Jente Wubs

• Oxygen-containing plasmas are widely used in industry for a variety of applications, including thin-film deposition, etching, and other surface modification processes. Due to their high reactivity, oxygen atoms play a key role in most of these applications, and an accurate method for measuring their density is therefore of great importance, not only to gain a fundamental understanding of the chemistry in such plasmas, but also to improve industrial processes. However, existing techniques, such as two-photon absorption laser induced fluorescence (TALIF), vacuum ultraviolet (VUV) absorption spectroscopy, cavity ring-down spectroscopy (CRDS), and optical emission spectroscopy (OES), are all either bulky and expensive, experimentally challenging, or indirect and relying on a multitude of assumptions. This work presents the first implementation of absorption spectroscopy in the terahertz (THz) spectral region as a novel diagnostic technique for measuring atomic oxygen densities in plasmas. It is based on the detection of the 3P1←3P2 fine structure transition at approximately 4.745 THz, using a newly developed tunable THz quantum cascade laser (QCL) as the radiation source. THz absorption spectroscopy allows for direct measurements (i.e. no calibration is required) of absolute ground-state atomic oxygen densities, and its accuracy depends almost exclusively on the accuracy to which the line strength of the transition is known. In addition, the narrow laser linewidth of just a few MHz makes it possible to determine the translational temperature from the detected absorption profiles as well. Furthermore, the experimental setup is relatively compact (especially compared to TALIF setups that typically involve bulky laser systems), vacuum conditions are not essential (as opposed to when working in the VUV), and the requirements for the optical alignment are not as strict as for CRDS. These features make THz absorption spectroscopy an attractive alternative to existing diagnostic techniques. To confirm the accuracy of THz absorption spectroscopy, the obtained atomic oxygen densities were compared to those yielded by more established techniques. Therefore, TALIF and CRDS measurements of atomic oxygen densities were carried out as well. All measurements were performed in the same capacitively coupled radio frequency (RF) oxygen discharge for a variation of the applied RF power (20 W to 100 W) and the gas pressure (0.7 mbar and 1.3 mbar). The atomic oxygen densities obtained with the three different diagnostic techniques (all of the order of 1*10^14 cm^-3) were found to be in excellent agreement, both qualitatively and quantitatively. This demonstrated that these techniques all allow for accurate measurements and can be used interchangeably as long as no spatial resolution is required. The novel technique of THz absorption spectroscopy is thus well suited for measuring atomic oxygen densities. It has the potential to turn into a standard diagnostic technique once tunable THz QCLs become commercially available and is of particular interest for industrial applications due to the simplicity and compactness of the experimental setup.
• Sauerstoffhaltige Plasmen werden in der Industrie für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Dünnschichtabscheidung, Ätzen und andere Oberflächenmodifizierungsprozesse. Aufgrund ihrer hohen Reaktivität spielen Sauerstoffatome in den meisten dieser Anwendungen eine Schlüsselrolle, und eine genaue Methode zur Messung ihrer Dichte ist daher von großer Bedeutung, nicht nur um ein grundlegendes Verständnis der Chemie in solchen Plasmen zu erlangen, sondern auch um industrielle Prozesse zu verbessern. Bestehende Messtechniken wie die Zwei-Photonen Absorptions-Laser-induzierte Fluoreszenz (TALIF), die Vakuum-Ultraviolett (VUV)-Absorptionsspektroskopie, die Cavity-Ring-Down-Spektroskopie (CRDS) und die optische Emissionsspektroskopie (OES) sind jedoch alle entweder umständlich und teuer, experimentell anspruchsvoll, oder indirekt und basiert auf einer Vielzahl von Annahmen. Diese Arbeit präsentiert die erste Anwendung der Absorptionsspektroskopie im Terahertz (THz)-Spektralbereich als neuartige Methode zur Messung von atomaren Sauerstoffdichten in Plasmen. Die Methode beruht auf der Detektion des 3P1←3P2 Feinstrukturübergangs bei ungefähr 4,745 THz unter Verwendung eines kontinuierlich durchstimmbaren THz-Quantenkaskadenlasers (QCLs), der zu diesem Zweck neu entwickelt wurde. Die THz-Absorptionsspektroskopie ermöglicht direkte Messungen (d. h. es ist kein Kalibrierungsverfahren erforderlich) und liefert absolute Grundzustandsdichten, und die Messgenauigkeit hängt fast ausschließlich von der Genauigkeit ab, mit der die Übergangswahrscheinlichkeit bekannt ist. Aufgrund der schmalen Laserlinienbreite von nur wenigen MHz ist es möglich, aus den erfassten Absorptionsspektren nicht nur die Dichte, sondern auch die Translationstemperatur zu bestimmen. Darüber hinaus ist der Versuchsaufbau relativ kompakt (insbesondere im Vergleich zu TALIF-Aufbauten, die typischerweise sperrige Lasersysteme beinhalten), Vakuumbedingungen sind nicht notwendig (im Gegensatz zur VUV-Spektroskopie) und die Anforderungen an die optische Ausrichtung sind nicht so streng wie bei CRDS. Diese Eigenschaften machen die THz-Absorptionsspektroskopie zu einer attraktiven Alternative zu bereits bestehenden Messmethoden. Um die Genauigkeit der THz-Absorptionsspektroskopie zu bestätigen, wurden die gemessenen atomaren Sauerstoffdichten mit denen verglichen, die durch etabliertere Methoden gewonnen wurden. Daher wurden sowohl TALIF- als auch CRDS-Messungen an derselben kapazitiv gekoppelten Radiofrequenz (RF)-Sauerstoffentladung durchgeführt, für eine Variation der angelegten RF-Leistung (20 W bis 100 W) und bei unterschiedlichem Gasdruck (0,7 mbar und 1,3 mbar). Es wurde festgestellt, dass die mit den drei verschiedenen Messmethoden erhaltenen atomaren Sauerstoffdichten (alle in der Größenordnung von 1*10^14 cm^-3) sowohl qualitativ als auch quantitativ hervorragend übereinstimmen. Dies zeigt, dass die Methoden in Bezug auf die Messergebnisse gleichwertig sind und austauschbar verwendet werden können, solange keine räumliche Auflösung erforderlich ist. Die in dieser Arbeit vorgestellte Methode der THz-Absorptionsspektroskopie eignet sich daher gut zur Messung von atomaren Sauerstoffdichten. Sie hat das Potenzial, sich zu einer Standardmethode zu entwickeln, sobald durchstimmbare THz-QCLs kommerziell verfügbar werden, und ist aufgrund der Einfachheit und Kompaktheit des Versuchsaufbaus für industrielle Anwendungen von besonderem Interesse.