Zum Inhalt springen

Plasmachemische Prozesse

Der Forschungsschwerpunkt "Plasmachemische Prozesse" konzentriert sich auf die Physik und Chemie reaktiver Plasmen und erarbeitet Ansätze und Methoden zur Steuerung plasmachemischer Prozesse.  Dazu werden die Zusammensetzung verschiedenster Plasmen, d.h. die Konzentrationen der geladenen und ungeladenen Plasmabestandteile, die energetischen Verhältnisse im Plasma, die dem Plasma entweichende Strahlung sowie die Wechselwirkung der Plasmen mit den sie begrenzenden Oberflächen analysiert. Dazu stehen modernste Methoden der Infrarot-Absorptionsspektroskopie zur Verfügung, die eine sehr empfindliche Bestimmung der Konzentration von Molekülen in Plasmen darstellt und auch deren Kinetik miterfassen kann. Diagnostische Arbeiten werden durch Modellierungen ergänzt und erfolgen in enger Kooperation mit Partnern in Wissenschaft und Industrie. Hierbei steht die Entwicklung neuer Methoden zur Steuerung von Plasmen für die Oberflächenbehandlung oder die plasmachemische Stoffwandlung im Vordergrund.


Anwendungsfelder

Reaktive Plasmen stellen eines der wichtigsten Arbeitsmittel in der Industrie dar. Vor allem für die Aktivierung, Reinigung, Beschichtung und das Ätzen sind Plasmaverfahren Stand der Technik. Der schonende Umgang mit Ressourcen und die Einhaltung von immer weiter steigenden Qualitätsanforderungen sind aus ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten notwendig und erfordern Aktivitäten in Forschung und Entwicklung. Durch die Messung der Konzentration wichtiger Plasmabestandteile, wie z.B. Radikale oder stabile Nebenprodukte sowie die Erfassung ihres zeitlichen Verhaltens können Aussagen über die dominanten Vorgänge, z.B. bei der Schichtabscheidung oder beim Ätzen getroffen werden. Durch das Monitoring von Schlüsselspezies, die aufgrund ihrer hohen Reaktivität sehr kurzlebig und in kleinen Konzentrationen auftreten, erhält der Anwender ein uniques Werkzeug zur Steuerung von Plasmen, mit dem der Prozess optimiert und die Behandlungsergebnisse reproduzierbarer werden. Dieser Ansatz konnte bereits in der Halbleiterindustrie erfolgreich umgesetzt werden.

Das Plasmanitrierverfahren ist eines der wichtigsten Verfahren zur Vermittlung einer höheren Oberflächenhärte von Werkstücken. Die höhere Oberflächenhärte erhöht den Widerstand gegen abrasiven, adhäsiven und korrosiven Verschleiß dieser Bauteile. Gemeinsam mit dem Partner TU Bergakademie Freiberg wird am INP ein neues Verfahren zum Nitrieren erarbeitet, das die Nachteile der bestehenden Technologie überwinden soll. Das sog. Active Screen Plasma Nitriding vermeidet durch ein innovatives Prozessdesign Effekte (Hohlkathodeneffekt, Bogenbildung, Randeffekte), die zu einer inhomogenen Bearbeitung des Werkstückes führen, z.B. durch lokales Aufschmelzen oder Sputtern. Das INP erarbeitet für dieses Verfahren eine neue Prozesskontrolle basierend auf der Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie, die mit der elektrischen Leistungsversorgung gekoppelt wird. Die wesentliche Leitspezies in diesem Prozess konnte bereits identifiziert werden. Ihre Konzentration stellt einen Kontrollparameter dar, der eine aktive Anpassung der Prozessbedingungen und damit die Optimierung des Härtungsprozesses ermöglicht.  

Der Nachweis von Gasen in sehr geringer Konzentration mit hoher Genauigkeit ist zum Beispiel wichtig in der Medizin, beim Umweltschutz, in der Sicherheitstechnik und in vielen anderen Bereichen. Im Gegensatz zu anderen Messmethoden in Speziallaboren hat die Analyse von Spurengasen mittels Laserabsorptionsspektroskopie viele Vorteile wie z. B. geringe Messzeiten und niedrige Nachweisgrenzen. Dabei liefert sie auch noch eindeutige Messergebnisse ohne störende Querempfindlichkeiten. Zur Realisierung hoher Empfindlichkeiten bis hinunter in den ppt-Bereich werden am INP Methoden eingesetzt, die moderne Infrarot-Laserlichtquellen und optische Resonatoren kombinieren. Nach erfolgreicher Validierung dieser Technologie für die Eignung, kompakte, transportable, ultrasensitive Mehrkomponenten-Spurengassensoren bereitzustellen, wird aktuell am INP im Rahmen eines Transferprojektes darauf basierend ein Prototyp entwickelt.

