Refine
Year of publication
- 2009 (3) (remove)
Document Type
- Doctoral Thesis (3)
Has Fulltext
- yes (3)
Is part of the Bibliography
- no (3)
Keywords
- Plasma-Wand-Wechselwirkung (3) (remove)
Institute
Infrared laser absorption spectroscopy (IRLAS) employing both tuneable diode and quantum cascade lasers (TDLs, QCLs) has been applied with both high sensitivity and high time resolution to plasma diagnostics and trace gas measurements.
TDLAS combined with a conventional White type multiple pass cell was used to detect up to 13 constituent molecular species in low pressure Ar/H2/N2/O2 and Ar/CH4/N2/O2 microwave discharges, among them the main products such as H2O, NH3, NO and CO, HCN respectively. The hydroxyl radical has been measured in the mid infrared (MIR) spectral range in-situ in both plasmas yielding number densities of between 1011 ... 1012 cm-3. Strong indications of surface dominated formation of either NH3 or N2O and NO were found in the H2-N2-O2 system. In methane containing plasmas a transition between deposition and etching conditions and generally an incomplete oxidation of the precursor were observed.
The application of QCLs for IRLAS under low pressure conditions employing the most common tuning approaches has been investigated in detail. A new method of analysing absorption features quantitatively when the rapid passage effect is present is proposed. If power saturation is negligible, integrating the undisturbed half of the line profile yields accurate number densities without calibrating the system. By means of a time resolved analysis of individual chirped QCL pulses the main reasons for increased effective laser line widths could be identified. Apart from the well-known frequency down chirp non-linear absorption phenomena and bandwidth limitations of the detection system may significantly degrade the performance and accuracy of inter pulse spectrometers. The minimum analogue bandwidth of the entire system should normally not fall below 250 MHz.
QCLAS using pulsed lasers has been used for highly time resolved measurements in reactive plasmas for the first time enabling a time resolution down to about 100 ns to be achieved. A temperature increase of typically less than 50 K has been established for pulsed DC discharges containing Ar/N2 and traces of NO. The main NO production and depletion reactions have been identified from a comparison of model calculations and time resolved measurements in plasma pulses of up to 100 ms. Considerable NO struction is observed after 5 ... 10 ms due to the impact of N atoms.
Finally, thermoelectrically cooled pulsed and continuous wave (cw) QCLs have been employed for high finesse cavity absorption spectroscopy in the MIR. Cavity ring down spectroscopy (CRDS) has been performed with pulsed QCLs and was found to be limited by the intrinsic frequency chirp of the laser suppressing an efficient intensity build-up inside the cavity. Consequently the accuracy and advantage of an absolute internal absorption calibration is not achievable. A room temperature cw QCL was used in a complementary cavity enhanced absorption spectroscopy (CEAS) configuration which was equipped with different cavities of up to ~ 1.3 m length. This spectrometer yielded path lengths of up to 4 km and a noise equivalent absorption down to 4 x 10-8 cm-1Hz-1/2. The corresponding molecular concentration detection limit (e.g. for CH4, N2O and C2H2 at 1303 cm-1/7.66 μm) was generally below 1 x 1010 cm-3 for 1 s integration times and one order of magnitude less for 30 s integration times. The main limiting factor for achieving even higher sensitivity is the residual mode noise of the cavity. Employing a ~ 0.5 m long cavity the achieved sensitivity was good enough for the selective measurement of trace atmospheric constituents at 2.2 mbar.
(A paperback version is published by Logos under ISBN 978-3-8325-2345-9.)
