Elektronenheizung in kapazitiven RF Plasmen basierend auf Momenten der Boltzmann-Gleichung: Von fundamentalem Verständnis zu wissensbasierter Prozesskontrolle

• Antragsteller: Professor Dr. Julian Schulze
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428942393

Kapazitiv gekoppelte Radio-Frequenz Niedertemperaturplasmen (CCP) werden massiv für eine Vielzahl von Anwendungen mit großer gesellschaftlicher Bedeutung eingesetzt. Diese reichen von Ätz- und Beschichtungsprozessen auf mikroskopischer Ebene bis hin zur Wundheilung und Krebsbehandlung. Trotzdem sind ihr grundlegenden Erzeugungsmechanismen, d.h. die orts- und zeitaufgelöste Elektronenheizungsdynamik, nicht verstanden. Diese Dynamik bestimmt jedoch die Ionisation und Dissoziation des Neutralgases, sowie die Ausbildung prozessrelevanter Energieverteilungsfunktionen verschiedener Teilchenspezies im Plasma. Daher werden industrielle Plasmaprozesse in der Regel empirisch und nicht basierend auf wissenschaftlichem Verständnis optimiert. Dies führt zu starken Einschränkungen der Prozesskontrolle.Verschiedene bestehende Modelle der Elektronenheizung in CCPs basieren auf starken Vereinfachungen des ersten Geschwindigkeitsmoments der Boltzmann-Gleichung. Diese beinhalten die Vernachlässigung der Elektronenträgheit, des Druckgradienten, die Annahme eines homogenen und harmonischen elektrischen Felds im Plasmabulk und eine vereinfachte Berücksichtigung von Stößen. Die klassischen Konzepte der ohmschen und stochastischen Heizung sind ein Resultat dieser Vereinfachungen. Aktuelle Arbeiten zeigen, dass diese Annahmen unter einer Vielzahl prozessrelevanter Bedingungen inkorrekt sind. Es wurde gezeigt, dass diese Modelle zu einem fundamental falschem Verständnis der Funktionsweise von CCPs führen und daher eine wissensbasierte Prozessoptimierung nicht ermöglichen. Stattdessen muss eine orts- und zeitaufgelöste Analyse des kompletten ersten Moments der Boltzmann-Gleichung basierend auf Eingangsparametern, die aus Particle in Cell Simulationen gewonnen werden, durchgeführt werden. In einer Einfrequenz-Entladung in Argon wurde nachgewiesen, dass diese Methode erstmalig ein vollständiges und korrektes Verständnis ermöglicht.In diesem Projekt soll diese sog. Boltzmann-Term-Methode systematisch auf die wichtigsten prozessrelevanten Bedingungen in CCPs angewendet werden, um ein fundamentales orts- und zeitaufgelöstes Verständnis der Elektronenheizungsdynamik zu erlangen. Einzel- und Mehrfrequenz CCPs (inkl. Voltage Waveform Tailoring) in elektropositiven und -negativen Gasen, sowie in reaktiven Gasmischungen sollen bei Neutralgasdrücken zwischen 0.5 Pa und Atmosphärendruck als Funktion der fundamentalen eingekoppelten Frequenz untersucht werden. Die theoretischen Ergebnisse sollen mit Experimenten verglichen werden. Ziel ist die Identifizierung spezifischer Heizmechanismen und ihrer Effekte auf die Elektronenenergieverteilungsfunktion (EEDF). Basierend auf diesem fundamentalen Verständnis sollen Konzepte zur EEDF-Kontrolle entwickelt werden. Letztlich sollen die bestehenden theoretischen Konzepte der Plasma-Leitfähigkeit/-Dielektrizitätskonstante, sowie des Stoßoperators, die ebenfalls auf diesen klassischen Annahmen basieren, kritisch untersucht und verbessert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Australien, Ungarn
• Kooperationspartner: Dr. Zoltan Donko; Dr. Trevor Lafleur