PT Unknown
AU Sode, M
TI Quantitative Beschreibung von Wasserstoff-Stickstoff-Argon-Mischplasmen
PY 2014
PU Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
WP https://macau.uni-kiel.de/receive/diss_mods_00014232
LA de
DE induktiv gekoppelte Plasmen; Wasserstoff-Stickstoff; Wasserstoff-Argon; Ratengleichungsmodell; Ionendichten; Plasmamonitor; Wandverlust; inductively-coupled plasmas; hydrogen-nitrogen; hydrogen-argon; rate equation modeling; ion densities; plasma monitor; wall loss
AB 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.
PI Kiel
ER