Elektronen-Pingpong in Plasmen

Journal of Physics D kürt Bochumer Arbeit zum Highlight-Artikel

Die Doktorarbeit ist noch nicht fertig, da lieferte Julian Schulze schon ein Bravourstück ab: Der Beitrag des Bochumer Doktoranden der Plasmaphysik zur Elektronenheizung in technologischen Plasmen wurde vom renommierten britischen Journal of Physics D: Applied Physics zum Highlight des Jahres 2008 gewählt. Er gehört damit zu den 30 besten von ca. 1.600 Publikationen. Das Journal wird vom britischen Institute of Physics (IOP) herausgegeben, dem Pendant zur Deutschen Physikalischen Gesellschaft.Die Auswahl basiert auf der Anzahl von Zitaten und Downloads sowie den Gutachten, die vor Publikation von unabhängigen internationalen Experten erstellt werden. Der Bochumer Beitrag ist einer von nur sechs zum Highlight gekürten Arbeiten weltweit aus der Plasmaphysik.

Die von Julian Schulze, Brian Heil, Dirk Luggenhölscher, Thomas Mussenbrock, Ralf Peter Brinkmann und Uwe Czarnetzki untersuchten Plasmen, so genannte kapazitiv gekoppelte Radio-Frequenz (RF)-Plasmen, sind von großer Bedeutung für verschiedene industrielle Anwendungen. Sie werden häufig für Ätz- und Beschichtungsvorgänge von Oberflächen verwendet, z. B. bei der Herstellung von Computerchips und Solarzellen. Ähnlich wie bei einem Kondensator besteht eine solche Plasma-Entladung aus zwei Elektroden in einer Vakuumkammer, in die kontrolliert geringe Mengen Gas eingeleitet werden. An eine Elektrode wird eine Wechselspannung (Radio-Frequenz) angelegt, die andere ist geerdet. Wie bei vielen industriellen Entladungen fungiert die gesamte Kammerwand als viel größere geerdete Elektrode (Asymmetrie). Durch die starken elektrischen Felder an der Elektrode werden positiv geladene Teilchen (Ionen) angezogen und damit senkrecht zur Elektrode hin beschleunigt. Bei niedrigen Drücken ist die Neutralteilchendichte in der Kammer so gering, dass die angezogenen Ionen geradewegs und ohne Stöße mit anderen Teilchen senkrecht auf die Elektrode treffen. Diesen hochenergetischen, gerichteten Ionenbeschuss macht man sich in der Industrie zu Nutze, indem man die zu bearbeitende Oberfläche auf die Elektrode legt, wo sie dann durch die Ionen bearbeitet wird.

Trotz ihrer enormen technologischen Bedeutung sind die Mechanismen, die bei niedrigem Druck zur Plasmaerzeugung führen, bisher nicht im Detail verstanden. Bei hohem Druck und entsprechend hoher Neutralteilchendichte wird den Elektronen hauptsächlich durch so genannte stoßbestimmte "Ohmsche Heizung" Energie zugeführt. Dabei werden Elektronen im oszillierenden elektrischen Feld im Plasma parallel zum Feld hin und her beschleunigt. Ohne Stöße mit Neutralteilchen (niedriger Druck) ist so kein Netto-Energiegewinn möglich, da die während einer Halbperiode gewonnene Energie während der anderen Halbperiode wieder verloren geht. Bei hohem Druck führen Stöße mit Neutralteilchen, bei denen die Gesamtenergie erhalten bleibt, dazu, dass Elektronen senkrecht zum Feld gestreut werden. Ihre Energie steckt dann nicht mehr in einer Bewegung parallel zum Feld, sondern senkrecht dazu. Dies führt zu einem Netto-Energiegewinn, da Elektronen in der Richtung senkrecht zum Feld nicht mehr durch das oszillierende Feld abgebremst werden können. Diese Theorie der stoßbestimmten "Ohmschen Heizung" versagt jedoch im industriell relevanten Niederdruckbereich, da es bei geringer Teilchendichte zu wenige Stöße gibt.

Die RUB-Physiker konnten nun erstmals experimentell zeigen, wie bei niedrigem Druck die Randschicht vor der Elektrode für die Plasmaentstehung verantwortlich ist: In dieser Schicht befinden sich im Gegensatz zum Plasma selbst nahezu keine Elektronen, sondern nur positiv geladene Ionen. Die Schicht expandiert und kollabiert im Rhythmus der angelegten Wechselspannung (13.56 MHz) unaufhörlich, wobei ein Zyklus etwa 74 Nanosekunden dauert. Bei der Expansion stößt die Randschicht – wie ein Schläger beim Tennis den Ball – Elektronen von der Elektrode weg. Diese gerichteten hochenergetischen Elektronen ionisieren das neutrale Gas und erzeugen somit das Plasma. Die hochenergetischen Elektronenstrahlen fliegen ballistisch ins Plasma. Bei extrem niedrigem Druck und entsprechend langer freier Wegstrecke treffen diese "beams" auf einen Quartzzylinder (5 cm von der Elektrode entfernt). Dort wird der Strahl reflektiert. Trifft der reflektierte Strahl auf die Randschicht vor der Elektrode, wird er erneut reflektiert (Elektronen-Pingpong).

Für den Nachweis maßen die Physiker die elektrischen Felder in der Randschicht mit Hilfe eines Lasersystems und berechneten sie durch ein Modell. Mittels phasenaufgelöster optischer Emissionsspektroskopie wurden hochenergetische Elektronen orts- und zeitaufgelöst detektiert. Parallel wurden der Strom zur Kammerwand und die Spannung über der Entladung gemessen. Mit einer Sonde wurde die Elektronenenergieverteilungsfunktion (EEDF) bestimmt. Durch Strommessungen konnten von RUB-Forschern entwickelte Theorien der nichtlinearen Elektronen-Resonanz-Heizung verifiziert werden. Insbesondere wurde mit Hilfe eines analytischen Modells gezeigt, dass die beobachteten Elektronenstrahlen zu dem gemessenen erhöhten Anteil energetischer Elektronen in der EEDF führen. Somit stellen diese Ergebnisse einen entscheidenden Beitrag auf dem Gebiet der stochastischen Heizung dar.

Ruhr-Universität Bochum


Weitere Infos:

• Julian Schulze, B. G. Heil, D. Luggenhölscher, T. Mussenbrock, R. P. Brinkmann and U. Czarnetzki: Electron beams in asymmetric capacitively coupled radio frequency discharges at low pressures. Journal of Physics D: Applied Physics, 41, 4, 042003 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1088/0022-3727/41/4/042003
  http://www.iop.org/EJ/journal/-page=extra.highlights08/0022-3727 (bis 31.12.2009 frei verfügbar)

AL