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Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Kontrolle der Eigenschaften von kapazitiv gekoppelten Plasmen über den Elektrischen Asymmetrie-Effekt (EAE). Der Hauptteil besteht aus der Untersuchung von elektrisch asymmetrischen Wasserstoff- bzw. prozessrelevanten Wasserstoff-Silan-Plasmen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass ein Wechsel des Elektronen-Heizungsmodus stattfindet. Ein analytisches Modell beschreibt die Leistungseinkopplung unter Silanbeimischung. Mit dem EAE lässt sich der Einfluss von Stehwelleneffekten kompensieren und die Homogenität des Ionenflusses auf die Elektroden deutlich verbessern. Der DC self-bias, die Randschichtspannungen und damit die Energie der Ionen lassen sich ebenfalls über den EAE kontrollieren. Außerdem wird in Experiment und Modell gezeigt, wie sich die Verteilung von Staubteilchen in Argon-Plasmen mit dem EAE gezielt manipulieren lässt. Ferner wird dargestellt, wie der EAE in schwach elektronegativen Sauerstoff-Plasmen genutzt werden kann. This work is about the control of the properties of capacitively coupled plasmas via the Electrical Asymmetry Effect (EAE). The main part deals with the investigation of electrically asymmetric hydrogen plasmas or process relevant hydrogen silane plasmas. The experimental results show that the dominant electron heating mode changes. An analytical model describes the power dissipation if silane is admixed. Using the EAE, the influence of standing waves at higher applied frequencies can be compensated and the ion flux homogeneity onto the electrodes is significantly improved. The DC self-bias, the sheath voltages, and, accordingly, the ion energy is controlled via the EAE. Moreover, the distribution of dust particles injected into argon plasmas can be manipulated via the EAE, as it is shown experimentally and by a model. Further, it is demonstrated how the EAE can be used in weakly electronegative oxygen plasmas.

Low pressure discharges with indium halides as radiator are discussed as substitutes for hazardous mercury in conventional fluorescent lamps. In this work, the applicability of InBr and InCl in a low pressure discharge light source is investigated. The aim is to identify and understand the physical processes which determine the discharge characteristics and the efficiency of the generated near-UV emission of the indium halide molecule and of the indium atom which is created due to dissociation processes in the plasma. As discharge vessels sealed cylindrical quartz glass tubes which contain a defined amount of indium halide and a rare gas are used. Preliminary investigations showed that for a controlled variation of the indium halide density a well-defined cold spot setup is mandatory. This was realized in the utilized experimental setup. The use of metal halides raises the issue, that power coupling by internal electrodes is not possible as the electrodes would quickly be eroded by the halides. The comparison of inductive and capacitive RF-coupling with external electrodes revealed that inductively coupled discharges provide higher light output and much better long term stability. Therefore, all investigations are carried out using inductive RF-coupling. The diagnostic methods optical emission and white light absorption spectroscopy are applied. As the effects of absorption-signal saturation and reabsorption of emitted radiation within the plasma volume could lead to an underestimation of the determined population densities by orders of magnitude, these effects are considered in the data evaluation. In order to determine the electron temperature and the electron density from spectroscopic measurements, an extended corona model as population model of the indium atom has been set up. A simulation of the molecular emission spectra has been implemented to investigate the rovibrational population processes of the indium halide molecules. The impact of the cold spot temperature, the RF-power and the background gas type on the discharge characteristics is investigated for rare gas plasmas containing InBr or InCl. Varying the cold spot temperature yields a maximum efficiency around 210 to 230 degrees centigrade. At low cold spot temperatures the efficiency drops due to a too low indium halide density whereas reabsorption of emitted indium halide and indium photons limits the efficiency at high cold spot temperatures. Reducing the RF-power increases the discharge efficiency as the effect of reabsorption of the generated radiation is reduced. The utilized background gas does not influence the maximum efficiency as the discharge characteristics is solely determined by indium in the relevant cold spot temperature range. As reabsorption effects of the indium radiation are smaller with InCl, the highest efficiency of 24 per cent was obtained at a cold spot temperature of 230 degrees centigrade (40 W power, discharge vessel filled with 1 mbar argon and 1.5 mg InCl). The potential of a low pressure indium halide discharge light source has been demonstrated by simulating the application of phosphors which yields an efficacy of about 60 lm/W. The feasibility of applying low pressure indium halide discharges for lighting purposes has been discussed by outlining a lamp prototype.

