Die Impedanzsonde: Ein mögliches industrietaugliches Messinstrument in metallisch beschichtenden Plasmen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jens Oberrath
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 444843785

Eine weitere Verbesserung von Produkten, die mit Plasmaprozessen hergestellt werden, wird immer anspruchsvoller. Eine vielversprechende Möglichkeit ist die aktive Überwachung solcher Prozesse oder sogar deren Regelung. Dies erfordert allerdings ein industrietaugliches Messverfahren, das die inneren Zustandsgrößen des Plasmas (Elektronendichte und -temperatur) messen kann ohne signifikant zu stören. Eine geeignete Methode ist die aktive Plasmaresonanzspektroskopie, bei der das Plasma mit einem hochfrequenten Signale über eine Sonde zur Resonanz angeregt wird. Eine Vielzahl verschiedener Sondenbauformen wurde dafür entworfen, aber in metallisch beschichtenden Plasmen sind besondere Anforderungen zu erfüllen. Ein guter Kandidat für derartige Plasmen könnte die Impedanzsonde (IP) sein, die in diesem Projekt ausführlich untersucht werden soll. Im ersten Teil des Projektes steht die sphärische IP (sIP) im Fokus. Mit ihr kann man sowohl die Spektren der Admittanz als auch der Impedanz messen, in denen jeweils eine ausgeprägte Resonanz auftritt. Somit kann man aus zwei gemessenen Resonanzen mit Hilfe möglichst einfacher Modelle simultan zwei Plasmaparameter bestimmen: Die Elektronendichte und –temperatur. Ein einfaches Modell der Impedanzresonanz ist aber schwierig zu formulieren, weil es sich dabei um ein lokales Phänomen handelt, das im Niederdruck nur mit einem kinetischen Modell beschrieben werden kann. Ein derartiges Modell existiert bereits und soll ausführlich analysiert werden, um den kinetischen Einfluss auf das Resonanzverhalten zu verstehen. Die zugehörige Dämpfung ist als Herlofsonparadox bekannt geworden und bis heute nicht vollständig verstanden. Darüber hinaus basieren alle Modelle, zur Auswertung der Resonanzen auf Vereinfachungen: Sie sind geometrisch idealisiert (Vernachlässigung einer Halterung) und elektrostatisch approximiert. Beide Vereinfachungen sollen in diesem Projekt mit 3D elektromagnetischen Simulationen validiert werden. Nachdem das Resonanzverhalten der sphärischen IP vollständig verstanden ist, soll eine planare Version, die in die Reaktorwand integriert werden kann, untersucht werden. Eine solche planare IP (pIP) existiert bis jetzt noch nicht. Daher soll vorerst theoretisch gezeigt werden, dass diese Bauform für die Messung von Plasmaparametern geeignet ist. Dazu muss ein kinetisches Modell in der Geometrie der pIP hergeleitet werden. Eine Resonanz der Admittanz wird voraussichtlich gut zu detektieren sein und auch ein einfacher Zusammenhang zur Elektronendichte ist zu erwarten. Das lokale Resonanzverhalten der Impedanz könnte jedoch schwieriger sein. Es muss gezeigt werden, ob sich eine eindeutige Resonanz ausbildet und ob sich diese auch mit Hilfe des vereinfachten kinetischen Modells beschreiben lässt. Außerdem sind auch bei der pIP die Vereinfachungen mit 3D elektromagnetischen Simulationen zu validieren, damit eine spätere Verwendung der Sonde zur Messung gerechtfertigt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Peter Awakowicz; Dr. David Blackwell; David Walker