Plasma- and ion beam sources

Breitstrahlionenquellen sind ein wichtiges industrielles Werkzeug zur Oberflächenbehandlung. Damit lassen sich beispielsweise Oberflächen abtragen, Materialien zerstäuben, um sie auf einer anderen Oberfläche abzuscheiden, Oberflächen strukturieren und Ionen implantieren. Aus einem Plasma werden dazu mit Hilfe eines Gittersystems Ionen extrahiert und elektrostatisch auf Energien von meist einigen 100 eV bis einigen keV beschleunigt. Der Strahldurchmesser einer Breitstrahlquelle beträgt typischerweise einige cm bis zu mehreren 10 cm bei Stromdichten in der Größenordnung von 1 mA/cm². Neben diesen terrestrischen Anwendungen finden Ionenstrahlquellen auch eine Anwendung als Ionentriebwerke in der Raumfahrt.

Die physikalische und bei reaktiven Gasen auch chemische Wirkung des Ionenstrahls auf eine Oberfläche hängt entscheidend von den Strahlparametern ab.
Daher ist die Diagnostik des Strahlprofils und der Ionenenergieverteilungsfunktion sehr wichtig für die Anwendung und die Entwicklung von Breitstrahlionenquellen. Neben konventionellen Diagnostiken wie Faraday-Cups und Gegenfeldanalysatoren befasst sich unsere Arbeitsgruppe mit neuartigen Diagnostiken. Eine davon, die Nutzung von Mikropartikeln als Sonden, stellen wir hier vor.

  • Hauptkomponenten des experimentellen Aufbaus in VIBEX für die Messung der Kraft auf Mikropartikel, die von einem Strahl energetischer Ionen und Neutralteilchen ausgübt wird.. Die Beobachtungsplattform (a) ist 30 cm oberhalb der vertikal aufwärts gerichteten Breitstrahlionenquelle (b) montiert.
  • Gemessene Beschleunigung von Mikropartikeln bei verschiedenen Ionenenergien. Die kleinen Symbole repräsentieren die individuellen Trajektorien, die großen Symbole die Mittelwerte. Die Partikel werden aus zwei verschiedenen Höhen über der oberen Bildkante injiziert.
  • Partikeltrajektorien bei verschiedenen Strahlenergien (a) 160 eV, (b) 360 eV und (c) 400 eV. Die Rechtecke zeigen die Bereiche der aufeinanderfolgenden Frames.

Publikationen

F. Haase, H. Kersten, D. Lundin Plasma characterization in reactive sputtering processes of Ti in Ar/O2 mixtures operated in metal, transition and poisoned modes: a comparison between direct current and high-power impulse magnetron discharges. The European Physical Journal D. 71, 245 (2017).
T. Trottenberg, A. Spethmann, H. Kersten An interferometric force probe for beam diagnostics and the study of sputtering. EPJ Techniques and Instrumentation. 5 (2018).
D. Kotschate, M. Gaal, H. Kersten Acoustic emission by self-organising effects of micro-hollow cathode discharges. Applied Physics Letters. 112, 154102 (2018).
F. Haase, D. Manova, D. Hirsch, S. Mändl, H. Kersten Dynamic determination of secondary electron emission using a calorimetric probe in a plasma immersion ion implantation experiment. Plasma Sources Science and Technology. 27, 044003 (2018).
S. Gauter, F. Haase, P. Solař, O. Kylián, P. Kúš, A. Choukourov, et al. Calorimetric investigations in a gas aggregation source. Journal of Applied Physics. 124, 1-10 (2018).
L. Hansen, A. Schmidt-Bleker, R. Bansemer, H. Kersten, K-. Weltmann, S. Reuter Influence of a liquid surface on the NO x production of a cold atmospheric pressure plasma jet. Journal of Physics D: Applied Physics. 51, 474002 (2018).
V. Schneider, H. Kersten An optical trapping system for particle probes in plasma diagnostics. Review of Scientific Instruments. 89, 103505 (2018).
S. Gauter, F. Haase, H. Kersten Experimental unraveling the energy flux originating from a DC magnetron sputtering source. Thin Solid Films. 669, 8-18 (2019).
T. Trottenberg, A. Spethmann, H. Kersten. Messung von Kräften auf Oberflächen durch Partikelstrahlen und Plasmen als Diagnostik für Impulsflüsse, Sputtern und Plasma-Wand-Wechselwirkungen. Kiel: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik; 2018.
L. Hansen, K. Reck, H. Kersten Energy flux measurements on an atmospheric pressure surface barrier discharge. Journal of Physics D: Applied Physics. 52, 325201 (2019).