Bibliographische Beschreibung und Referat Dani, Ines "ECR-Plasmadiagnostik im System Ar-H2-N2-TMS und Charakterisierung der entstehenden SiCxNy:H-Schichten" Technische Universität Chemnitz, Institut für Physik, Dissertation, 2002 (102 Seiten, 62 Abbildungen, 17 Tabellen, 74 Literaturstellen) In den letzten Jahren wurde im Rahmen der Entwicklung neuartiger Hartstoffschichten verstärkt das System Si-C-N untersucht. Das am häufigsten zur Herstellung genutzte Verfahren ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Plasmagestützte CVD-Verfahren bieten die Möglichkeit, auch bei geringen Substrattemperaturen Schichten mit guten mechanischen Eigenschaften herzustellen. Der Abscheideprozess ist jedoch sehr komplex und bis heute nicht vollständig verstanden. Eine Optimierung erfolgt daher meist nach dem trial-and-error-Prinzip, was aber durch die Vielzahl an frei wählbaren Parametern sehr zeitaufwendig ist. Der Zusammenhang zwischen äußeren, regelbaren Parametern und inneren Entladungsparametern ist die Grundlage für ein besseres Verständnis der Plasmachemie und der Schichtwachstumsprozesse in einem molekularem Nichtgleichgewichtsplasma. Da beschichtende Plasmen besonders hohe Anforderungen an die verwendeten Diagnostikverfahren stellen, ist es in den meisten Fällen nicht möglich, die primär für die Schichtbildung interessanten Teilchen zu beobachten. Nur aus der Kombination sich ergänzender Verfahren können elementare Prozesse der Schichtbildung bestimmt werden. Aus ihrer Kenntnis ergibt sich die Möglichkeit einer gezielten Beeinflussung von Schichteigenschaften auf der Basis physikalisch relevanter Größen. In dieser Arbeit wird die Herstellung von amorphen SiCxNy:H-Schichten mit einem ECR-plasmagestützten CVD-Verfahren untersucht. Als Precursor wird dabei Tetramethylsilan (TMS) genutzt. Das vorrangig zur Bestimmung von Teilchenzahldichten eingesetzte Verfahren ist die optische Emissionsspektroskopie. Eine Weiterentwicklung der Aktinometrie ermöglicht die Bestimmung absoluter Teilchenzahldichten unter Beschichtungsbedingungen. Unter Zugrundelegung des Korona-Modells und der Nutzung publizierter Ratenkoeffizienten werden die Grundzustandsdichten von atomarem Wasserstoff, CH und Silicium berechnet. Die Überprüfung der Methode anhand von Argon zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen den optisch bestimmten und den gaskinetisch berechneten Teilchenzahldichten. Die Verfälschung der berechneten Teilchenzahldichten durch dissoziative Anregung von H durch H2 ist in einem Plasma mit H2-Zugabe nicht zu vernachlässigen. Dagegen ist der Einfluss dissoziativer Anregung aus TMS auf H, CH und Si sehr gering. Die Teilchenzahldichten von Si und CH sind bei konstantem TMS-Fluss von der Elektronendichte abhängig, bei steigendem TMS-Fluss kommt es in Abhängigkeit von der jeweiligen Elektronendichte zu einer Sättigung. Die Teilchenzahldichte von atomarem Wasserstoff steigt linear mit dem TMS-Fluss. Eine Abscheidung mit hoher Rate ist nur durch Si-haltige Precursorfragmente mit kleinen Massenzahlen möglich. Als Maß für die Entstehung dieser Fragmente können die Teilchenzahldichten von Si bzw. CH genutzt werden.

