Jaeger, Robert (2019)
Optimierung eines Plasma-enhanced chemical vapour deposition-Systems zur Entwicklung von Targets für Laser-Ionen-Experimente.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit, die in der AG Laser- und Plasmaphysik des Instituts für Kernphysik (IKP) der TU Darmstadt durchgeführt wurde, konnte in erster Linie eine bestehende PECVD-Prozessanlage erfolgreich instandgesetzt, modernisiert, optimiert, erweitert und in Betrieb genommen werden. In diesem Zuge wurde auch eine aktualisierte technische Dokumentation erstellt, um beispielsweise eine künftige Erweiterung komfortabel planen und vornehmen zu können. Darüber hinaus wurde die Leistungsfähigkeit dieser Anlage anhand von DLC-Beschichtungen gezeigt, aus denen sich insbesondere deuteriumhaltiges Material (a-C:D) für freitragende dünne Folien herstellen ließ. Für diesen Zweck wurde nicht nur ein geeigneter Plasmaprozess ausgewählt und erprobt, sondern auch das dafür notwendige deuterierte Prozessgas (CD4) im Labormaßstab selbst synthetisiert. Zudem wurden diese Folien in der Weise präpariert, dass sie sich als sog. Targets für Laser-Ionen-Experimente eignen. Im Rahmen einer Experiment-Kampagne konnten zwei solcher deuterierten DLC-Targets erfolgreich erprobt werden. Mit der Prozessanlage „Plasma-Therm SLR-770 ECR“ ist es möglich, eine chemische Dampfphasenabscheidung durchzuführen, die mit Hilfe eines Niederdruckplasmas aktiviert oder unterstützt wird (engl. plasma-enhanced chemical vapour deposition, kurz: PECVD). Dieses PECVD-Verfahren bietet eine vielseitige Methode zur Synthese und Modifikation von dünnen Schichten. Dazu gehört nicht nur die Beschichtung einer Oberfläche, sondern mit der Prozessanlage können auch Plasmaätzprozesse für einen Materialabtrag durchgeführt werden, beispielsweise für eine Strukturierung im Mikrometermaßstab. Daher stellt diese Anlage ein interessantes Instrument zur Herstellung von maßgeschneiderten Targetmaterialien dar, die insbesondere für Experimente mit laserbasierten Plasmen von Interesse sind. Um das vollständige Potential der Anlage nutzen zu können, wurde sie unter anderem umfangreich modernisiert. Für die Modernisierung der PECVD-Prozessanlage „Plasma-Therm SLR-770 ECR“ wurde das Vakuumsystem zunächst überprüft und generalüberholt. Das separate Vakuumsystem für die Ladeschleuse wurde dabei erweitert, so dass unter anderem ein rasches Be- und Entladen von Substraten zur Prozesskammer möglich ist. Das Vakuumsystem für die Prozesskammer wurde umfangreich generalüberholt und durch relevante Komponenten ergänzt. Das elektrische Steuerungs- und Überwachungssystem der Anlage wurde vollständig durch ein „Retrofit“ ersetzt, das eigenständig geplant, entwickelt, aufgebaut und schließlich erfolgreich in Betrieb genommen wurde. Die dazugehörige Bediensoftware wurde in der Programmierumgebung NI LabVIEW(TM) erstellt und dabei auch um Funktionen erweitert, die in dem ursprünglichen System nicht vorhanden waren. Der Programmcode dieser sog. PECVD-Applikation wurde ausführlich dokumentiert, so dass daran eine weitere Entwicklung komfortabel anknüpfen kann. Um die Leistungsfähigkeit des PECVD-Systems zu demonstrieren, wurden dünne Schichten aus wasserstoffreichem amorphen Kohlenstoff hergestellt (a-C:H), allgemein auch als DLC bezeichnet (engl. diamond-like carbon). Des Weiteren wurden deuterierte Schichten hergestellt, um sie im Rahmen einer Experiment-Kampagne erproben zu können. Für diesen Zweck wurde eine Methode zur Synthese und Aufbereitung von deuteriertem Methan (CD4) im Labormaßstab entwickelt. Aus den abgeschiedenen Schichten (a-C:D) wurde eine spezielle Präparationsmethode angewandt, um freitragende Targets zu gewinnen. Zur Beurteilung der Plasmaprozesse und hergestellten dünnen Schichten wurden unter anderem Schichtdickenmessungen durchgeführt. Eine chemische Analyse erfolgte explizit für die Schichten aus a-C:D, um den Erfolg der Schichtherstellung zu bestätigen. Abschließend wurden zwei Targets am Hochenergie-Lasersystem PHELIX erfolgreich erprobt, die aus einer dünnen freitragenden Folie des deuterierten Materials bestanden.

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