Atmosphärendruckplasmen nehmen in ihrer Bedeutung weiter zu und sind dabei, sich neue Anwendungsfelder zu erschließen, wie z.B. die Plasmasynthese, Plasmamedizin oder Dekontamination. Jedoch ist es aufgrund ihrer Eigenschaften schwierig, Aussagen über ihre Zusammensetzung und weitere wichtige Plasmaparameter zu treffen. Klassische Verfahren der Plasmadiagnostik sind aufgrund der hohen Dichte, die hohe Stoßraten und kurze Lebensdauern zur Folge haben, nicht oder nur begrenzt anwendbar. Moderne Verfahren der Bildgebung und Spektroskopie (z.B. Streakkamera, zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung) geben die Möglichkeit, den elektrischen Durchbruch zu analysieren und Aussagen über die elektrische Feldstärke zu treffen. Hier können wichtige Beiträge zur Auslegung und Steuerung dieser Quellen geleistet werden. Des Weiteren gelang in Kooperation mit der Universität Oxford durch die Methode der Optical Feedback Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy erstmalig die Detektion des Hydroperoxyl-Radikals im Effluenten eines nicht-thermischen Argon-Plasmajet an Luft. Diese Methode stellt die notwendige hohe Empfindlichkeit für die Detektion reaktiver, kurzlebiger Spezies zur Verfügung und soll daher zukünftig weiter ausgebaut werden, um bei der Aufklärung der Wirkmechanismen zu helfen und Ansätze für eine Prozesskontrolle erarbeiten zu können.


Projektthemen

Im Rahmen des von der DFG geförderten Projektes „Entwicklung neuer plasmagestützter Verfahren für thermochemische Randschichtbehandlungen von Eisenwerkstoffen mit einem Aktivgitter aus Kohlenstoff“ sollen in Zusammenarbeit mit der TU Bergakademie Freiberg die Grundlagen für die Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Randschichtbehandlung von Eisenwerkstoffen mit einem Aktivgitter aus kohlenstoffverstärktem Kohlenstoff (CFC) gelegt werden. Ziel des Projektes ist es, die wesentlichen Wirkmechanismen dieser Plasmadiffusionsbehandlung in verschiedenen Medien, besonders kohlenstoffhaltigen Medien, zu erforschen. Zu diesem Zweck erfolgen sowohl an einem Laborreaktor im INP als auch an einer industrienahen Anlage der TU Freiberg IR-absorptions- und optische emissionsspektroskopische Untersuchungen, um die plasmachemischen Reaktionen in Zusammenhang mit den erzielten Behandlungsergebnissen zu analysieren und Regelparameter für die kontrollierte Erzeugung carburierter und nitrocarburierter Randschichten mit definierten Eigenschaften sowie für eine sichere Prozessführung abzuleiten.

Projektleiter:
Prof. Jürgen Röpcke
Tel.: +49 3834 - 554 444
roepcke@inp-greifswald.de

In diesem DFG-geförderten Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem LAPLACE an der Universität Toulouse (Frankreich) die Entwicklung und Ausbildung von nicht-thermischen Atmosphärendruckplasmen für Oberflächenbeschichtungsanwendungen untersucht. Plasmen bei Atmosphärendruck, wie z.B. die dielektrisch behinderte Entladung bilden in der Regel ein nicht uniformes Plasma aus, was in inhomogenen Beschichtungsergebnissen resultieren kann. Insbesondere in Gasatmosphären mit Precursormolekülen fehlt es bislang an einem Verständnis der Entladungsphysik. Im Umkehrschluss führt eine Veränderung der Oberflächeneigenschaften im Beschichtungsprozess zu einer Veränderung der Plasmaparameter. Somit ist die Steuerung der Prozesse insbesondere bei hohen Leistungen noch immer schwierig. Im Projekt sollen die unterschiedlichen Entladungsregime (Einzelfilamente, selbstorganisierte Strukturen in sog. patterned discharges, diffuse Entladungen)  unter prozessrelevanten Betriebsbedingungen mittels systematisch etablierter elektrischer, optischer und spektroskopischer Methoden untersucht werden. Es soll erarbeitet werden, welche Mechanismen und Oberflächeneigenschaften für die Kontrolle der Plasmaparameter und die Strukturbildung in den Gasentladungen verantwortlich sind.

