Harmonie im Reaktor: RUB-Physiker entwickeln wegweisende Technologie für Plasmareaktoren

Mehr wissenschaftliches Verständnis und eine neue Technologie zur Prozesskontrolle können jetzt in die industrielle Anwendung von Plasmen einfließen. Während seiner Promotion am Lehrstuhl für Plasma- und Atomphysik gewann Dr. Julian Schulze neue Einblicke in die Physik technologischer Plasmen, die u. a. entscheidend für die Herstellung von Computerchips und Solarzellen sind.

Durch eine Kombination verschiedener Diagnostikverfahren, analytischer Modelle und Simulationsrechnungen konnte Dr. Schulze das Verständnis der komplexen Physik in diesen Plasmen entscheidend voranbringen und deren technologische Anwendungen verbessern. Für seine ausgezeichnete Dissertation erhält er im Sommer den PhD Research Award von der Plasma Division der European Physical Society.

Technologische Plasmen wichtig für viele Anwendungen

Bei den Plasmareaktoren, die Dr. Schulze im Rahmen seiner Dissertation untersuchte, handelt es sich um sogenannte kapazitiv gekoppelte Radiofrequenz-Plasmen. Wie bei einem Kondensator (engl.: capacitor) bestehen diese Reaktoren aus zwei Elektroden in einer Vakuumkammer, in die kontrolliert kleine Mengen Gas einströmen. Eine der Elektroden ist geerdet, an der anderen liegt eine Wechselspannung (Radiofrequenz) an. Die starken elektrischen Felder vor den Elektroden beschleunigen positiv geladene Teilchen (Ionen) senkrecht zur Elektrode hin. Anwender in der Industrie leiten Ätz- oder Beschichtungsvorgänge ein, indem sie ein Material auf die Elektrode auflegen und es von den auftreffenden Ionen und Neutralteilchen bearbeiten lassen. Hersteller von Computerchips ätzen durch Ionenbeschuss mit hoher Energie z. B. viele kleine Kanäle in das Material. Bei der Solarzellenproduktion hingegen ist eine niedrige Ionenenergie gefragt, aber dafür ein hoher Ionenfluss.

Mehr Wissenschaft statt Ausprobieren

Ionenfluss und Ionenenergie stellen die Anwender meist nach dem „Trial-and-Error-Prinzip“ (Versuch und Irrtum) ein, da einige der grundlegenden Mechanismen der Plasmaentstehung noch nicht verstanden sind. Eine offene Frage ist etwa, wie den Elektronen im Reaktor die Energie zugeführt wird, die nötig ist, um das Gas zu ionisieren und so das Plasma zu erzeugen. Zu dieser Diskussion trägt Dr. Schulze in seiner Dissertation maßgeblich bei, indem er klärt, wie sich bei niedrigen Drücken Plasmen bilden (wir berichteten im Juni 2009, http://www.pm.ruhr-uni-bochum.de/pm2009/msg00187.htm). Darüber hinaus entwickelte er gemeinsam mit anderen Wissenschaftlern der Physik und Elektrotechnik an der Ruhr-Universität Bochum einen neuen Plasmatyp, der eine wesentlich gezieltere Kontrolle von Ionenfluss und -energie erlaubt als bisher.

Frequenzkopplung macht Probleme

Die Hersteller von Computerchips, Solarzellen und vielen weiteren Produkten verwenden sogenannte „dual frequency“-Plasmen mit dem Ziel, Ionenfluss und Ionenenergie unabhängig voneinander wählen zu können. In Zusammenarbeit mit Dr. Zoltán Donkó von der Ungarischen Akademie der Wissenschaften zeigte Dr. Schulze jedoch, dass es in herkömmlichen Plasmen, die mit zwei sehr unterschiedlichen Radiofrequenzen betrieben werden, eine starke Kopplung zwischen den beiden Frequenzen gibt. Diese Frequenzkopplung führt dazu, dass sich Ionenfluss und -energie im Plasmareaktor nicht wie gewünscht separat einstellen lassen.

Neuer Plasmatyp für besser kontrollierbare Reaktoren

Um Ionenfluss und -energie wirklich unabhängig voneinander steuern zu können, erforschte Dr. Schulze gemeinsam mit Prof. Dr. Uwe Czarnetzki, Prof. Dr. Ralf Peter Brinkmann, PD Dr.-Ing. Thomas Mussenbrock, Dr. Brian Heil und M.Sc. Edmund Schüngel einen neuen Plasmatyp, der bisher nur theoretisch vorhergesagt war und auf dem sogenannten Elektrischen Asymmetrie-Effekt beruht. Anders als in den bislang verwendeten „dual frequency“-Plasmen setzten die RUB-Physiker zwei ähnliche Radiofrequenzen ein, wobei die zweite Frequenz doppelt so groß war wie die erste (Grundfrequenz und zweite harmonische). Indem sie die Phasenverschiebung einstellten, konnten sie Ionenfluss und -energie nahezu unabhängig voneinander bestimmen. Diese patentierte Technologie löst viele Probleme klassischer Plasmareaktoren und Firmen wie Leyboldt Optics und Bosch nutzen sie inzwischen zur Solarzellenproduktion.

Angeklickt:

Dissertation von Dr. Julian Schulze
http://www.ep5.rub.de/pdfs/doktorarbeiten/phd_thesis_schulze.pdf
Lehrstuhl für Plasma- und Atomphysik (Prof. Dr. Uwe Czarnetzki)
http://www.ep5.rub.de
Lehrstuhl für theoretische Elektrotechnik (Prof. Dr. Ralf Peter Brinkmann)
http://www.tet.rub.de/
Informationen zum Patent
http://www.rubitec-patente.de/uploads/tx_nfpatents/81_RFPlasma_4.pdf
Informationen zum EPS PhD Award
http://plasma.ciemat.es/phd.shtml
Weitere Informationen
Dr. Julian Schulze, Lehrstuhl für Atom- und Plasmaphysik, Fakultät für Physik und Astronomie der Ruhr-Universität Bochum, Tel. 0234/32-26034

Julian.Schulze@ep5.rub.de

Redaktion: Dr. Julia Weiler