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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-000693-2

Detailed Investigations of the Sheath Dynamics and Elementary Processes in Capacitively Coupled RF Plasmas

  • Asymmetrical capacitively coupled RF discharges in oxygen, argon and hydrogen have been experimentally investigated with the innovative technique of the phase resolved optical emission spectroscopy. This diagnostic tool allows to measure spatio-temporally resolved emission intensities of electronically excited species with a high resolution. The spatial (axial) resolution was better than 1 mm and a temporal resolution of about 1.5 ns has been achieved. Therefore the plasma induced optical emission within the RF cycle (TRF = 73.75 ns) from the RF sheath region with a typical mean sheath thickness of about 5mm has been studied. Spatio-temporally resolved optical emission patterns of the following optical transitions have been measured for a total gas pressure in the range of 20 to 100 Pa and self-bias voltages between -50 and -550 V: Oxygen plasma Emission at 777.4 nm and 844.6 nm (atomic oxygen) Argon plasma Emission at about 751 nm and 841 nm (argon) Hydrogen plasma Emission at 656.3nm (atomic hydrogen, H alpha-line) These transitions are the most prominent ones of the investigated excited species in these plasmas as could be shown from overview spectra of the plasma induced optical emission in the range from 350 to 850 nm. For the first time such extensive PROES measurements in oxygen CCRF plasmas are presented in this work. The additional investigations of argon and hydrogen plasmas serve as a reference and for a direct comparison with results from the literature. The temporal behavior of the emission intensity is influenced by the effective lifetime of the emitting states which is on the order of the nanosecond time scale of the RF cycle. Therefore, it does not represent the real temporal behavior of the excitation. A simple method has been applied to calculate relative excitation rates from the measured emission intensities to distinguish different excitation mechanisms and their correct relative temporal behavior. In a close collaboration within the framework of the Sonderforschungsbereich Transregio 24 'Fundamentals of Complex Plasmas' a newly 1d3v PIC-MCC code for simulations of capacitive RF discharges in oxygen has been developed by Matyash et al. The very close coupling of experiment and modeling allowed a really detailed and microscopic understanding of the processes and dynamics from the sheath to the bulk plasma in CCRF discharges. The spatio-temporally resolved excitation rate profiles show four different excitation structures (I-IV). Excitation processes due to the following mechanisms in CCPs could be identified and characterized: I Electrons expelled from growing sheath II Electrons detached from negative ions (collisions with neutrals) + secondary electrons from the electrode surface (ion bombardment) III Field-reversal effect, reduced mobility of electrons (electron-neutral collisions) IV Heavy-particle collisions These excitation mechanisms are characterized by different temporal and spatial behaviors of the excitation rate within the RF cycle. Additionally it has been shown that the excitation by electron impact in the investigated oxygen plasmas results mainly from dissociative electron impact excitation (O2 + e -> O + O* + e) and not from direct electron impact excitation (O + e -> O* + e). Actinometry measurements show that the results are not really credible. Thus actinometry is not applicable on the investigated oxygen RF plasma. A challenge in interpretation is the observed excitation pattern IV. Pattern IV has to be caused in connection with heavy particle collisions nearby the electrode surface and could be observed in all the three plasmas oxygen, argon and hydrogen. It is located directly in front of the powered electrode and appears during almost the whole RF cycle. The temporal modulation is nearly sinusoidal and weak in comparison to the first three patterns. This is due to the weak RF modulation of the ion flux towards the electrode surface which has been proven by a PIC simulation. It could be shown that the modulation degree of pattern IV depends on the transition time of the corresponding positive ions through the RF sheath which is influenced by the ion mass. In oxygen as well as in argon CCRF plasmas pattern IV is less modulated than in hydrogen CCRF plasmas due to the heavier ions in oxygen and argon. Additionally the modulation degree increases with increasing pressure due to the more confined plasma at higher pressures which is yielding in a stronger modulated ion current towards the powered electrode.
