Quantitative Beschreibung von Wasserstoff-Stickstoff-Argon-Mischplasmen

Sode, Maik

In dieser Arbeit werden Speziesdichten in einem induktiv gekoppelten H2-Ar- und H2-N2-Ar- Plasma untersucht. Es werden die Ionendichten, die Radikalteilchendichten sowie die Dichten und Temperaturen der Hintergrundgasspezies - das sind stabile neutrale Spezies - sowie der Elektronen experimentell ermittelt. Herausfordernd sind bei der umfangreichen experimentellen Untersuchung der Dichten zwei Themen: Zum Einen die Bestimmung des Wandverlustes von Radikalteilchen und zum Anderen die Messung von Ionendichten. Zum Vergleich mit den experimentellen Daten werden die Dichten der Radikalteilchen und der Ionen mit einem Ratengleichungsmodell berechnet. Die Methodik wird zunächst am H2-Ar-Plasma mit seiner relativ übersichtlichen Plasmachemie ausgearbeitet und getestet. Anschließend werden die Methoden zur Anwendung auf das komplexere H2-N2-Ar-Plasma übertragen. Im H2-N2-Ar-Plasma wird durch plasmachemische Reaktionen die Hintergrundgasspezies NH3 gebildet. Die Produktion von NH3 sowie seine Auswirkung auf die Ionenchemie werden diskutiert. Quantitative Ergebnisse der im H2-Ar- bzw. H2-N2-Ar-Plasma vorkommenden Ionenspezies werden als Funktion des Gasmischungsanteils bei einem festen Druck von 1,0 bzw. 1,5 Pa bestimmt. Die Messungen der Ionenspezies werden mit einem Plasmamonitor (PM) durchgeführt. Dazu wird eine Methodik zur experimentellen Bestimmung der Ionendichten entwickelt, wobei die energie- und massenabhängige Transmission des Plasmamonitors sowie ein Randschichtund Dichteprofilmodell berücksichtigt werden. Die PM-Messungen zeigen, dass im reinen H2- Plasma H+3 und im H2-Ar-Mischplasma ArH+ in einem großen Parameterbereich die dominanten Ionenspezies sind. Im H2-N2-Ar-Mischplasma sind bei geringem N2-Anteil NH+3 und NH+4 die Ionenspezies mit dem größten Anteil an der Gesamtionendichte. Bei hohen N2-Anteilen ist N2H+ dominant. Weiterhin werden die Elektronentemperatur und die Elektronendichte mit einer Langmuirsonde sowie die Dichte des atomaren Wasserstoffs (bzw. H2-Dissoziationsgrad) und die Gastemperatur mit der optischen Emissionsspektrometrie gemessen. Dieser umfassende Satz an experimentell ermittelten Plasmaparametern stellt eine solide Basis an Eingangsdaten für ein nulldimensionales Ratengleichungsmodell dar. Im Ratengleichungsmodell ergeben sich diese Dichten durch Lösen von Ratengleichungen, welche die Reaktionen im Plasmavolumen und die Verluste der betrachteten Spezies zur Wand beschreiben. Die wichtigsten Eingangsparameter in das Modell sind die Elektronendichte und die Hintergrundgasdichten. Weiterhin werden die Wandverlustzeiten twrad der Radikalteilchen benötigt. Für den atomaren Wasserstoff wird die Wandverlustzeit aus dem gemessenen Dissoziationsgrad bestimmt. Für die Radikalteilchen N, NH und NH2 im H2-N2-Ar-Plasma wird twrad mit einem Diffusionsmodell berechnet, welches als Eingangsparameter die Oberflächenverlustwahrscheinlichkeit brad der Radikalteilchen benötigt. twrad wird für ausgewählte Plasmabedingungen mit der Ionisationsschwellenmassenspektrometrie (ITMS) im Afterglow gemessen. Für den atomaren Wasserstoff wird auch mit der ITMS-Methode die Wandverlustzeit aus Afterglow-Messungen bestimmt und mit den Werten, welche aus dem Dissoziationsgrad erhalten werden, verglichen. Aus den Afterglow-Messungen wird über das Diffusionsmodell zur Beschreibung der Wandverlustzeit ein bH von 0,44 für eine Edelstahloberfläche ermittelt. Schließlich werden die mit dem Ratengleichungsmodell erhaltenen Ionendichten mit den gemessenen Werten verglichen und diskutiert. Die Ionenchemie wird erklärt und es werden die Zusammenhänge zwischen den Ionen aufgezeigt. Dazu werden die wichtigsten Reaktionen, die zur Produktion und zum Verlust der häufigsten Ionenspezies führen, diskutiert. In den hier untersuchten Plasmen werden Primärionen, welche durch Elektronenstoßionisation produziert werden, effektiv in Sekundärionen umgewandelt, welche durch Ionen-Molekül-Reaktionen erzeugt werden. Insgesamt beschreibt das verwendete Modell die experimentellen Ergebnisse sowohl für das H2-Ar- als auch für das H2-N2-Ar-Plasma zufriedenstellend. Wichtige Merkmale wie die Abhängigkeit der Ionendichten vom Gasmischungsanteil und die dominanten Ionenspezies werden vom Modell gut wiedergegeben.