In dieser Arbeit wurden Experimente an einem DC-Magnetron-Beschichtungsplasma zur (reaktiven) Abscheidung von Ti, TiNx und TiOx-Schichten durchgeführt. Das Ziel war es, durch Korrelation von Messungen des Ionen- und des Energieeinstroms auf das Substrat während des Beschichtungsvorgangs mit Analysen der abgeschiedenen Schichten Aussagen über die Zusammenhänge von Abscheidebedingungen und Schichteigenschaften zu treffen. Von besonderem Interesse waren hierbei die Unterschiede zwischen den beiden Betriebsmodi des eingesetzten Magnetrons (balanced mode und unbalanced mode), da sich über diesen Parameter der Ioneneinstrom auf das Substrat signifikant beeinflussen lässt, sowie der Einfluss hochenergetischer negativ geladener Ionen, die beim Einsatz von Sauerstoff im Gegensatz zu dem von Stickstoff als Reaktivgas auftreten. Die Maxima der mittels energieaufgelöster Massenspektrometrie gemessenen Energieverteilungen aller Ionenspezies liegen im unbalanced mode im Vergleich zum balanced mode bei um etwa 0,2...1 eV höherer Energie. Der im Wesentlichen von den einfach positiv geladenen Argonionen und bei hohem Reaktivgasfluss den molekularen Reaktivgasionen getragene Gesamtioneneinstrom auf das Substrat ist im unbalanced mode deutlich höher als im balanced mode. Der mit Hilfe einer Thermosonde gemessene Energieeinstrom auf das Substrat steigt linear mit der Entladungsleistung an. Im unbalanced mode ist er, bedingt durch den höheren Gesamtioneneinstrom auf das Substrat und die größere mittlere Energie aller Ionenspezies, um mehr als eine Größenordnung höher als im balanced mode. Eine Abhängigkeit des Energieeinstroms vom Reaktivgasfluss wurde nicht beobachtet. Die röntgenreflektometrisch gemessenen Beschichtungsraten steigen über der Entladungsleistung linear an und sind im unbalanced mode trotz geringerer Sputterraten am Target um ca. 10...20 % höher als im balanced mode. Die Begründung hierfür liefert der im unbalanced mode deutlich höhere Energieeinstrom auf das Substrat. Durch diesen erhöhten Energieeintrag in die aufwachsenden Schichten steht im unbalanced mode mehr Energie für Prozesse an der Oberfläche, wie die Oberflächendiffusion, zur Verfügung. Die somit verbesserte laterale Mobilität der Teilchen an der Oberfläche führt dazu, dass diese besser in die wachsende Kristallstruktur eingebaut werden können. Damit ergibt sich letztendlich im unbalanced mode trotz des geringeren Teilcheneinstroms in allen untersuchten Plasmen eine höhere Abscheiderate von Titan auf dem Substrat. Der Energieeinstrom auf das Substrat ist demnach durch seinen signifikanten Einfluss auf die laterale Mobilität der aufwachsenden Teilchen ein bestimmender Parameter für das Schichtwachstum. Die durch die Beimischung von Reaktivgas zum Plasma auftretende Targetnitrierung bzw. –oxidation verursacht ein deutliches Absinken der Sputterraten am Target und damit der Beschichtungsraten über dem Reaktivgasfluss. Messungen der chemischen Zusammensetzungen der Schichten mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie zeigen, dass die Menge des in die Schichten eingebauten Reaktivgases über dessen Konzentration im Beschichtungsplasma zu kontrollieren ist. Im Argon-Stickstoff-Plasma sind die Werte der aus den röntgenreflektometrisch erhaltenen Dichten bei den im unbalanced mode abgeschiedenen Schichten deutlich höher als bei den im balanced mode abgeschiedenen. Untersuchungen mittels Röntgendiffraktometrie zeigen für diese Schichten auch höhere makroskopische Spannungen. Offenbar führt der größere Energieeinstrom hier zu lokalen Temperaturunterschieden, aus denen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten von Schicht und Substrat beim Abkühlen makroskopische Schichtspannungen resultieren. Insgesamt werden im Argon-Stickstoff-Plasma im unbalanced mode des Magnetrons kompaktere Schichten mit weniger Lücken abgeschieden als unter denselben Bedingungen im balanced mode. Im Argon-Sauerstoff-Plasma wird dieser positive Effekt des höheren Energieeintrags in die aufwachsenden Schichten durch den im unbalanced mode deutlich höheren Beschuss des Substrats mit hochenergetischen negativ geladenen Sauerstoffionen mehr als aufgehoben. Dadurch kommt es in diesem Betriebsmodus des Magnetrons zu einer erhöhten Lückenbildung in den aufwachsenden Schichten, die somit geringere makroskopische Spannungen und geringere mittlere Dichten aufweisen als die im balanced mode abgeschiedenen. Die Summe dieser Ergebnisse zeigt, dass die Eigenschaften der im hier untersuchten DC-Magnetronplasma abgeschiedenen Schichten maßgeblich von der Zusammensetzung des Beschichtungsplasmas und insbesondere von der Art und der Energie der auf das Substrat auftreffenden Ionen abhängen.
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.