µPLASMA

Abb. 1: µPLASMA
Abb. 2: Partikeleinfang
Abb. 3: Partikelmanipulation

µPLASMA (microParticles in a Discharge with Laser Assisted Manipulation) (Abb. 1) ist ein Experiment, in dem Mikropartikel mit einer sogenannten Laserfalle oder Laserpinzette eingefangen und manipuliert werden und so zu diagnostischen Zwecken eingesetzt werden. µPLASMA besteht aus einem zylindrischen Rezipienten (Fa. Roth & Rau, MicroSys 350) mit einem Durchmesser von 350 mm, der aus chemisch resistentem Edelstahl mit sandgestrahlter Oberfläche hergestellt wurde. Das Pumpsystem ist für das Volumen des Rezipienten und die entsprechenden Prozessanforderungen konfiguriert. Im Boden der Prozesskammer ist ein in der Höhe verstellbarer Substrathalter eingebaut, der gleichzeitig als gespeiste HF-Substratelektrode dient, biasfähig ist und eine Substratkühlung ermöglicht. Die im Kammermantel und -deckel angebrachten Flansche dienen dem Anschluss von Prozess-, Spül- und Belüftungsgasen sowie der Druckmessung, der Prozesskontrolle, der Beobachtung und dem Anschluss von optischen Messsystemen. Die eingesetzte HF-Plasmaquelle arbeitet mit einer Generatorfrequenz von 13,56 MHz und wird über ein HF-Anpassnetzwerk von einer entsprechenden Stromversorgung gespeist. Zusätzlich kann die Quelle mit einer zweiten Frequenz (27,12 MHz) betrieben werden, wodurch der elektrische Asymmetrieeffekt (EAE) auftritt und studiert werden kann.
µPLASMA wird in unserer Arbeitsgruppe zum Partikeleinfang (Abb. 2) und zur Partikelmanipulation verwendet (Abb. 3). Micropartikel (SiO2, ~7µm Durchmesser) werden mit Hilfe eines Staubdispensors in das Plasma eingebracht und durch das Plasma elektrisch aufgeladen. Die nun geladenen Partikel schweben aufgrund eines Kräftegleichgewichtes in der Plasmarandschicht. Um die Partikel sichtbar zu machen, werden sie mit einem Laser (650nm) beleuchtet.
Mit einem optischen System aus Linsen und Spiegeln wird ein Infrarotlaser (1070nm) zum Einfang der Partikel benutzt. Dabei wird der Impulsübertag durch das Ablenken von Photonen am Partikel ausgenutzt (optische Falle) und so diese Mikrosonde gegen die äußeren Kräfte (z.B. Schwerkraft oder elektrostatische Kräfte im Plasma) zur Levitation gebracht. Durch das Absenken oder Anheben der HF-Elektrode können so Mikropartikel beispielsweise in die Plasmarandschicht oder in den Blasmabulk eingebracht werden. Dabei wirkt die optische Pinzette wie eine Art Sprungfeder, so dass durch die Auslenkung des Partikels aus der Gleichgewichtsposition eine Rückstellkraft (Hookesches Gesetz) wirkt, die gleich der extern wirkenden Kraft ist. Sie wird aus der "Federkonstanten" der Laserfalle und der Partikelauslenkung bestimmt.

Zusätzliche Elemente, wie eine UV-Lampe oder ein Plattenkondensator ermöglichen es, die Partikelladung außerhalb des Plasmas zu verändern und zu studieren.

Publikationen

V. Schneider, H. Kersten On the use of optically trapped dust particles as micro-probes in process plasmas. Problems of Atomic Science and Technology (PAST) . 1, 164-167 (2013).
V. Schneider, H. Kersten An optical trapping system for particle probes in plasma diagnostics. Review of Scientific Instruments. 89, 103505 (2018).
µPLASMA
Titel µPLASMA
Untertitel Partikelmanipulation in der Plasmarandschicht mit einer Laserpinzette
Labor Rotes Labor
Mitarbeiter
Dipl.-Phys. Viktor Schneider