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

Bei der Plasmaimmersionsionenimplantation (PIII) handelt es sich um ein plasmatechnologisches Verfahren zur Implantation von Ionen in Oberflächen. Dabei wird das zu behandelnde Substrat in ein Plasma eingetaucht (Immersion) und dort mit kurzen negativen Hochspannungspulsen im Kilovolt-Bereich beaufschlagt, sodass sich während des Pulses durch die Verdrängung der Elektronen vor dem Substrat eine stark vergrößerte Plasmarandschicht ausbildet. Die Ionen werden in dieser Raumladungsschicht auf die Oberfläche beschleunigt und gewinnen dabei genug Energie für eine Implantation in die Festkörperoberfläche. Der Vorteil der PIII gegenüber der konventionellen Ionenimplantation mit Hilfe von Ionenstrahlquellen besteht insbesondere in der Möglichkeit, dreidimensionale, d.h. gekrümmte und verwinkelte, Oberflächen homogener zu behandeln, als dies mit einer Breitstrahlionenquelle möglich wäre. Somit kann PIII - in Kombination mit gleichzeitiger Beschichtung oder auch als reine Implantation - die Homogenität für komplexe, 3D-Bauteile prinzipiell verbessern. Für eine Optimierung der PIII ist eine möglichst vollständige Prozessdiagnostik notwendig. Das Ziel des Projekts ist die umfassende Charakterisierung der PIII-Randschichtdynamik bei zeitveränderlichen Randschichtspannungen mittels verschiedener, moderner Diagnostiken sowohl für kondensierende als auch nicht kondensierende Plasmen. Fundamentale Einblicke insbesondere in die bisher nicht oder wenig untersuchte Rückbildung der Randschicht bei Reduktion der Randschichtspannung sowie des Einflusses der Sekundärelektronen auf die Dynamik werden untersucht. Die Ergebnisse sollen bei der Verbesserung der Homogenität bei Ionenimplantation und ionengestützter Beschichtung eingesetzt werden. Zusätzlich zu den herkömmlichen Methoden (z.B. Strom-Spannungs-Charakteristika, Langmuir-Sondenmessungen etc.) sollen speziell nicht-konventionelle Methoden (z.B. Partikeldiagnostik, kalorimetrische Sonden etc.) verwendet werden.

• DFG Programme: Research Grants
• Major Instrumentation: Hochgeschwindigkeitskamera
• Instrumentation Group: 5430 Hochgeschwindigkeits-Kameras (ab 100 Bilder/Sek)