Niedrigdruckplasma

Niederdruckplasma, auch Nieder- oder Niedrigdruckplasma genannt, bezeichnet ein Plasma, das bei niedrigem Umgebungsdruck in einer Gasphase erzeugt wird. Typischerweise liegen die Drücke im Bereich von wenigen Pascal bis zu einigen Hundert Pascal (unter 1 Torr bis zu mehreren Zehntorr). Durch die niedrigen Drücke ist der mittlere freie Weg der Teilchen lang, was den Kollisionsprozess gegenüber Hochdruckplasmen dominiert. Elektronen sind deutlich heißer als die schweren Spezies, sodass das Plasma häufig als Nichtgleichgewichts- oder Nichtthermisches Plasma klassifiziert wird.

Erzeugung und Quellenformen: Niederdruckplasmen entstehen durch Anlegen elektrischer oder elektromagnetischer Felder in einer Vakuumkammer mit Gas. Häufige Konfigurationen sind kapazitiv gekoppelte Plasmen (CCP) und induktiv gekoppelte Plasmen (ICP); es existieren auch Gleichstrom-Glühentladungen sowie Magnetronen. Als Trägergase werden oft Edelgase wie Argon oder Helium eingesetzt, teils mit reaktiven Gasen (O2, CF4, SF6), um Abtragung, Oxidation oder Deposition zu ermöglichen. An Oberflächen bildet sich eine charakteristische Abschirmschicht (Sheath), in der Ionen auf das Substrat beschleunigt werden können.

Eigenschaften: Die Elektronendichte liegt typischerweise bei 1015 bis 1019 m^-3, während die schweren Spezies meist die Umgebungstemperatur beibehalten. Die Elektronenerverteilung ist oft nicht-Maxwellian; die Gasmoleküle bleiben vergleichsweise kalt. Diese Nichtgleichgewichtseigenschaften ermöglichen hohe Reaktionsraten bei vergleichsweise geringen Gesamtenergien.

Anwendungen: Niederdruckplasmen spielen eine zentrale Rolle in der Halbleiterfertigung, insbesondere beim Trockenätzen (Etching) und der Abscheidung dünner Schichten mittels PVD/CVD in Vakuumsystemen. Weitere Anwendungen umfassen Oberflächenmodifikation, Texturierung, Plasma-Treatment, Sterilisation und Forschung in der Plasmaphysik.

Diagnostik und Prozesssteuerung: Plasmen werden durch Diagnostik wie Langmuir-Proben, Optische Emissionsspektroskopie (OES), Mikrowelleninterferometrie oder Laserdiagnostik charakterisiert. Prozessparameter wie Druck, Gaszusammensetzung, Leistungsart und Frequenz bestimmen Ionensfluss, Temperatur der schweren Teilchen und Plaz Zustand.