Entwicklung einer Niederdruck Plasmaquelle nach dem Prinzip des elektrostatischen Trägheitseinschlusses zur Oberflächenbehandlung in industriellen Anwendungen

Seit einigen Jahrzehnten wird die Inertial Electrostatic Confinement (IEC) im Rahmen von Anwendungen für Raumfahrtantriebe und Fusionsreaktoren erforscht. Die Nutzung dieser Methode als Raumfahrtantrieb ist durch einen freien emittierten Strahl im sogenannten Jet-Modus der IEC-Quelle möglich. Abhängig von der Konfiguration kann dieser Strahl als hochenergetischer Elektronenstrahl (Tight Jet) mit Elektronenenergien von mehreren keV oder als niederenergetischer Plasmastrahl nahe der Quasi-Neutralität (Spray Jet) betrieben werden. Diese Modi sind für die Dünnschichttechnik und Plasma Oberflächenbehandlungen von erheblichem Interesse, werden jedoch noch nicht in diesen Anwendungsbereichen eingesetzt. ... mehrMögliche Einsatzbereiche für die Plasma-Oberflächenbehandlung sind beispielsweise die Elektronen-Substratheizung, die Oberflächenplasmavorbehandlung, die ionisierte physikalische Dampfabscheidung (IPVD) und die plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD). Für die Verwendung der Quellentechnik in Beschichtungsanlagen ist ein hohes Plasmavolumen zu bevorzugen, um eine wirtschaftliche industrielle Anwendbarkeit zu gewährleisten. In dieser Arbeit wird eine zylindrische IEC-Quelle mit skalierbarer, vorhangartiger radialer Strahlemission entwickelt und untersucht. Als Grundlage für die Konzeption und Konstruktion dient der aktuelle Forschungsstand zu IEC Quellen, welche im Rahmen der Fusions- und Raumfahrtantriebsforschung parallel untersucht werden. Die neu entwickelte IEC Quelle ist derart ausgelegt, dass durch ein Stecksystem ausgewählte Geometrieuntersuchungen möglich sind. Durch eine Druck-Spannungs-Variation wird gezeigt, dass sich die IEC Quelle reproduzierbar in einem stabilen Betriebsbereich betreiben lässt. Mögliche Quereinflüsse auf die Wiederholgenauigkeit der Betriebseigenschaften werden identifiziert und für die folgenden Versuche minimiert. Im Rahmen dieser Arbeit werden geometrische Einflüsse wie Kathodendurchmesser, -transparenz, -öffnungswinkel sowie länge auf die Betriebseigenschaften der zylindrischen IEC Quelle erforscht. Darüber hinaus werden Ursache-Wirkungs-Beziehungen dieser geometrischen Änderungen auf die inneren und äußeren Plasmaeigenschaften über Plasmadiagnostiken wie optische Emissionsspektroskopie und Langmuir Sonden untersucht. Eine Particle in Cell Simulation zeigt den Funktionsmechanismus von IEC Quellen im Strahl Modus. Durch die gewählten Geometrieänderungen in Kombination mit der Simulation und Plasmadiagnostik, werden treibende Wirkmechanismen des Strahl Modus isoliert und analysiert. Durch die Untersuchungen konnte eine Parallele zwischen IEC Quellen- und Hohlkathodenendladungen gezogen werden. Die zylindrische IEC-Quelle wird mit Acetylen, Argon und Stickstoff als Prozessgase betrieben, was die Vielseitigkeit dieser Anwendung für Oberflächenbehandlungen zeigt. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird die optimale Einstellung der Quelle für potenzielle Anwendungen in der Dünnschichttechnologie abgeleitet. Des Weiteren wird ein konzeptioneller Beweis für den vorteilhaften Einsatz von IEC Quellen für Beschichtungsanwendungen durch eine IEC Quellen unterstützte Chromabscheidung erbracht.

For many years, Inertial Electrostatic Confinement (IEC) has been researched for applications in space propulsion and fusion reactors. The use of this method as a space propulsion system is possible through a free-emitting beam in the so-called Jet mode of the IEC source. Depending on the configuration, this beam can be operated as a high-energy electron beam (Tight Jet) with electron energies of several keV or as a low-energy plasma jet close to quasi-neutrality (Spray Jet). These modes are of significant interest for thin-film technology and plasma surface treatments but have not yet been used in these application areas. ... mehrPossible areas of application for plasma surface treatment include electron substrate heating, surface plasma pretreatment, ionized physical vapor deposition (IPVD), and plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD). A high plasma volume is preferred for the use of the source technology in coating systems to ensure industrial applicability. In this work, a cylindrical IEC source with scalable, curtain-like radial beam emission is developed and investigated. The current state of research on IEC sources, which are also being studied in the context of fusion and space propulsion research, serves as a basis for the design and construction. The newly developed IEC source is designed such that selected geometry investigations are possible through a plug-in system. A pressure-voltage variation shows that the IEC source can be operated reproducibly in a stable operating range. Possible cross-influences on the repeatability of the operating properties are identified and minimized for the following experiments. Within the scope of this work, the geometric influence, such as cathode diameter, transparency, opening angle, and length, on the operating properties of the cylindrical IEC source is investigated. In addition, cause-and-effect relationships of these geometric changes on the inner and outer plasma properties are investigated via plasma diagnostics such as optical emission spectroscopy and Langmuir probes. A Particle-In-Cell simulation shows the functional mechanism of IEC sources in beam mode. Through the chosen geometric changes in combination with simulation and plasma diagnostics, driving mechanisms of the beam mode are isolated and analyzed. A parallel between IEC sources and hollow cathode discharges could be drawn through the investigations. The cylindrical IEC source is operated with acetylene, argon, and nitrogen as process gases, demonstrating the versatility of this application for surface treatments. Based on these findings, the optimal setting of the source for potential applications in thin-film technology is derived. Furthermore, a conceptual proof for the advantageous use of IEC sources for coating applications is provided through an IEC source-supported chromium deposition.