Die lokale elektrische Feldstärke \mathbf{E}, definiert als die Kraft \mathbf{F} auf eine positive Probeladung q gemäß \mathbf{F}=q\mathbf{E} mit der SI-Einheit \left[ \frac{V}{m}\right] , ist ein Schlüsselparameter bei der Diagnostik von Plasmen. Da es sich bei der elektrischen Feldstärke um eine vektorielle Größe handelt, interessieren für die Kinetik der geladenen Teilchen im Kathodenfall einer DC-Glimmentladung sowohl der Betrag als auch die Richtung. Das korrekte Wissen über diese Größe ist für plasmagestützte Verfahren in der Industrie relevant, da sich Theorie und Experiment nach wie vor unterscheiden. Energieniveaus von Atomen spalten in Gegenwart eines elektrischen Feldes auf. Man nennt diesen Effekt den Stark-Effekt. Die quantenmechanische Theorie des Wasserstoff\-atoms ermöglicht unter Berücksichtigung der Feinstruktur, den Stark-Effekt hinsichtlich der Feinstrukturaufspaltungen und der Komponentenintensitäten zu berechnen. Aus dem Vergleich zwischen der quantenmechanischen Theorie und der Messung läßt sich die elektrische Feldstärke ableiten. Dieser Parameter kann im Kathodenfall einer Glimmentladung u. a. mit Hilfe optogalvanischer Spektroskopie, bei der sich der elektrische Widerstand bei resonanter Einstrahlung von Licht ändert, bestimmt werden. Die Übergangswellenlänge von H_{\alpha } (656.29\, nm) ist mit Diodenlasern zugänglich. Mit einem durchstimmbaren Laser lassen sich deswegen relativ einfach Doppler-verbreiterte Spektren aufnehmen. Nach meinen Recherchen sind bisher keine feldabhängigen Wasserstoffspektren auf direkte Weise im Kathodenfall gemessen worden. In diesem Sinne handelt es sich hier also um ein neues Verfahren zur Bestimmung der elektrischen Feldstärke in Niederdruckgasentladungen. Im Rahmen dieser Dissertation habe ich ein leistungsfähiges Laserdiodenspektrometer entwickelt, das in Verbindung mit der quantenmechanischen Theorie die lokal gemittelte elektrische Feldstärke im Kathodenfall einer Glimmentladung zugänglich macht. Dabei wird eine kleine entspiegelte Laserdiode an ein externes Gitter in sogenannter Littrowkonfiguration gekoppelt. Durch mechanische Rotation des Gitters kann die Wellenlänge des kontinuierlich betriebenen, schmalbandigen Lasers modensprungfrei verändert werden. Mit Hilfe eines gleichzeitig mit dem Gitter rotierenden Spiegels gelingt die ortsfeste Auskopplung des Laserstrahls. Diese Innovation dürfte den Littrowlaser auch wieder für die Umwelttechnologie und die Medizintechnik interessant machen.

Die Abscheidung dünner Schichten mit Hilfe von plasmagestützten Verfahren hat in den letzten Jahrzehnten als Technik zur Oberflächenveredelung und zur Herstellung funktioneller Schichten stark an Bedeutung gewonnen. Die Nichtgleichgewichtsbedingungen im Entladungsraum und an der Oberfläche der wachsenden Schicht ermöglichen die Synthese neuartiger Materialien. Dazu gehören Hartstoffschichten, unter denen das kubische Bornitrid derzeit Gegenstand intensiver weltweiter Forschung ist. Der Abscheideprozeß ist außerordentlich komplex und daher bis heute nicht im Detail verstanden. Eine Optimierung erfolgt daher häufig über zeitaufwendige Trial-and-Error-Methoden. Mit Hilfe der Plasmadiagnostik sind elementare Prozesse und Teilchen bestimmbar, die Aussagen über die Teilchenströme am Ort des Schichtwachstums gestatten. Damit ergibt sich die Möglichkeit der gezielten Beeinflussung und Steuerung der Schichtabscheidung. In der vorliegenden Arbeit wird die zur Herstellung von kubischen Bornitridschichten genutzte Magnetronentladung untersucht. Dabei werden mit der LANGMUIR-Sonde, der optischen Emissionsspektroskopie und der laserinduzierten Fluoreszenz drei plasmadiagnsotische Verfahren kombiniert eingesetzt. Basis der Charakterisierung des Abscheidprozesses sind Untersuchungen zu elementaren Vorgängen in der Entladung. Dabei kann ein starker Einfluß des verwendeten Arbeitsgases (Ar + N2) auf die Anregung und Ionisation der abgestäubten Boratome beobachtet werden. Weiterhin wird ein Einfluß metastabil angeregter Argonatome auf die Anregung der Stickstoffmoleküle und höher angeregter Argonzustände festgestellt. Räumlich aufgelöste LANGMUIR-Sondenmessungen zeigen eine starke Erhöhung und Inhomogenität der Ladungsträgerdichte im Bereich vor dem Substrat, die auf ein unbalanciertes Magnetron schließen lassen. Aufbauend auf den plasmadiagnostischen Messungen wird die Abscheidung der Bornitridschichten beschrieben. Dabei wird besonders auf die Teilchenströme, die auf das Substrat treffen, eingegangen. Aus dem Ionenstrom und dem Strom der Boratome auf das Substrat erfolgt die Einführung eines Skalierungsparameters, welcher die Bildung der kubischen Phase des Bornitrids beschreibt. Seine Abhängigkeit von externen Prozeßparametern wird untersucht.