Ich möchte an dieser Stelle gerne berichten wie ich zu meiner Masterarbeit gekommen bin und was ich so gemacht habe. Bevor ich zu studieren angefangen habe, konnte ich mir immer nicht vorstellen, was mich in der Wissenschaft so erwartet.

Im Dezember 2016 habe ich meinen Master am Lehrstuhl für Experimentalphysik 2 beendet. Dort habe ich auch schon meine Bachelorarbeit geschrieben und wollte gerne in demselben Bereich weiterarbeiten. In meiner Masterarbeit habe ich die Teilchendynamik in einem Plasma untersucht, das mittels Hochenergie-Impuls-Magnetron-Sputtering erzeugt wird. Mit diesem Verfahren werden die Ionen in dem Plasma durch eine angelegte Spannung auf ein metallisches Werkstück beschleunigt, aus welchem einzelne Atome durch die auftreffenden Ionen herausgeschlagen („gesputtert“) werden. Diese Atome können in dem Plasma unter anderem ionisiert werden. So entsteht ein sogenanntes metallisches Plasma. Die gesputterten Teilchen lagern sich auf der gegenüberliegenden Seite des metallischen Werkstücks an und bilden eine dünne Schicht. Eben diese Schichten sind für die Industrie interessant und die Schichteigenschaften hängen stark von den Teilchen, die im Plasma erzeugt wurden, ab. Zum Beispiel hat die Energie der Teilchen eine starke Auswirkung auf die Oberflächenstruktur der Schicht und beeinflusst wie porös oder kompakt die Schicht wird.

Um die Dynamik der Teilchen in dem Plasma zu untersuchen, habe ich verschiedene Diagnostiken verwendet. Mit einer ICCD-Kamera (engl. „intensified charge-coupled device“) habe ich die Plasmaentladung zu verschiedenen Zeitpunkten im Plasmapuls analysiert. Die Helligkeit der Entladung lässt Rückschlüsse auf die Anregung einzelner Teilchen im Plasma schließen. Dadurch kann man herausfinden, wo besonders viele Atome ionisiert werden oder wie die Ionen sich im Plasma bewegen. Außerdem kann man mittels spezieller optischer Filter bestimmte Wellenlängen des emittierten Lichts untersuchen. Verschieden Teilchen strahlen Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen ab, weshalb man zum Beispiel für die Untersuchung der Emission von Argon Ionen einen anderen Filter verwendet als für Stickstoff Ionen. In der Literatur sind die meisten Wellenlängenangaben für die einzelnen Elemente und Übergänge vorhanden. Somit habe ich mir die passenden Filter für die Spezies herausgesucht, die ich untersuchen wollte und von denen ich sicher war, dass diese in meiner Plasmaentladung vorhanden sind. Die Filter wurden vor der Kamera montiert und dadurch hat man nur das Licht aufgenommen, welches von der, zu dem Filter gehörigen Spezies emittiert wurde. Dadurch bekommt man einen Eindruck, wie sich die verschiedenen Spezies während der Plasmaentladung verhalten.

Mit Hilfe eines Massenspektrometers (ein elektrischer Massenfilter, mit dem das „Gewicht“ der Teilchen bestimmt wird) habe ich die Teilchen untersucht, die zur Schichtbildung beitragen. Dazu wurde das Massenspektrometer an die Position montiert, an der normalerweise ein Substrat befestigt ist, auf dem eine dünne Schicht abgeschieden wird. Das Massenspektrometer detektiert Teilchen einer bestimmten Masse und Energie, woraus man schließen kann, welchem Element die jeweiligen Teilchen angehören. In dem Plasma befinden sich zum Beispiel metallische Ionen und Gasionen, die jeweils eine unterschiedliche Masse besitzen und welche man mit dieser Diagnostik unterscheidet. Mittels eines Energiescans lässt sich auch bestimmen, mit welchen Energien wie viele Teilchen einer bestimmten Masse aus dem Plasma auf das Massenspektrometer treffen. Diese Energieverteilung kann man somit auch für die Entstehung der dünnen Schicht berücksichtigen.

Zum Ende meiner Arbeit wurde das Massenspektrometer durch einen rotierenden Shutter und ein dahinterliegendes Substrat ersetzt. Dieser rotierende Shutter besteht aus einer sehr dünnen Metallplatte, in die Schlitze in µm-Breite hineingelasert wurden. Die Bewegung des Shutters ist mit den Pulsen des Plasmas synchronisiert, sodass ein Schlitz immer zur selben Zeit des Plasmapulses, dieselbe Position über dem Substrat einnimmt. Somit erhält man eine dünne Schicht auf dem Substrat wobei die verschiedenen Positionen auf dem Substrat, verschiedenen Zeitpunkten im Plasmapuls entsprechen.

Nun konnte ich mit einem Profilometer die Dicke der Schicht messen. Das Profilometer besteht aus einer kleinen Nadel, die über die Schicht fährt und somit die Dicke dieser Schicht ermitteln kann. Wenn man diese Messung an jeder Position der Schicht durchführt, erhält man die Schichtdicken zu jedem Zeitpunkt des Plasmapulses und kann somit abschätzen zu welcher Zeit wie viele Teilchen auf das Substrat treffen. Wenn man diese Messung mit den Kamera- und Massenspektrometermessungen vergleicht, kann man wie ein Puzzle zusammensetzen, wie viele Teilchen einer Teilchenart, zu welcher Zeit, mit welcher Energie auf das Substrat trifft. Wenn man all diese Parameter bestimmen kann, lässt sich ungefähr vorhersagen, wie die Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht sein wird.

Alles in allem habe ich neben einiger interessanter Wissenschaft vor allem gelernt verschiedene technische Geräte zu verstehen, diese zu bedienen und dann auch Ergebnisse zu interpretieren und miteinander zu verknüpfen.

 

Kati
Autor: KatiWebsite: http://www.ep2.rub.de
Doktorandin
hat sich mit gepulsten Hochleistungsplasmen beschäftigt. Arbeitet nun seit März 2017 mit Plasmen in Flüssigkeiten.

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