Eine Kugel, die Elektronen zum Schwingen bringt

Plasmen spielen in vielen indus­triellen Anwen­dungen eine zentrale Rolle. Die ener­getisch angeregten Gase lassen sich zum Beispiel nutzen, um Beschich­tungen auf Oberflächen aufzubringen, etwa kratzfeste Schutz­schichten auf Brillen­gläser aus Kunst­stoff, oder hoch­präzise optische Filter auf Quarzglas. Das Plasma hat dabei unter anderem die Aufgabe, die beispiels­weise durch Verdampfung auf den Träger aufgebrachten Schichten mittels Ionen­beschuss gewisser­maßen festzuklopfen. Dabei bestimmen die Plasma­eigen­schaften, die ihrerseits über verschiedene Prozess­parameter eingestellt werden, die Eigen­schaften der ab­geschie­denen Schichten maßgeblich. Ihre genaue Kenntnis ist daher der Schlüssel für exakt reprodu­zierbare Schicht­eigenschaften – sowohl beim Übertragen von Prozessen zwischen Anlagen als auch bei der Über­wachung und Regelung in laufenden Prozessen. Ein neuartiges Mess­instrument sorgt dafür, dass solche Prozesse immer exakt gleich ablaufen: Die Multipol­resonanz­sonde kann die Plasma­dichte ständig messen, ohne zu stören.

„In der modernen Produktion wird auch immer mehr Wert auf Exaktheit gelegt“, berichtet Prof. Dr. Ralf Peter Brinkmann, Inhaber des Lehrstuhls Theoretische Elektro­technik der RUB. Alle entstehenden Produkte müssen genau gleich sein, die Beschichtung darf keine Fehler aufweisen. Um diese Genauig­keit zu erreichen, ist es notwendig, das Plasma ständig zu überwachen. Besonders auf die Elektronen­dichte kommt es bei Beschichtungs­prozessen an. Würde sie zu stark schwanken, würde dies die Beschaf­fenheit der fertigen Beschichtung negativ beein­flussen. „Idealer­weise sollte die Elektronen­dichte ständig gemessen und bei Bedarf automatisch nachjustiert werden, sodass kein Mensch in den Prozess eingreifen muss“, erklärt Brinkmann.

Die Anforderungen an ein Mess­instrument, das das leisten kann, sind vielfältig: Es sollte möglichst klein sein, zuverlässig, wartungsfrei, und es darf weder den Beschichtungs­prozess stören noch selbst im Plasma beschädigt werden.

Eine Idee wird schon seit langem verfolgt: Die Elektronen, die sich im Plasma frei bewegen, können durch das Anlegen einer kleinen äußeren Spannung in Schwingungen geraten. Trifft man die richtige Frequenz, entsteht eine Resonanz, erkennbar daran, dass das Plasma besonders viel Energie aufnimmt. Da die Resonanz­frequenz abhängig von der Elektronen­dichte ist, kann man diese im Prinzip dann berechnen.

Frühere Versuche, diese Idee in die Praxis umzusetzen, hatten aber mit Schwierigkeiten zu kämpfen, da bei mehreren verschiedenen Frequenzen gleichwertige Resonanzen auftraten. Analysen der Bochumer Theoretiker gaben Antwort auf die Frage, woher die verschiedenen Resonanzen kamen: So einfach die Mess­apparatur auch konstruiert war, es entstanden an verschiedenen ihrer Teile unter­schiedliche Schwingungen mit unterschiedlichen Resonanz­frequenzen.

Um Abhilfe zu schaffen, entwarf das Team ein Konzept, das auf möglichst einfache Schwingungen zielt. Es galt: je symmetrischer, desto besser. „Die Kugelform ist die einfachste denkbare Konfiguration“, so Brinkmann. „Auch hier findet man bei Messungen Resonanzen bei verschiedenen Frequenzen vor“, erklärt er. „Sie lassen sich aber eindeutig sortieren.“ In Anlehnung an das dabei eingesetzte mathematische Verfahren der Multipol­analyse kam es zum Namen Multipol­resonanz­sonde, kurz MRP (engl. Multipole Resonance Probe).

Die Entwicklung der MRP bis hin zur praktischen Einsetz­barkeit wurde vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung in den Verbundprojekten Pluto und Pluto plus gefördert. Dabei ergab sich auch die Chance, die Sonde bei Industrie­partnern zu testen. Und es zeigte sich: Wurde die Elektronen­dichte im Plasma durch ständige Überwachung mittels MRP und automatische Anpassung der Ansteuerung konstant gehalten, reduzierte das die Schwankungen der Prozess­ergebnisse maßgeblich. Mittlerweile steht ein Spin-off kurz vor der Gründung.

RUB / LK