Modellierung des Gasmanagements in Mikrowellen-Plasmabrennergeometrien für die gezielte Einbringung von Partikeln und deren Verdampfung für chemische Hochrateprozesse
Final Report Abstract
Die im Mikrowellen-Plasmabrenner ablaufenden physikalischen Prozesse wurden zunächst in einzelne Teilaspekte zerlegt. Dazu wurden mehrere numerische Simulationsmodelle entwickelt, die dann schrittweise zu komplexeren Modellen verknüpft werden konnten. Begleitet wurde die Modellierung durch experimentelle Untersuchungen. Durch die Anpassung der Resonator-Geometrie auf die verwendete Mikrowellenfrequenz konnten zunächst die Bedingungen für eine zuverlässige Plasmazündung geschaffen werden, was einen unnötig hohen Verbrauch von Partikeln und Gas durch mögliche Fehlzündungen vermeidet. Zudem wurde gezeigt, dass die Verteilung und der Betrag des elektrischen Feldes im abgestimmten Plasmabrenner die Zündung und den kontinuierlichen Betrieb des Plasmas auch bei Atmosphärendruck erlauben. Für eine weitere Optimierung der Gasausnutzung wurde die kalte Gasströmung im Plasmabrenner berechnet. Es konnte gezeigt werden, wie durch eine Hüllströmung mit hohen Geschwindigkeiten an der Rohrwand der innere Strömungsbereich, und somit später das Plasma und die Partikel, eingeschlossen werden können. Variationen der Gaseinlässe und des Gasflusses ließen Rückschlüsse über die Ausdehnung des Einschlussbereiches in Richtung der Rohrachse zu. Diese Erkenntnisse führten zu einer Optimierung des Gasmanagements und einer Verringerung des Gasverbrauchs um den Faktor 4. Überraschend war jedoch eine durch einen Druckabfall auftretende Rückströmung des Gases hin zu den Gaseinlässen. Diese konnte mit Hilfe einer angepassten axialen Gaszuführung verhindert werden, was einer möglichen Destabilisierung des Plasmas entgegenwirkt. Neben der numerischen Modellierung der Prozesse im Plasmabrenner konnten mittels optischer Emissionsspektroskopie die Gas- und Elektronentemperatur sowie die Elektronendichte im Plasma experimentell bestimmt werden. Dabei ergab sich eine maximale Gastemperatur von 7000 K im Zentrum. Im gesamten Plasmabereich lag die Temperatur oberhalb des Siedepunktes von Silizium, womit die Bedingung für das Aufschmelzen und Verdampfen der Siliziumpartikel im Plasma erfüllt ist. Die maximale, gemessene Elektronentemperatur liegt bei 9000 K. Die experimentell bestimmten Elektronendichten liegen im Bereich von 10^19 m^-3. Eine erste numerische Kopplung von Plasma und Gasströmung erfolgte durch die Implementierung einer lokalen Wärmequelle in das Strömungsmodell. Der Vergleich der berechneten Temperaturprofile mit den experimentellen Werten zeigte bereits vergleichbare Maximaltemperaturen. Unterschiede in den Temperaturverläufen lassen sich auf die noch nicht berücksichtigten Plasmaeigenschaften zurückführen. Die Hüllströmung schließt das heiße Gas ein und hält es von der Rohrwand fern. Um auch die elektrischen Eigenschaften des Plasmas zu berücksichtigen, wurde das Modell zur Berechnung des elektrischen Feldes mit Hilfe des Drude-Modells erweitert. Dies erlaubte es, den Einfluss des Plasmas und dessen Elektronendichte auf die Feldverteilung zu untersuchen. Es zeigte sich, wie das Feld bei Dichten oberhalb der Cut-off-Dichte aus dem Plasmabereich verdrängt wird. Zur Vervollständigung des Plasmamodells, wurde das Drude-Modell um Bilanzgleichungen für die Elektronen, die schweren Teilchen und die Energie erweitert. Dazu kam ein Satz von Elementarreaktionen zur Beschreibung eines Argon-Plasmas bei einem Druck von 0,1 mbar und bei Atmosphärendruck. Die Simulation erlaubte es, die zeitliche Entwicklung von Elektronentemperatur und -dichte zu berechnen und zeigte, wie sich Letztere auf das Mikrowellenfeld auswirkt. Die maximalen Elektronendichten von 10^20 m^-3 sind mit den Messwerten aus der optischen Emissionsspektroskopie vergleichbar. Für eine erste numerische Beschreibung der im Experiment für die Schichtabscheidung verdampften Siliziumpartikel wurde die experimentell bestimmte Gastemperatur als Ausgangswert für die Berechnung eines Phasenübergangs vom festen zum flüssigen Zustand verwendet. Auf diese Weise ließen sich Aussagen über die Bewegung der Phasengrenze und das Schrumpfen des Partikels machen. Zukünftig sind weitere Verknüpfungen der numerischen Modelle denkbar. So kann durch eine Kopplung des erweiterten Plasmamodells mit der Gasströmung eine weitere Optimierung des Gasmanagements verfolgt werden.