 

Projektleiter:

Prof. Dr. Ronny Brandenburg

Tel.: +49 3834 - 554 3818

brandenburg@inp-greifswald.de

 

In seinem Forschungs- und Innovationsförderungsprogramm KMU-Innovativ Photonik fördert das BMF das Verbundprojekt "Innovatives Plasmanitrieren durch dynamische Prozesskontrolle mittels optischer Frequenzkämme (InPro-F)". Am INP wird das Teilvorhaben "Hochauflösendes VIPA-Detektionssystem für dynamische Prozesskontrolle" bearbeitet.  Der Verbund besteht aus den Firmen Menlo Systems GmbH, der neoplas control GmbH sowie der RÜBIG GmbH & Co. KG. Ziel des Vorhabens ist es, einen Demonstrator eines optischen Mess- und Regelsystems, basierend auf Frequenzkamm-Laserspektroskopie zu erarbeiten, welcher zur Prozesssteuerung eines plasmagestützten Nitrier-, bzw. Nitrocarburierprozesses unter industriellen Bedingungen geeignet ist. Mit dem Projektergebnis soll für die Verfahren des plasmagestützten Nitrierens sowie Nitrocarburierens ein Technologiesprung erreicht werden durch die erstmalige Einführung einer kennzahlgesteuerten Prozessführung basierend auf in-situ Konzentrationsmesswerten von molekularen Plasmaspezies.

 

Projektleiter:

Dr. Norbert Lang
Tel.: +49(0) 3834 554 3879
langinp-greifswaldde

 

Ziel des im Rahmen von Eurostars geförderten Verbundvorhabens ist ein neuartiges kompaktes optisches Sensorsystem im mittleren Infrarot für die In-Situ-Prozessüberwachung in der Halbleiterindustrie, Umwelt- und Abgasüberwachung. Der innovative Ansatz beruht dabei auf der Nutzung von speziellen Fabry-Perot Quantenkaskadenlasern mit bis dato nicht erreichbaren Eigenschaften hinsichtlich spektralem Durchstimmbereich und Durchstimmrate. Das Konsortium besteht aus den Firmen Alpes Lasers SA und neoplas control GmbH sowie den Forschungseinrichtungen Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM) und INP.  Ziel des Teilvorhabens ist es, die angestrebten, innovativen Durchstimmeigenschaften dieser neuartigen Laserklasse für ein spektroskopisches Messsystem nutzbar zu machen und zu bewerten. Dies erfordert einerseits die Entwicklung eines speziell auf das level-crossing chirp-Verhalten abgestimmten Ansteuerungsverfahren des Lasers. Des Weiteren gilt es, besondere Anforderungen hinsichtlich der Detektion dieser Laser zu berücksichtigen und umzusetzen. Der zu entwickelnde Demonstrationssetup wird sowohl in-situ Messungen an Plasmaprozessen, wie beispielsweise Ätzprozesse in der Halbleiterindustrie ermöglichen, als auch extraktive Messungen an Gasproben, wie sie im Umweltmonitoring oder in der Atemgaskontrolle üblich sind.

 

Projektleiter:

Dr. Norbert Lang
Tel.: +49(0) 3834 554 3879

langinp-greifswaldde

 

In diesem von der DFG geförderten Vorhaben beschäftigt sich das INP zusammen mit dem Institut für Energietechnik an der TU Berlin mit der detaillierten und quantitativen Analyse der Pyrolyse von Holzpartikeln. Mit diesen grundlegenden Daten sollen Lücken im Verständnis des Pyrolysemechanismus geschlossen werden, die für jeden thermochemischen Umwandlungsprozess von großer Bedeutung sind. Das Hauptergebnis wird darin bestehen, heterogene Nebenreaktionen in den Pyrolysekinetikmechanismus von Holzpartikeln einzubeziehen, d. h. nicht nur den Einfluss dieser Reaktionen auf die flüchtige Zusammensetzung, sondern auch auf die Reaktionsenthalpien und die Prozesskinetik zu bestimmen. Für die Bestimmung der Gaszusammensetzung in unmittelbarer Nähe der Oberfläche eines pyrolysierenden Holzpartikels (im technisch relevanten cm-Maßstab) werden in-situ laserspektroskopische Methoden wie die Infrarotlaserabsorptionsspektroskopie und die laserinduzierte Fluoreszenz orts- und zeitaufgelöst eingesetzt.

