Technische Entwicklungen für die HF-GD-OES

Technische Entwicklungen für die HF-GD-OES

Dr. V. Hoffmann, Dr. L. Wilken

Das Hauptziel der GD-OES Forschung der letzten Jahre war die Weiterentwicklung der mit Hochfrequenz (HF bzw. RF) betriebenen Glimmentladung zur Analyse nichtleitender Materialien oder Schichten. Im Rahmen eines BMBF-Projektes wurde gemeinsam mit der Firma LECO freischwingender HF-Röhrengenerator entwickelt [1]. Er zeichnet sich durch seine einfache Handhabbarkeit, schnelle Stabilität und die sehr hohe effektive HF-Spannung aus.

Die einfache Handhabbarkeit und die hohen HF-Spannungen werden dadurch erreicht, dass dieser Generator nur durch die DC-Anodenspannung bis 4 kV gesteuert wird, die dann direkt die am Ausgang erzeugte HF-Spannung bis 2.5 kV bestimmt. Derartig hohe HF-Spannungen werden benötigt, um dicke Nichtleiter (bis 3 mm) analysieren zu können. Zur Analyse dünner Schichten im Nanometer-Bereich muss die HF-Anregungsspannung nach dem Einschalten sehr schnell stabil sein (< 10 ms). Beim freischwingenden Generator mit einer Frequenz von 3.3 MHz ist die Entladung Teil des Resonanzkreises. Impedanzänderungen nach dem Zünden führen nur zu einer Änderung der Resonanzfrequenz um 20 kHz.

Um aus den gemessenen Intensitäts-Zeitprofilen Konzentrations-Tiefenprofile bestimmen zu können müssen alle Messungen bei konstanten elektrischen Bedingungen durchgeführt werden. Im DC Betrieb sind das Spannung und Strom. Die im IFW durchgeführten Entwicklungen zielen darauf ab auch für den HF Betrieb ähnliche Messgrößen zu erhalten. Zu diesem Zweck wurde eine Glimmentladungsquelle mit integrierten Spannungs- und Stromsensor entwickelt[2], bei der Stromsensor sich sehr nahe an der Entladung befindet (Abbildung 1). Bei dieser wird das Stromsignal nur wenig durch einen Blindstrom und gar nicht durch Leckströme der Wasserkühlung gestört. Diese Messtechnik wurde im Rahmen einer Kooperation an die Spectruma Analytik GmbH überführt.

Abbildung 1:  Links: Schema der Glimmentladungsquelle mit integrierten Sensoren zur Messung des HF Stromes und der HF Spannung, Rechts: HF-GD-Quelle die in Kooperation mit der Spectruma Analytik GmbH entwickelt wurde.

Das sich ergebende Stromsignal ist in Abbildung 2 gezeigt. Es zeigt direkt den Elektronenstrom und den Ionenstrom. Mit Hilfe eines elektrischen Ersatzschaltbilder werden aus den Signalen charakteristischen zeitlich gemittelte Größen  ausgewertet. Es zeigt sich, der Zerstäubungsprozess und die optische Anregung am besten durch den Ionenstrom und die negative Spannung beschrieben werden[3]. Werden die ausgewertete Spannung und Strom für Messungen an Standardreferenzmaterialien konstant gehalten, so entstehen lineare Kalibrationskurven (Abbildung 3), die ähnlich sind zu denen die mit der DC-GD-OES erhalten werden. Es wurde ebenso gezeigt, dass mit dieser Messtechnik elektrisch nicht leitende Materialien quantitativ gemessen werden können [4,5]. Ebenso können aus den elektrischen Messungen charakteristische Plasmaparameter ausgewertet werden. Diese Messtechnik bieten bei der HF-GD-OES noch viele interessante Anwendungen die für die Optimierung verschiedener Eigenschaften genutzt werden können. Diese Messtechnik kann in vielen weiteren Plasmareaktoren ihren Einsatz finden und zur Verbesserung der Prozesse genutzt werden.

Abbildung 2: Messung des HF-Stromes und der HF-Spannung sowie deren Auswertung am Beispiel einer Cu-Probe, 770 Pa, f = 3.3 MHz, U0P = 675 V, Ppl = 9,8 W

Abbildung 3: Messungen an unterschiedlichen zertifizierten Referenzmaterialien (ZRM) die bei konstanter Spannung und Strom zerstäubt wurden (Al-Linie, 396.15 nm, Uk =700V, Ik =20mA).

Literatur mit Links:

[1] Hoffmann V., Uhlemann H.-J., Präßler F., Wetzig K., Birus D., New Hardware for Radiofrequency Powered Glow Discharge Spectroscopies and its Capabilities for Analytical Applications, Fresenius’ Journ. Anal. Chem. 355, 1996, 826-830.

[2] Wilken L. , Hoffmann V.,  Uhlemann H.-J., Siegel H., Wetzig K., Development of a Radio-Frequency Glow Discharge Source with Integrated Voltage and Current Probes, J.Anal.At.Spectrom. 18, 646 (2003).

[3] Wilken L.  Hoffmann V., Wetzig K., Analysis of new electrical signals in respect to quantification of radio frequency glow discharge emission spectrometry, Appl.Surf.Sci.252, 261-265 (2005).

[4] Wilken L., Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Optimierung einer Glimmentladungsquelle für spektroskopische Messungen von elektrisch leitenden und nichtleitenden Materialien, Shaker-Verlag, 2004, ISBN: 1610-4773/3-8322-3446-2.

[5] Wilken L.  Hoffmann V., Wetzig K., Radio frequency glow discharge source with integrated voltage and current probes used for sputtering rate and emission yield measurements at insulating samples,, Anal.Bioanal.Chem., InPress