Neuartige Entladung bei kleinen DC-Spannung mit hohen Stromdichte im Oberflächenwellen-Plasma

am 15. Feb. 2010

Hauptzwecke:

• Alternative einfachere Methode anzubieten gegen LASER-Ablation
• Mikroplasma zu untersuchen im Plasma mit der hohen Dichte (also Plasma im Plasma d.h. in einer Flüßichkeit)

Tatsache:

• Man kann den elektrischen Strom bis etwa 2.5A aus dem hohen-Dichte-Plasma auf einem Target mit der positiven Vorspannung über etwa 60V gegen Masse ausziehen. Das Plasma ist vorher in Ar Gas (1Pa) bei einem oberflächlichen Kopplungszustand mit Mikrowellen 2.45GHz 300W entstanden. (Siehe Abb.1.)
• Ein Feuerkugel entsteht for dem Target und wird als "Plume" genannt. Das Plume scheint genau dasselbe in Laser-Ablationsverfahren zu sein. (Siehe Abb.2a und 2b.)
• Das Plume bleibt konstant stehen.
• Das Plume wird gelöscht wenn man die Mikrowellen ausschaltet: das Plume ist nicht selbstunterstüzt.
• Der Behälter (aus weißem Makor) vom Target wird offensichtlich mit demselben Material bedeckt: das Targetmaterial wird freigesetzt. (Siehe Abb.3 rechts.)
• Von einem LaStMnO3-Target kann man ein ferromagnetisches Film auf einem Quarz-Substrat erzeugen. Hierbei wurde die Verfahren im Plasma von Ar 1Pa mit Sauerstoffpartialdruck 0.1Pa durchgeführt.
• Man findent nur C++ Ionen (und Ar, Ar+) mittels optischer Emissionspektroskopie von Graphit als ein Target.(Siehe Abb.4.)
• Der Elektronstrom ist bei 0.02A gesättigt unter der Vorspanung +50V nach der Sondentheorie, d.h. viel kleiner als 2.5A. (Siehe Abb.1.)
• Diese Wert von 2.5A wird z.Z. durch die Leistung der DC-Stromquelle bestimmt.
• Die Vorspannungswert Vs für die Erscheinung vom Plume ändert sich mit dem Ar Druck. (Siehe Abb.5.)
• Der engere (3mm Durchmesser getestet) und längere (6mm getestet) Durchgang des Target-Behälter als eine Öffnung von der Target-Oberfläche führt zum stärkeren Plume bei dem konstanten Strom (Siehe Abb.3 links und Abb2b.). Man konnte bei 8 Targets mit einer gesamten Fläche 4cm^2 kein Plume induzieren (blaue Kurve in der Abb.1).

Bemerkungen:

• Es ist bekannt durch die Untersuchungen über die Wechselwirkung von Elektronen mit Festkörperoberfläche, daß die Eindringslänge von Elektronen mit der Energie von 60eV in die Oberflächeschite am kürtzest von etwa 2nm wird.
• Daher heitzen und/oder regt die Elektronen effektiv die Oberflächeatome auf, und dann werden die Atome und Moleküle freigesetzt.
• Diese Teilchen werden gleich mit anderen Elektronen weiter stoßen und mehrmals ioniziert werden.
• Man findent C++ Ionen von einem Graphit-Target aber kein C+++, weil die Energie für die dritte Ionizationszustand größer als 60eV ist.
• Die Leistung von 150W ist viel höher als dieselbe von Laser 2J 5Hz.
• Man kann eine theoretische Abhängigkeit (eine Paschen-Kurve) zu den gemessenen Vs anpassen mit einem Abstand 5cm von effektiven Kathode und mit einer effektiven Sekundärelektron-Koeffizient 1.2. (Siehe Abb.5.)
• Das deutet an, daß das Oberflächenwellen-Plasma eine Rolle als eine effektive Kathode mit einer sehr hohen Sekundärelektron-Koeffizient spielt.
• Man kann das Plume als ein höher-Dichte-Plasma im hohen-Dichte-Plasma betrachten, nämlich ein großes Mikroplasma in einer geladenen Flüßigkeit. (Siehe Abb.6.)
• Zwar gilt Eine Beschreibung von Taunsend-Entladung in diesem Fall (im Bereich pd<1), aber neuliche gepulste Mikroplasmen sind im Bereich Pd>1.
• Das LaStMnO3-Target war teilweise zwar geschmortzen, aber das Graphit-Target nicht.