 

Projektleiter:

Dr. Norbert Lang
Tel.: +49(0) 3834 554 3879
langinp-greifswaldde

 

Gegenstand dieses DFG-Projektes ist die modellbasierte Analyse räumlicher Schichtstrukturen sowie spontaner Modenübergänge und Instabilitäten in dielektrisch behinderten Atmosphärendruckentladungen. Dazu wird ein selbstkonsistentes hydrodynamisches Plasmamodell zur zeitabhängigen, räumlich zweidimensionalen Beschreibung einer Einzelfilamententladung in Argon bei Atmosphärendruck entwickelt und zur Erforschung von experimentell beobachteten Phänomenen eingesetzt. Wesentliches Ziel ist es, mittels Parameterstudien auf der Basis statistischer Versuchsplanung ein tieferes physikalisches Verständnis des Einflusses und der Wirkungsweise externer Entladungsparameter wie Spannungsamplitude und Frequenz sowie der Auswirkung von Gasverunreinigungen auf die Stabilität der Entladung zu erlangen. Letztendlich können so die Eingabegrößen optimiert sowie die verschiedenen Entladungsmodi gesteuert und für Anwendungen nutzbar gemacht werden.


Projektleiter:

 

Dr. Markus Becker

Tel.: +49(0) 3834 554 3821

markus.beckerinp-greifswaldde

 

 

 

The project "Terahertz Detection of Atoms in Plasma Processes" aims at the development of spectroscopic methods in the terahertz (THz) spectral range for the determination of the absolute density of atoms and ions for a variety of species in technologically relevant plasma processes such as plasma-aided deposition of AlN and Si-based films. The joint proposal brings together the expertise of the Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik in the field of manufacturing customized THz quantum-cascade lasers for spectroscopic applications and of the Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie in the field of spectroscopic plasma diagnostics. Our novel approach is based on the detection of hyperfine transitions of the ground state in metal atoms and ions in the THz spectral range using quantum-cascade lasers. These lasers can be conveniently used in coolant-free Stirling coolers allowing for a compact setup. For the detection of Si, Al, N+, and O, single-mode quantum-cascade lasers emitting at 2.31, 3.36, 3.92, and 4.75 THz, respectively, will be developed and manufactured. Frequency combs spanning the spectral range from 3.3 to 4.0 THz will be developed for the simultaneous detection of Al and N+ allowing for a compact process control system based on dual-comb spectroscopy for the deposition of AlN films.

 

 

Projektleiter:

 

Dr. Mario Hannemann

Tel.: +49(0) 3834 554 3856

hannemanninp-greifswaldde

 

 

 


Publikationen

B Bagheri et al 2018 Plasma Sources Sci. Technol. 27 095002
https://doi.org/10.1088/1361-6595/aad768

 

H. Almuina-Villar, N. Lang, A. Anca-Couce, J. Röpcke, F. Behrendt, A. Dieguez-Alonso,
Application of laser-based diagnostics for characterization of the influence of inorganics on the slow pyrolysis of woody biomass,Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Volume 140, 2019, Pages 125-136, ISSN 0165-2370,
https://doi.org/10.1016/j.jaap.2019.03.004.

 

Brandenburg, R, Bogaerts, A, Bongers, W, et al. White paper on the future of plasma science in environment, for gas conversion and agriculture. Plasma Process Polym. 2019;16:e1700238, https://doi.org/10.1002/ppap.201700238

 

Lang, N.; Macherius, U.; Zimmermann, H.; Glitsch, S.; Wiese, M.; Röpcke, J.; Van Helden, J.H. RES-Q-Trace: A Mobile CEAS-Based Demonstrator for Multi-Component Trace Gas Detection in the MIR. Sensors 2018, 18, 2058.
http://doi:10.3390/s18072058

 

A Puth et al 2018 Plasma Sources Sci. Technol. 27 075017
https://doi.org/10.1088/1361-6595/aad035

 

M Gianella et al 2018 Plasma Sources Sci. Technol. 27 095013
https://doi.org/10.1088/1361-6595/aadf01

 

Nemschokmichal, S., Tschiersch, R., Höft, H. et al. Eur. Phys. J. D (2018) 72: 89.
https://doi.org/10.1140/epjd/e2017-80369-1

 

Sina Jahanbakhsh et al 2018 Plasma Sources Sci. Technol. 27 115011
https://doi.org/10.1088/1361-6595/aaec5f

 

Kontakt

Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V.
Felix-Hausdorff-Str. 2
17489 Greifswald

Prof. Dr. Ronny Brandenburg
Forschungsschwerpunktleiter Plasmachemische Prozesse

Tel.: +49 3834 - 554 3818
Fax: +49 3834 - 554 301

brandenburginp-greifswaldde
www.leibniz-inp.de

brandenburg_ronny.jpg
brandenburg.jpg