Plasmadiagnostik

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

MWI 2650 und 2650/A - Mikrowellen-Interferometer

 

Leistungsmerkmale:

  • effiziente und verlässliche Elektronendichtemessung
  • keine Limitierung für die Charakterisierung von chemisch reaktiven Plasmen (Ätzen, Schichtabscheidung u.ä.)
  • nicht-invasive Messmethode
  • keine Kenntnis über die Plasmarandschicht oder Ionenzusammensetzung nötig
  • hohe zeitliche Auflösung ( 5 µs)
  • einfache Implementierung in bestehende Anlagen, durch den flexiblen Referenzpfad (Koaxialkabel)


Einsatzgebiete:

  • Charakterisierung von technischen Plasmen
  • Plasma- und Prozesskontrolle
  • Prozess-Entwicklung
  • Grundlagenforschung in der Plasmatechnologie

 

Die JE PlasmaConsult GmbH entwickelte auf der Grundlage mehrjähriger Erfahrung in der Erzeugung und Kontrolle von technischen Plasmen ein fortschrittliches und doch kostengünstiges Mikrowellen-Interferometer (MWI 2650), welches bei einer  Frequenz von 26.5 GHz arbeitet.

Es verwendet einen dielektrischen Resonanzoszillator für hohe Frequenzstabilität und eine superheterodynes Frequenzwandlungssystem für die Registrierung der Phasenverschiebung durch das Plasma, welches in dem betrachteten Bereich nahezu linear ist. Hierdurch ist es möglich, ein flexibles Koaxialkabel anstelle eines starren Ka-Band Mikrowellen-Hohlleiters als Referenzpfad zu verwenden.


Das MWI 2650 Mikrowellen-Interferometer besteht aus drei Hauptkomponenten:

  • Sender (Hornantenne)
  • Empfänger (Hornantenne)
  • Kontrolleinheit mit Anzeige

          (alle Kabel und Verbindungen sind enthalten)

 

Allgemein

Die Elektronendichte ist ein Schlüsselparameter für das Verständnis und die Modellierung von Plasmaquellen. Eine klassische Methode, die Elektronendichte in Niederdruck-Entladungen zu bestimmen, ist die invasive Langmuirsonden-Technik. Allerdings bestehen in schichtabscheidenden oder chemisch reaktiven Plasmen Begrenzungen für diese Technik. In chemisch reaktiven Plasmen kann die Sonde angegriffen werden, wodurch die Größe der Sondenoberfläche sich verändert. Die Theorie für die Auswertung der Sondenkennlinie geht jedoch von einer konstanten Sondenoberfläche aus. In Plasmaprozessen, bei denen dielektrische Schichten abgeschieden werden, wird die Sondenoberfläche u.U. bereits nach kurzer Zeit und trotz regelmäßiger Reinigung nicht mehr elektrisch leitfähig sein.

Die Mikrowellen-Interferometrie ist ein interessante Alternative zur Langmuirsonde in den oben erwähnten Fällen, da es sich um eine nicht-invasive Methode handelt. Weiterhin handelt es um eine sehr schnelle Messmethode mit einer Zeitauflösung im ms Bereich, welche keine Annahmen über die Plasmarandschicht oder der Ionenzusammensetzung im Plasma benötigt

 


Funktionsprinzip

Das Mikrowellen-Interferometer misst Änderungen der Phasenlage der Mikrowelle, welche durch das Plasma abgestrahlt wird relativ zum Referenzpfad. Diese Änderung steht in direktem Zusammenhang mit der über die Sichtlinie des Interferometers aufintegrierten Elektronendichte. Das MWI 2650 besteht aus zwei Hornantennen, wovon eine Antenne Mikrowellestrahlung mit der Frequenz 26.5 GHz emittiert, die andere Hornantenne detektiert diese Mikrowelle. Ein Plasmareaktor, welcher mit diese Technik ausgerüstet werden soll, benötigt daher zwei einander gegenüber liegende und für Mikrowelle transparente Fenster. Wird das Plasma gezündet, so wird durch die freien Elektronen die dielektrische Permittivität verringert, und damit auch die Phasenlänge für denjenigen Pfad, welcher durch das Plasma läuft.

Die Elektronik des MWI 2650 ermittelt die Phasendifferenz zum unbeeinflussten Referenzpfad. Die Phasenverschiebung wird nun benutzt, um die über die Sichtlinie gemittelte Elektronendichte zwischen den beiden Hornantennen zu berechnen. Der absolute Wert der Elektronendichte (in cm-3) wird auf dem Display des MWI 2650 angezeigt.

 

Diagnostik von Atmosphärendruck-Plasmen

Die Variante MWI 2650-A ist auch für die Diagnostik von Atmosphärendruck-Plasmen geeignet. Allerdings wird hier nicht unmittelbar die Elektronendichte am Display angezeigt, sondern die Dämpfung und die Phasenverschiebung. Hieraus kann anhand geeigneter Tabellen und Kurven die Elektrondendichte berechnet werden. Gewisse Annahmen über die Plasmastoßfrequenz zwischen Elektronen und Schwerteilchen müssen zudem erfolgen.

 

Technische Daten MWI 2650:

Arbeitsfrequenz:                    26.5 GHz

Ausgangsleistung:                 40 mW

Minimale Elektronendichte:

        gepulstes Plasma:          (10 9 - 1010)/ l  [cm-3]

                                              l ist dabei die Plasmaausdehnung längs der Sichtlinie in cm

      Dauerstrich-Plasma:          (1010-1011) / l  [cm-3]

Max. Elektronendichte:         4 x 1012 cm-3

zeitl. Auflösung:                    5 µs

Max. Kammerdruck:             2000 Pa

Plasmadurchmesser:             6,5  - 100 cm (kleinere Durchmesser auf Anfrage)

Min. Fenstergröße:                50 mm

 

 

Technische Daten MWI 2650-A:

Arbeitsfrequenz:                    26.5 GHz

Ausgangsleistung:                 40 mW

Minimale Elektronendichte:

abhängig von der Plasmastoßfrequenz:

                                             10 9 cm-3 bei einer Plasmalänge von 10 cm und für den Fall, dass die Plasmastoßfrequenz in der Größenordnung von 26.5 GHz liegt, z.B. kaltes Plasma mit niedriger Elektronentemperatur (Flamme)

                                             1010 cm-3 bei einer Plasmalänge von 10 cm und für den Fall, dass die Plasmastoßfrequenz ca. einen Faktor 10 über 26.5 GHz liegt, z.B. heißes Plasma mit einigen eV Elektronentemperatur (Plasma-Torch)

Max. Elektronendichte:         3 x 1013 cm-3

Phasenverschiebung:            0 - 270°, Auflösung 0.1°     

Dämpfung:                             0 - 10 dB, Auflösung 0.02 dB

Application note: