Dynamische Plasma-Kooperation

17.04.2015 - Meike Klinck

kooperation Ganz genau haben Sebastian Wilczek und Prof. Julian Schulze von der US-amerikanischen West Virginia University so genannte „Beamelektronen“ beobachtet. Diese besonders schnellen, hochenergetischen Teilchen spielen eine zentrale Rolle bei der Optimierung industrieller Beschichtungs- und Ätzprozesse. weiterlesen




65 MHz „Wir haben die Dynamik von Elektronen in kapazitiven Niederdruckentladungen untersucht“, berichtet Sebastian Wilczek, der am Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik der RUB an seiner Doktorarbeit schreibt. „Sie üben einen entscheidenden Einfluss auf die Zusammensetzung des Plasmas aus.“ Die beiden Forscher variierten die Anregungsfrequenz, um die besonderen „Beamelektronen“, ähnlich wie bei einem Pingpong-Match, immer wieder effizient hin- und her zu beschleunigen. Sie erforschen Prozesse, die nur wenige Nanosekunden dauern. Die Wissenschaftler setzen daher auf Simulationen. Experimente oder Beobachtungen in der industriellen Anwendung kommen hingegen meist nicht in Frage.

55 MHz „Jetzt ist es uns möglich, zu erklären, was in dieser kurzen Zeitspanne passiert", so Sebastian Wilczek. Die intesive Zusammenarbeit der beiden Forscher wird von Thomas Mussenbrock unterstützt und organisiert, erst im vergangenen Monat war Prof. Julian Schulze zu Gast in Bochum. Der Physiker studierte, promovierte und habilitierte an der Ruhr-Universität. Mittlerweile ist er weltweit für sein Fachwissen im Bereich der RF-Entladungen geschätzt und arbeitet seit 2013 als Assistent Professor an der West Virginia University. Als Visiting International Professor unterstützt er auch die Research School der Ruhr-Universität. Ihre Ergebnisse haben sie gerade unter dem Titel The effect oft he driving frequency on the confinement of beam electrons and plasma density in low-pressuere capacitive discharges kürzlich veröffentlicht. „Mit unseren jetzt gewonnenen Ergebnissen wollen wir weitere Effekte genauer untersuchen, die auf kleinsten Zeitskalen in RF-Entladungen eine zentrale Rolle spielen, wie etwa das kinetische Verständnis von Resonanzeffekten“, so Sebastian Wilczek.

Foto (von links): Prof. Julian Schulze und Sebastian Wilczek

Grafiken: Zu sehen ist die Dichte von hochenergetischen Elektronen in einem kapazitiv gekoppelten Plasma, die eine Energie von mindestens 15,76 eV haben (Ionisationsgrenze von Argon). Das Ergebnis wurde aus einer Particle-In-Cell Simulation generiert, bei einem Argon Initialdruck von 1.3 Pa und einem Plattenabstand von 15 mm. Die Frequenzvariation zeigt, dass bei höheren Anregungsfrequenzen (65 MHz, oben) die Einschlussgüte der hochenergetischen Beamelektronen wesentlich besser ist als bei geringeren Frequenzen (55 MHz, unten). Mit unterschiedlichen Frequenzen kann der Auftreffzeitpunkt der Beams auf der gegenüberliegenden Randschicht kontrolliert werden, was zu einer effizienteren Heizung der Elektronen führt und somit die Plasmadichte signifikant erhöht. Der ausschlaggebende Punkt ist hierbei, dass die Beamelektronen bei 55 MHz die kollabierende Randschicht bzw. das Schichtminimum treffen. Während dieser Phase besitzen die Beamelektronen genügend Energie um das Randschichtpotential zu überwinden und gehen anschließend samt ihrer Energie an der Elektrode verloren. Hingegen bei 65 MHz treffen die Beamelektronen auf die expandierende Randschicht und werden durch die ansteigende Randschichtspannung zurück in den Plasmabulk beschleunigt bzw. reflektiert.

Kontakt
Sebastian Wilczek
Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik

Tags: plasma, Sonderforschungsbereich, Theoretische Elektrotechnik