In this thesis species densities in inductively coupled H2-Ar and H2-N2-Ar plasmas are studied. Densities of ions and radicals as well as densities and temperatures of electrons and background gas species - these are stable neutrals - are determined experimentally. In this comprehensive experimental investigation two topics are challenging: On the one hand, the determination of the wall loss of radicals and, on the other hand, the measurement of ion densities. For comparison with the experimental data, the radical and ion densities are calculated using a rate equation model. The methods are first elaborated and tested on H2-Ar-plasmas with its relatively clear plasma chemistry. Subsequently, the methods are applied to the more complex H2-N2-Ar plasmas. In H2-N2-Ar plasmas the background gas species NH3 is produced by plasma chemical reactions. The production of NH3 as well as its effect on the ion chemistry are discussed. Quantitative results of the ion species occurring in the H2-Ar and H2-N2-Ar plasma are determined as function of different gas mixing ratios at a fixed total pressure of 1.0 and 1.5 Pa, respectively. The measurements of the ion species are carried out with a plasma monitor (PM). A method for the experimental determination of ion densities is elaborated taking into account the energy and mass-dependent transmission of the PM as well as a sheath and density model. The PM measurements show that for a pure H2 plasma H+ 3 and in the admixture with Ar ArH+ are by far the dominant ion species in a wide parameter range. In the H2-N2-Ar mixed plasma at low N2 fraction NH+3 und NH+4 are the ion densities with the highest fraction of the total ion density. For high N2 fraction N2H+ is dominant. Furthermore, the temperature and density of electrons as well as the density of atomic hydrogen (or H2 dissociation degree) and the gas temperature are measured with a Langmuir probe and optical emission spectroscopy, respectively. This comprehensive set of experimentally determined plasma parameters provides a solid basis of input data for a zero-dimensional rate equation model. Model densities result from rate equations which describe the reactions in the plasma volume and the losses of the considered species to the wall. The most important input parameters for the model are the density of the electrons and the background gas species. Furthermore, the wall loss times, twrad, of the radical densities are needed. For atomic hydrogen this wall loss time is determined by the measured dissociation degree. For the radical species N, NH and NH2 in the H2-N2-Ar plasma twrad is calculated by a diffusion model which requires the surface loss probability brad of the radicals. twrad is measured for selected plasma conditions with ionization threshold mass spectrometry (ITMS) in the afterglow. For atomic hydrogen the wall loss time is also determined by ITMS measurements and is compared with the values obtained from the dissociation degree. From afterglow measurements a value for bH of 0.44 for stainless steel surfaces is determined by applying a diffusion model. Finally, the ion densities obtained by the rate equation model are compared to the measured values. The ion chemistry and the correlations between the ions are explained. The most important reactions for production and loss of the most abundant ions are discussed. Primary ion species, which are produced by electron-impact reactions, are effectively converted into secondary ions which are produced by ion-molecule collisions. All in all, the used model describes the experimentally obtained results of both the H2-Ar as well as the H2-N2-Ar plasma reasonably well. Important features such as the dependence of the ion densities on the gas mixing ratio and the dominant ion species are reproduced well by the model.

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Sode, Maik: Quantitative Beschreibung von Wasserstoff-Stickstoff-Argon-Mischplasmen. 2014.

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