  • Asymmetrische kapazitiv gekoppelte RF Entladungen in Sauerstoff, Argon und Wasserstoff wurden mit der innovativen Technik der phasenaufgelösten optischen Emissionsspektroskopie (PROES) experimentell untersucht. Dieses diagnostische Tool erlaubt es die Emissionsintensität von elektronisch angeregten Spezies mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung zu messen. Eine räumliche (axiale) Auflösung besser als 1 mm und eine zeitliche Auflösung von etwa 1,5 ns konnte erreicht werden. Somit war es möglich die plasmainduzierte optische Emission innerhalb der RF Periode (TRF = 73,75 ns) und der RF Randschicht, mit einer typischen mittleren Schichtdicke von etwa 5 mm, zu untersuchen. Raum-zeitaufgelöste optische Emissionsstrukturen der folgenden optischen Übergänge wurden in einem Druckbereich von 20 bis 100 Pa und für Selfbias Spannungen von -50 bis -550 V untersucht: Emission im Sauerstoffplasma bei 777,4 nm und 844,6 nm (atomarer Sauerstoff) Emission im Argonplasma bei um 751 nm und 841 nm (Argon) Emission im Waserstoffplasma bei 656,3nm (atomarer Wasserstoff, H alpha-Linie) Diese Übergänge sind die intensivsten der untersuchten angeregten Spezies in diesen Plasmen, was durch Übersichtsspektren der plasmainduzierten optischen Emission im Wellenlängenbereich von 350 bis 850 nm gezeigt wird. Zum ersten Mal wurden solche umfangreichen PROES Messungen in Sauerstoff CCRF Plasmen im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt und vorgestellt. Die zusätzliche Untersuchung von Argon- und Wasserstoffplasmen diente als Referenz und für einen direkten Vergleich mit Resultaten aus der Literatur. Das zeitliche Verhalten der Emissionsintensität wird durch die effektive Lebensdauer der emittierenden angeregten Zustände beeinflusst, welche in der Größenordnung der RF Periodendauer liegt. Somit repräsentierten die gemessenen Emissionsintensitäten nicht das tatsächliche zeitliche Verhalte der Anregung. Eine einfache Methode wurde angewendet um relative Anregungsraten aus den gemessenen Emissionsintensitäten zu berechnen, um somit unterschiedliche Anregungsmechanismen und ihr korrektes zeitliches Verhalten untersuchen zu können. In einer engen Zusammenarbeit innerhalb des Sonderforschungsbereiches Transregio 24 ‘Fundamentals of Complex Plasmas‘ wurde ein neuer 1d3v PIC-MCC Code für die Simulation von kapazitiven RF Entladungen in Sauerstoff von Matyash et al. Entwickelt. Die sehr enge Kopplung von Experiment und Modellierung erlaubt ein detailliertes und mikroskopisches Verständnis der Prozesse und Dynamik von der Randschicht bis hin zum Plasmabulk von CCRF Entladungen zu entwickeln. Die raum-zeitaufgelösten Anregungsratenprofile zeigen vier unterschiedliche Anregungsstrukturen (I-IV), die durch folgende identifizierte und charakterisierte Mechanismen in CCPs verursacht werden: I Schichtelektronenheizung II Elektronen abgelöst von negative Ionen (Stöße mit Neutralen) + Sekundärelektronen von Elektrodenoberfläche (Ionenbeschuss) III Feldumkehr, reduzierte Mobilität der Elektronen (Elektron-Neutral-Stöße) IV Schwerteilchenstöße Diese Mechanismen sind durch ein unterschiedliches zeitliches und räumliches Verhalten der Anregungsrate innerhalb der RF Periode charakterisiert. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Anregung durch Elektronenstoß in den untersuchten Sauerstoffplasmen hauptsächlich von der dissoziativen Elektronenstoßanregung (O2 + e -> O + O* + e) resultiert und nicht von der direkten Elektronenstoßanregung (O + e -> O* + e). Aktinometrische Messungen zeigten unglaubwürdige Resultate. Somit ist die Technik der Aktinometrie für die untersuchten Sauerstoffplasmen nicht anwendbar. Eine Herausforderung in der Interpretation war die beobachtete Anregungsstruktur IV. Diese wird verursacht durch Schwerteilchenstöße unmittelbar vor der Elektrodenoberfläche und konnte in allen drei Plasmen Sauerstoff, Argon und Wasserstoff beobachtet werden. Diese Anregungsstruktur befindet sich direkt vor der gespeisten Elektrode und erscheint fast während der gesamten RF Periode. Die zeitliche Modulation ist nahezu sinusförmig und schwach im Vergleich zu den ersten drei Strukturen. Dies liegt an der schwachen RF Modulation des Ionenflusses zur Elektrodenoberfläche, was durch eine PIC Simulation bestätigt werden konnte. Es konnte gezeigt werden, dass der Modulationsgrad der Struktur IV von der Transitzeit der positiven Ionen durch die Randschicht abhängt, die durch die Ionenmasse bestimmt ist. In Sauerstoff sowie in Argon CCRF Plasmen ist die Struktur IV geringer moduliert als in Wasserstoff CCRF Plasmen durch die schwereren Ionen in Sauerstoff und Argon. Außerdem steigt der Modulationsgrad mit dem Druck, da bei höherem Druck das Plasma stärker begrenzt ist, was wiederum zu einem stärker modulierten Ionenstrom zur Elektrode führt.

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Metadaten
Author: Kristian Dittmann
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000693-2
Title Additional (German):Detaillierte Untersuchungen der Schichtdynamik und Elementarprozesse in kapazitiv gekoppelten RF Plasmen
Advisor:Prof. Dr. Jürgen Meichsner
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2009/10/27
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2009/10/12
Release Date:2009/10/27
GND Keyword:Hochfrequenzplasma, Kaltes Plasma, Plasma-Wand-Wechselwirkung, Plasmadynamik, Plasmarandschicht
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
PACS-Classification:50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.20.-j Elementary processes in plasmas
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.20.-j Elementary processes in plasmas / 52.20.Hv Atomic, molecular, ion, and heavy-particle collisions
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.65.-y Plasma simulation / 52.65.Rr Particle-in-cell method
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.70.-m Plasma diagnostic techniques and instrumentation / 52.70.Kz Optical (ultraviolet, visible, infrared) measurements
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.80.-s Electric discharges (see also 51.50.+v Electrical properties of gases; for plasma reactions including flowing afterglow and electric discharges, see 82.33.Xj in physical chemistry and chemical physics) / 52.80.Pi High-frequency and RF discharges