Publications
- 16. Fachtagung für Plasmatechnologie (PT16), 18.2. - 20.2.2013 in Greifswald: „Simulation der elektrischen Feldverteilung und des Gasmanagements in einem Mikrowellen- Plasmabrenner“
Sandra Gaiser, Jochen Kopecki, Martina Leins, Andreas Schulz, Matthias Walker, Thomas Hirth
- DPG-Frühjahrstagung, 25.2. - 1.3.2013 in Jena: „Numerische Simulation des Gasmanagements und der elektrischen Feldverteilung in einem Mikrowellen-Plasmabrenner“
Sandra Gaiser, Jochen Kopecki, Martina Leins, Andreas Schulz, Matthias Walker, Thomas Hirth
- 14th International Conference on Plasma Surface Engineering, 15.9. - 19.9.2014 in Garmisch- Partenkirchen: „Numerical Simulations of an Atmospheric Pressure Microwave Plasma Torch”
Sandra Gaiser, Martina Leins, Andreas Schulz, Matthias Walker, Thomas Hirth
- DPG-Frühjahrstagung, 17.3. - 21.3.2014 in Berlin: „Numerische Simulation von kalten und heißen Gasströmungen in einem Mikrowellen-Plasmabrenner“
Sandra Gaiser, Martina Leins, Andreas Schulz, Matthias Walker, Thomas Hirth
- International Conference on Plasma Surface Engineering, 15.9. - 19.9.2014 in Garmisch-Partenkirchen: „Simulation and Modelling of Atmospheric Pressure Plasmas for Thin Film Deposition Processes”
Martina Leins, Sandra Gaiser, Markus Becker, Rüdiger Foest, Detlef Loffhagen, Jens Philipp, Claus-Peter Klages, Gerrit Mäder, Julius Roch, Eckhard Beyer, Thomas Hirth
- 17. Fachtagung für Plasmatechnologie (PT17), 23.2. - 25.2.2015 in Kiel: „Numerische Modellierung eines Mikrowellen-Plasmabrenners bei Atmosphärendruck“ (erster Preis als bestes Poster)
Sandra Gaiser, Martina Leins, Andreas Schulz, Matthias Walker, Thomas Hirth
- 22nd International Symposium on Plasma Chemistry (ISPC 22), 6.7. - 10.7.2015 in Antwerpen (Belgien): „Numerical Simulations of a Microwave Plasma Torch at Atmospheric Pressure”
Sandra Gaiser, Martina Leins, Andreas Schulz, Matthias Walker, Thomas Hirth
- DPG-Frühjahrstagung, 2.3. - 5.3.2015 in Bochum: „Modellierung von Atmosphärendruck-Plasmaprozessen für die Abscheidung dünner Schichten“
Martina Leins, Sandra Gaiser, Matthias Walker, Jens Philipp, Claus-Peter Klages, Markus Becker, Rüdiger Foest, Detlef Loffhagen, Julius Roch, Gerrit Mäder, Eckhard Beyer, Thomas Hirth
- Fachtagung für Plasmatechnologie (PT17), 23.2. - 25.2.2015 in Kiel: „Simulation und Modellierung von Atmosphärendruck-Plasmen für die Schichtabscheidung“
Martina Leins, Sandra Gaiser, Matthias Walker, Jens Philipp, Claus-Peter Klages, Markus Becker, Rüdiger Foest, Detlef Loffhagen, Julius Roch, Gerrit Mäder, Eckhard Beyer, Thomas Hirth
- Journal of Visualized Experiments (JoVE), 2015: „How to Ignite an Atmospheric Pressure Microwave Plasma Torch without any Additional Igniters“
Martina Leins, Sandra Gaiser, Matthias Walker, Andreas Schulz, Uwe Schumacher, Thomas Hirth
(See online at https://doi.org/10.3791/52816)
