 Pa, P = 200 W ArH 10 Signal PM [E-10 A] ArH = 80 % 60 % E [ev] 40 % 20 % [%] Ar H Aber: Ionenflüsse weder relativ noch absolut quantifiziert!! Ar 1 Int. Signal Mühlleiten, März 2010 Maik Sode 9

10 Quantifizierung Schritt 3: PM - T MS (m) Quadrupol-MS besitzt massenabhängige Transmission T MS (m): Signal PM ~ n Gas σ Ioniz T MS T MS durch Messung verschiedener Edelgase: T MS ~ 1 / m Signal PM / ( * p) [a.u.] Nichtlinearer Fit: y = 0.81 / m m [amu] Mühlleiten, März 2010 Maik Sode 10

11 Quantifizierung Schritt 4: PM - Ionenflüsse Flüsse verschiedener Ionen auf die Wand Summe? Ar -Plasma p = 2 Pa, P = 200 W j [a.u] 1E-9 1E-10 H 3 Ar ArH 1E-9 1E-10 Int. Signal 1E-11 1E [%] [%] Ar H Ar (T MS ) -1 ~ m Integriertes Signal (Ion m ) Mühlleiten, März 2010 Maik Sode 11

12 Quantifizierung Schritt 5: GFA Flüsse aller Ionen auf die Wand GFA Ar -Plasma p = 2 Pa, P = 200 W 5 4 Summe = 30 3 j [A / m²] [%] Ar PM 2 1 j [a.u.] Mühlleiten, März 2010 Maik Sode 12

13 Quantifizierung Schritt 6: PM - Ergebnis Flüsse verschiedener Ionen auf die Wand j [A / m²] Summe H 3 ArH H 2 H Ar -Plasma p = 2 Pa, P = 200 W Ar Γ [6, / cm² s] [%] Mühlleiten, März 2010 Maik Sode 13 Ar

14 Quantifizierung n Ion - Langmuirsonde Ionenfluss j Ionendichte n I?? (Vergleich mit Modellierung möglich) j = const (Randschicht) Randschichtkante: j Ion = e * n Ion edge * u Bohm u Bohm = (et e / M) 1/2 T e aus Sondenmessung: T e [ev] [%] Mühlleiten, März 2010 Maik Sode 14

15 Quantifizierung n Ion -Ergebnis Dichten verschiedener Ionen im Plasma Ar -Plasma p = 2 Pa, P = 200 W 1E11 Summe ArH n Ion [1 / cm³] 1E10 1E9 H 3 Ar 1E8 H [%] Mühlleiten, März 2010 Maik Sode 15 Ar

16 Zusammenfassung Messung: Ergebnis: 1E-8 1E-9 j [a.u.] 1E-10 Integrierte Messkurven ~ j m n Ion H 3 ArH Ar 1E11 1E10 1E9 n Ion [1 / cm³] 1E-11 H 1E [%] Ar [%] Ar Quantifizierung, Randschichttheorie Ar -Plasma p = 2 Pa, P = 200 W ArH dominantes Ion unter diesen Plasmabedingungen Quantifizierung des PM verschiebt Relationen von j und n Mühlleiten, März 2010 Maik Sode 16

17 Ausblick Vergleich mit Simulationsergebnissen (Ratengleichungsmodell) Ionenflussmessungen für weitere Gase (He, Ne, D 2, O 2, ) Mühlleiten, März 2010 Maik Sode 17