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