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Optimierung eines Plasma-enhanced chemical vapour deposition-Systems zur Entwicklung von Targets für Laser-Ionen-Experimente

Jaeger, Robert (2019):
Optimierung eines Plasma-enhanced chemical vapour deposition-Systems zur Entwicklung von Targets für Laser-Ionen-Experimente.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Optimierung eines Plasma-enhanced chemical vapour deposition-Systems zur Entwicklung von Targets für Laser-Ionen-Experimente
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In the scope of this thesis, which was performed within the laser and plasma physics working group of the Institute of Nuclear Physics (IKP) of TU Darmstadt, it was possible to refurbish, modernize, optimize, expand and commission an existing process system for plasma-enhanced chemical vapour deposition (PEVCD). As part of this, an updated technical documentation was also created in order, for example, to be able to plan and carry out a future expansion in a comfortable way. In addition, the performance of this PECVD system was demonstrated by DLC coatings, which were used to produce deuterium-containing material (a-C:D) for self-supporting, free-standing thin films. For this purpose not only a suitable plasma process was selected and tested, but also the necessary deuterated process gas (CD4) was synthesized on a laboratory scale. Moreover, these deuterium-containing films were prepared in such a way that they are suitable as so-called targets for laser-ion experiments. As part of an experiment campaign, two such deuterated DLC targets could be tested successfully. With the “Plasma-Therm SLR-770 ECR” process system, it is possible to carry out a chemical vapour deposition, which is activated or assisted by means of a low-pressure plasma. This PECVD process provides a versatile method for the synthesis and modification of thin films. This not only includes the coating of a surface, but with the PECVD system plasma etching processes can be performed for a material removal, for instance, for structuring on a micrometer scale. Therefore, this system represents an interesting tool for the production of tailor-made target materials, which are of particular interest for experiments with laser-induced plasmas. In order to be able to use the full potential of the process system, it has been extensively modernized. For the modernization of the PECVD process system “Plasma-Therm SLR-770 ECR“ the vacuum system was first checked and overhauled. The separate vacuum system for the load lock has been extended so that, among other things, rapid loading and unloading of substrates to the process chamber is possible. The vacuum system for the process chamber was extensively overhauled and supplemented by relevant components. The system‘s electrical control and monitoring system has been completely replaced by a “retrofit“ that has been independently designed, developed, built and finally successfully commissioned. The associated user software was created in the programming environment NI LabVIEW(TM) and also extended with functions that were not available in the original system. The program code of this so-called PECVD application has been extensively documented, so that a further development can comfortably follow. To demonstrate the performance of the PECVD system, thin layers of hydrogen-rich amorphous carbon were prepared (a-C:H), also commonly referred to as DLC (diamond-like carbon). Furthermore, deuterated layers were prepared to be tested as part of an experiment campaign. For this purpose, a method for the synthesis and preparation of deuterated methane (CD4) was developed on a laboratory scale. From the deposited layers (a-C:D), a special preparation method was used to obtain unsupported targets. To assess the plasma processes and thin films produced, inter alia, layer thickness measurements were carried out. A chemical analysis was done explicitly for the layers of a-C:D to confirm the success of the film deposition. Finally, two targets were successfully tested on the high-energy laser system PHELIX, which consisted of a thin self-supporting foil of the deuterated material.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Laser- und Plasmaphysik
Date Deposited: 24 Jun 2019 09:13
Last Modified: 09 Jul 2020 02:39
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-88083
Referees: Roth, Prof. Dr. Markus and Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver
Refereed: 2 July 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8808
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