Warum das Oberflächenwellen-Plasma:

• Dazu braucht man keine Elektrode im Gefäß, daher kann man metalishe Verunreinigungen vermeiden.
• Die Plasmadichte ist hoch wie 9x10EE10 cm-3 mit Elektrontemperatur 1eV: eine große geladene-Teilchen-Quelle beim fast Wandpotenzial (0V).
• Kein Magnetfeld ist nötig: viele Stützen für Diagnostik u.a. zur Verfügung.
• Die Kopplung vom Plasma mit den Mikrowellen ist hauptsächlich durch die Randbedingung dazwischen bestimmt und der Kopplungszustand ist diskret, so daß der DC-Strom sie kaum beeinflüßt. In der Tat ist die reflektierte Leistung immer weniger als 5W geblieben. Das erlaubt uns von dem Plume unabhängige Steuerbarkeit des Plasmas.
• Man kann im Gasdruck weniger als 1Pa die Entladung erhalten, um die ermittelte freie Weglänge über 1 cm zu machen.
• Wegen der wohlbekanntenen Ambipolar-Diffusion des Plasmas, werden Ionen und Elektronen im Gefäßraum sehr homogen verteilt, so daß man leicht mit hohen Ion- oder Elektron- Stromdichten Materialoberfläche im Plasma irradiieren kann.
• Die HF-Entladung versagt beispielsweise bei der positiven Vorspannung, bevor ein Plume entsteht.

Anwendung der Plasmaelektron-induzierten Ablation:

• Nachteile der LASER Ablation:
  • Empfindliche Installation bei optische (unsichtlich) Axse und Fokusierung (Brennpunkt einzustellen) auf das Target
  • Giftisches Gas (z.B. KrF) für das Laser
  • Die Kosten etwa Millionen Euro
• Vorteile der Plasmaelektron-Ablation:
  • Preiswert: man braucht eine solche DC-Stromquelle mit der höchsten Leistung 100V und 5A.
  • Kein Vakuum Fenster für UV-Licht
  • Keine Fokusierung nötig auf das Taget
  • Viel verschidene Targets gleichzeitig (eventuell kurzfristisch hintereinander) zur Verfügung zustellen
  • Großes Substrat zu beschichten (wenn man das Target raster-artig bewegen läßt)
  • Im Plasma mit Sauerstoffgas ohne weiteres (Gegen dazu wird Zersteubungsrate stark reduziert bei der oxydierten Oberfäche, und ein Faden in der Elektron-Kanone wird im Sauerstoff schnell verbrennen).
  • In diesem Sinn kan man reaktive Plasmaelektron-Ablation entwickeln, um z.B. Nitride-Filme zu produzieren.
• Nachteile der Plasmaelektron-Ablation:
  • Der gesamte Gasdruck ist noch hoch, um die ermittelte freie Weglänge über 10 cm zu machen.
  • Es ist schwierig wegen auch des Drucks, mittels RHEED in situ die Film-wachsende Oberfläche zu beobachten.
  • Zur Zeit nur elektrischleitende Materialien
  • Wenige Erfahren bis jetzt für ihre technische Anwendung zum Industriezweck

Weitere Fragen:

• ob der Mechanismus bei der Freisetzung von Teilchen von der thermodynamischen Theorie unterschiedlich ist.
• ob die hohe Ionizationsrate und der hohe Ionizationszustand für Materialverfahren vorteilhaft sind.