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Abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit wird die Anwendung der hochauflösenden absorptionsspektroskopischen Methode der Cavity-Ringdow-Spectroscopy (CRDS) auf Sputterprozesse an Silizium und Quarz beschrieben, die durch einen Argon- oder Sauerstoffionenstrahl niedriger Energie einer neu entwickelten Ionenquelle generiert werden. Anhand der Ergebnisse der Messungen wird die Sputterwirkung der Plasmaionen einer Ionenquelle auf ihre Komponenten diskutiert.

Sputterprozesse bestimmen im Wesentlichen die Lebensdauer der Bauteile in Plasma- und Ionenquellen, die im direkten Kontakt zum Plasma stehen, wie aus Silizium hergestellte Ionenextraktionsoptiken oder Plasmawände aus Quarz.

Aufgrund der Wechselwirkung der Ionen mit den Festkörperoberflächen der Komponenten kommt es in beiden Fällen zum Herauslösen (Sputtern) einiger Atome aus dem Festkörperverbund. Sputterprozesse niedriger Ionenenergie (< 1 keV), wie sie hier von Bedeutung sind, sind dabei kaum erforscht. Anhand von CRDS-Messungen wird der Sputteryield von Silizium an einem Silizium- oder Quarztarget in einem Ionenstrahlsputterprozess niedriger Ionenenergie bestimmt.

Zur Berechnung des Sputteryields mittels CRDS wird anhand der Absorption die absolute Siliziumdichte und, unter der Anwendung eines neu entwickelten mathematischen Modells, die Geschwindigkeitsverteilung vor dem Target ermittelt. Der Sputteryield ergibt sich aus dem Quotienten von Silizium- und Ionenfluss.

Aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse wird die Sputterwirkung der Ionen im Plasma auf die Quarzwände der Plasmakammer und die Ionenextraktionsoptik diskutiert. Dabei erfolgt eine Abschätzung von Erosionseffekten, die die Lebensdauer der Komponenten der Ionenquelle bestimmen.

Abstract (English)

The application of the very sensitive absorption method of cavity ring-down spectroscopy (CRDS) on sputtering processes on silicon and quartz generated by both a low energy argon or oxygen ion beam performed by a newly developed ion source will be presented in this work. With the results of these measurements the sputtering effects of plasma ions of an ion source on its components will be discussed.

Sputtering processes are decisive for the lifetime of plasma and ion source components, which are in contact to the plasma itself – this means especially ion extraction optics out of silicon or quartz plasma walls.

In both cases some atoms of the solid get sputtered due to the interaction of the ions with the surface of the mentioned components. Investigation of significant low ion energy sputtering processes (< 1keV) are incomplete. To obtain sputtering yield of a silicon or a quartz target generated by a low energy ion beam CRDS is used.

By measuring the absolute silicon density by absorption analysis using CRDS one can calculate the silicon sputtering yield. For this one can obtain the particle velocity distribution by using a newly developed mathematical model. The sputtering yield results from the quotient of the silicon’s and the ions’ fluxes.

From the results of this work sputtering effects on quartz plasma walls and the ion extraction optics made of silicon can be discussed. Erosion effects which determine the life time of the ion source’s components can be estimated.

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