Grundlagen der Reaktionskinetik von schichtbildenden Atmosphärendruckplasmen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt hatte die Analyse der Reaktionskinetik von transienten Spezies und stabilen Molekülen bei der Dissoziation siliziumorganischer Moleküle, die bei der Anwendung eines nichtthermischen Atmosphärendruck-HF-Kapillarjetplasmas zur Erzeugung siliziumhaltiger Oxidschichten auf einem Substrat führen, zum Gegenstand. Es war Teil des DFG-AiF-Clusters “OGAPLAS – Optimierung der Gasausnutzung bei Atmosphärendruck-Plasmaprozessen”. Ziel war das bessere Verständnis der im Plasma und bei der Schichtbildung ablaufenden Reaktionskinetik. Die Untersuchungen erfolgten mittels experimenteller Erfassung der plasmachemischen Prozesse lokal wirkender modulierter Atmosphärendruckplasmen und der Analyse wesentlicher molekularer Reaktionsbestandteile, um die Gasphasen- und Oberflächenreaktionen bilanzieren zu können. Auf der Basis dieser Erkenntnisse wird eine optimierte und effiziente Präkursorausnutzung sowohl bei der Prozessentwicklung als auch bei der Prozessdurchführung angestrebt. Als exemplarisches System, an welchem die Untersuchungen durchgeführt wurden, ist hierbei die lokale Abscheidung von SiO2-Schichten mittels des Atmosphärendruckplasmas eines nichtthermischen Argon-Plasmajets (nt-APPJ) mit Hexamethyldisiloxan (HMDSO) als Präkursorgas unter Zumischung von Argon gewählt worden. Es wurden die plasmachemischen Prozesse sowohl im Primärplasma als auch im Effluenten unmittelbar vor der zu behandelnden Oberfläche untersucht. Die experimentelle Bestimmung relevanter Plasmaparameter, wie die absolute Konzentration von Radikalen und stabilen Molekülen sowie der Neutralgastemperatur, erfolgte vorzugsweise unter Einsatz der Infrarot-Absorptionsspektroskopie. Die wesentliche Methode zur Untersuchung der Reaktionskinetik der schichtbildenden Atmosphärendruckplasmen beruhte auf einer molekularen Multi-Komponenten- Diagnostik unter Anwendung der Laserspektroskopie beziehungsweise der Fourier- Transformations-Infrarot (FTIR) Spektroskopie. Eine ortsaufgelöste Untersuchung des ausströmenden Plasmas des nt-APPJ wurde angestrebt. Aufgrund der typischerweise sehr kleinen Volumina der von Atmosphärendruck-Plasmaquellen erzeugten Plasmen war die Entwicklung neuer Diagnostikverfahren zur Erreichung sehr hoher Sensitivitäten in einem kleinen Gasvolumen ein wichtiger Bestandteil des Projektes. Die gewählte methodische Herangehensweise war die resonatorbasierte Absorptionsspektroskopie, wie die Cavity- Enhanced Absorption Spectroscopy (CEAS). Als Strahlungsquellen wurden hierbei kontinuierlich emittierende Quantenkaskadenlaser (cw-QCL) und External-Cavity-QCL (EC-QCL) eingesetzt. Mit der dadurch erreichten signifikanten Steigerung der Absorptionslänge konnten Konzentrationen von relevanten Prozessspezies ortsaufgelöst gerade in den räumlich sehr begrenzten Atmosphärendruckplasmen bestimmt werden. Zur weiteren Bestimmung der Reaktionskinetik im Effluenten des Plasmajets wurden Konzentrationsmessungen von Kohlenwasserstoffen, welche durch Dissoziation des Präkursors HMDSO entstehen, in Abhängigkeit wichtiger Prozessparameter durchgeführt. Dazu wurde das Mehrkomponenten-Infrarot-Absorptionsspektroskopie-System IRMA gekoppelt mit einer optischen Langwegzelle zur Identifizierung wesentlicher molekularer Komponenten im Effluenten des frei ausströmenden Plasmajets eingesetzt und die Konzentrationen verschiedener Kohlenwasserstoffspezies bestimmt. Im Vergleich dieser Ergebnisse mit der Analyse von SiO2-Schichten, welche unter gleichen Prozessbedingungen abgeschieden wurden, konnte eine Korrelation zwischen der CH4-Teilchendichte in der Gasphase und dem Si-CH3 Gehalt in der Schicht gefunden werden. Mit dieser Korrelation ist die Kontrolle von Abscheidungsprozessen mit gezielten Schichteigenschaften möglich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Sensitive trace gas detection with cavity enhanced absorption spectroscopy using a continuous wave external-cavity quantum cascade laser, Appl. Phys. Lett. 103, 131114 (2013)
J. H. van Helden, N. Lang, U. Macherius, H. Zimmermann, and J. Röpcke
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4823545) - Applying infrared absorption techniques to study the plasma chemistry of a non-thermal atmospheric pressure plasma jet used for the deposition of SiO2 thin films, Proc. 14th International Symposium on High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry, Zinnowitz, Germany, P1-02-16 (2014)
J. H. van Helden, M. Hübner, N. Lang, J. Schäfer, and J. Röpcke
