Investigations of the dynamics of rapidly changing plasma sheaths during plasma immersion ion implantation using non-conventional diagnostics

• Applicants: Professor Dr. Holger Kersten; Privatdozent Dr. Stephan Mändl
• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas ; Coating and Surface Technology
• Term: from 2014 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 255310609

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Das Ziel des DFG-Projekts war eine möglichst umfassende Charakterisierung der PIII-Randschichtdynamik bei zeitveränderlichen Randschichtspannungen mittels verschiedener, innovativen und nicht-konventionellen Diagnostiken sowohl für kondensierende als auch für nicht kondensierende Plasmen. Ein Schwerpunkt war die Analytik der bei den Hochspannungspulsen ausgelösten Partikeln: Sekundärelektronen und zerstäubte Atome. Hier wurde festgestellt, dass in dem verwendeten Plasma schon ab 3 – 5 kV Pulsspannung eine Sättigung der Energieabgabe der in der Randschicht beschleunigten Sekundärelektronen stattfindet. Somit ist die vermutete Erhöhung der Plasmadichte durch diesen zusätzlichen Energieeintrag fast vernachlässigbar. Jedoch konnte bei den Messungen mittels passiver Thermosonde gezeigt werden, dass dies eine ideale Methode ist, um dynamische Veränderungen der Sekundärelektronenausbeute während des Ionenbeschusses zu verfolgen. Die PIII kann hier als Modellexperiment für Magnetronentladungen oder HiPIMS-Prozesse dienen. Zusätzlich sollen sich in Zukunft Experimente mit isolierenden Polymeren anschließen, da hier die Sekundärelektronenausbeute ebenfalls noch weitestgehend unbekannt ist und mit anderen Methoden nur schwer zugänglich ist. Hier wurden im Projekt bedeutende Erkenntnisse gewonnen, die zukünftig vertieft und angewendet werden sollen. Der Nachweis der zerstäubten Atome mittels zeitaufgelöster OES war erfolgreich. Jedoch ist die Emission aber eine Faltung zwischen Anregungsfunktion und lokaler Dichte. Die Thermalisierung der durch Sekundärelektronen eingebrachten, zeitabhängigen Energie auf einer Zeitskala von 50 – 100 µs überlagert die Zerstäubung der Atome in den 15 µs kurzen Pulsen vollkommen. Die Thermalisierung ist ebenfalls an der zeitabhängigen Intensität der optischen Emission der Spektrallinien sichtbar, die im statischen Plasma mit den gleichen Intensitätsverhältnissen wie während der zeitabhängigen Erhöhung beobachtet werden. Der Vergleich mit publizierten Wechselwirkungsquerschnitten im Energiebereich von 1 – 10 keV bestätigt diese Arbeitshypothese. PIII kann nicht verwendet werden, um über die Oberflächenzerstäubung die Veränderung der Substratchemie zu verfolgen. Orts- und zeitaufgelöste Stromdichtemessungen bei der Metall-PIII wo die über die Randschichtausdehnung gesteuerte lokale Teilchenflussdichte von der vom Auftreffwinkel abhängigen Zerstäubungsausbeute dominiert wird, waren ebenfalls erfolgreich. Jedoch hat sich während der Projektlaufzeit gezeigt, dass die Metall-PIII im Vergleich zu anderen Beschichtungsverfahren – unter anderem wegen der Kanteneffekte – an Bedeutung verloren hat. Es wird zurzeit geprüft, ob die entwickelte Technologie zur berührungsfreien ortsaufgelösten Strommessung bei Magnetronentladungen am Target oder auch am Substrat eingesetzt werden können. Partikelmessungen in der Randschicht während der schnell veränderlich Spannungspulse zur direkten Verfolgung der Randschichtexpansion und –relaxation wurden versucht, konnten aber in der Projektlaufzeit bisher nicht mit den gewünschten Ergebnissen realisiert werden.

Publications

• (2018) Dynamic determination of secondary electron emission using a calorimetric probe in a plasma immersion ion implantation experiment. Plasma Sources Sci. Technol. (Plasma Sources Science and Technology) 27 (4) 044003
  Haase, Fabian; Manova, Darina; Hirsch, Dietmar; Mändl, Stephan; Kersten, Holger
  
• Changing secondary electron emission during PIII processing, PSE-2016, Garmisch-Partenkirchen, September 2016, P4085
  Haase, F., Manova, D., Mändl, S., Kersten, H.
  
• Evidence of Secondary Electron Emission during PIII Pulses as Measured by Calorimetric Probe, Eur. Phys. J. D 70 (2016) 186
  F. Haase, D. Manova, H. Kersten, S. Mändl
  
• Investigations of Dynamic Effects in Plasma Immersion Ion Implantation using Calorimetric Probe and High Speed Camera Measurements, PSE-2016, Garmisch-Partenkirchen, September 2016, P4010
  Haase, F., Manova, D., Mändl, S., Kersten, H.
  
• Calorimetric study of secondary electrons in sputtering and nitriding PIII processes, 8th Int. Conf. on Fundamentals and Ind. Appl. of HiPIMS, Braunschweig, Juni 2017, 27
  Haase, F., Manova, D., Mändl, S., Kersten, H.
  
• Calorimetric study of secondary electrons in sputtering and nitriding PIII processes, PT-18, Göttingen, Februar 2017, 51
  Haase, F., Manova, D., Mändl, S., Kersten, H.
  
• Plasma characterization in reactive sputtering processes of Ti in Ar/O2 mixtures operated in metal, transition and poisoned modes: a comparison between direct current and high-power impulse magnetron discharges, Eur. Phys. J. D 71 (2017) 245
  Haase, F., Kersten, H., Lundin, D.
  
• Untersuchungen zur Dynamik schnell-veränderlicher Plasmarandschichten bei der Plasma-Immersions-Ionenimplantation mittels nicht-konventioneller Diagnostik, Proc. 3rd Int. Workshop ‘Diagnostic Systems for plasma processes‘, Lichtenwalde, Germany, 26.09. (2017) 29-42
  S. Mändl