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Filamentary and Homogeneous Modes of Dielectric Barrier Discharge (DBD) in Air: Investigation through Plasma Characterization and Simulation of Surface Irradiation
No full textDBD plasma source operated in single-filamentary mode for therapeutic use in dermatology
No full textOur dielectric barrier discharge (DBD) plasma source for bio-medical application comprises a copper electrode covered with ceramic. Objects of high capacitance such as the human body can be used as the opposite electrode. In this study, the DBD source is operated in single-filamentary mode using an aluminium spike as the opposite electrode, to imitate the conditions when the discharge is ignited on a raised point, such as hair, during therapeutic use on the human body. The single-filamentary discharge thus obtained is characterized using optical emission spectroscopy, numerical simulation, voltage-current measurements and microphotography. For characterization of the discharge, averaged plasma parameters such as electron distribution function and electron density are determined. Fluxes of nitric oxide (NO), ozone (O-3) and photons reaching the treated surface are simulated. The calculated fluxes are finally compared with corresponding fluxes used in different bio-medical applications
Characterization of Dielectric Barrier Discharge (DBD) on Mouse and Histological Evaluation of the Plasma-Treated Tissue
No full textModelling and Diagnostics of Low Pressure Plasma Discharges
No full textThe presented thesis deals with various aspects of models for low pressure discharges. As well the theoretical background of hydrodynamic plasma models as the comparison of calculated data with experimental results are discussed. In the first part of this work hydrodynamic conservation equations are derived from the Boltzmann equation. Main focus is the application to low pressure plasmas. Different model systems for electrons and ions are presented. The question in which case simplified models can be applied, is treated as well as numerical aspects and algorithms for obtaining a solution are discussed. In a second part hydrodynamic models were used for performing one-dimensional simulations. The sensitivity of the model in dependence of input parameters like momentum exchange frequencies was analysed. As well different model systems were compared qualitatively in order to get an estimate for the error introduced by using simple and numerical more stable model systems. In the third part hydrodynamic models were applied to simulate different kinds of low pressure discharges. Main focus were inductively driven plasmas like they are used in semiconductor fabrication as high density plasma source. Calculated data for this kind of discharge were compared with experimental values obtained from Langmuir probe measurements. Theory and experiment show very good agreement. In a final part the scaling laws and geometry dependence derived from hydrodynamic models were used to assemble a set of general reactor design rules. Examples were presented, how reactor performance can be optimised by careful choice of geometry parameters. Also general dependencies on external parameters like discharge pressure were discussed.Niederdruck-Plasmaverfahren sind zum unverzichtbaren Bestandteil moderner Hochtechnologieprozesse geworden. Neben einer Vielzahl innovativer Anwendungen im Bereich Oberflächenbehandlung bzw. -veredelung sowie Beleuchtungstechnik ist vor allem der Einsatz von Niederdruckentladungen in der Fertigung von Halbleitern bzw. Flachbildschirmen von wirtschaftlicher Bedeutung. Typischerweise sind Plasmaverfahren bei der Herstellung einer modernen integrierten Schaltung an bis zu 50 Teilprozessschritten beteiligt. Die zunehmende Integrationsdichte und die stetig steigenden Anforderungen an die Ausbeute der Einzelschritte erfordern in zunehmendem Maße ein grundlegendes Verständnis der komplexen physikalischen sowie plasmachemischen Prozesse. Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick, wie die in Niederdruckplasmen ablaufenden Transportprozesse mittels geeigneter mathematischer Modelle verstanden werden können. In gleichem Maße wird auf eine Validierung der theoretischen Daten Wert gelegt. Neben allgemeinen Betrachtungen zur Gültigkeit von hydrodynamischen Beschreibungen liegt der Schwerpunkt bei der Beschreibung moderner induktiver Plasmaquellen, wie sie vermehrt in der Halbleiterfertigung eingesetzt werden. Die Modellrechnungen werden vielfach mit experimentellen Daten verglichen. Es wird nachgewiesen, dass hydrodynamische Modelle in der Lage sind, mit großer Genauigkeit Elektronendichteverteilungen sowie Teilchenflüsse vorherzusagen. Neben einer ausführlichen und vergleichenden Diskussion verschiedener Modellsysteme wird im eindimensionalen Fall eine Empfindlichkeitsanalyse durchgeführt, die den Einfluss der zugrundeliegenden Eingabedaten der Modelle diskutiert. Große Aufmerksamkeit wird hierbei der Frage der Gültigkeit vereinfachter Modelle gewidmet, d.h. in welchen Bereichen evtl. vereinfachte, und deshalb schnellere und stabilere Modelle eingesetzt werden können. Die gesamte Veröffentlichung gliedert sich in drei Teile. Um einen qualitativen Vergleich der verschieden komplexen Modellansätze zu ermöglichen, wird zunächst die allgemeine Klasse hydrodynamischer Modellsysteme aus der Boltzmann-Gleichung hergeleitet. Anhand einzelner Vereinfachungen gelangt man zu Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie. Die Frage einer numerischen Lösung, ebenso wie die Wahl geeigneter Randbedingungen, wird mit Hinblick auf bereits vorliegende Arbeiten anderer Autoren ausführlich diskutiert. Im zweiten Teil werden für eindimensionale Testprobleme die verschiedenen denkbaren Modellansätze qualitativ verglichen und die Gültigkeitsbereiche sowie Empfindlichkeiten gegenüber den verwendeten Eingabedaten analysiert. Im letzten Teil schließlich werden zweidimensionale induktive Entladungen behandelt. Theoretische Ergebnisse werden mit experimentellen Daten, gewonnen aus Sondenmessungen, verglichen und bestätigen in einem weiten Parameterbereich die Anwendbarkeit hydrodynamischer Transportmodelle. Die abschließenden Abschnitte sind der Thematik Designregeln gewidmet. Exemplarisch wird dargestellt, wie mittels geeigneter optimierter Geometrie der Entladungskammer ein optimales Prozessergebnis erzielt werden kann. Die wesentlichen physikalischen Grundmechanismen, die bei dem Entwurf von Entladungen berücksichtigt werden sollten und eine Reihe von "Faustregeln" die Kammerdesign ohne aufwendige Modellrechnungen ermöglichen, werden diskutiert
Untersuchung von Plasmaprozessen und deren Einfluss auf die Verbundeigenschaften von mittels Plasmapolymerisation beschichtetem Polypropylen
No full textKorrelation von Plasma- und Schichteigenschaften bei der reaktiven Plasmasynthese von Hartstoffschichten
No full textKorrelation von Plasma- und Schichteigenschaften bei der reaktiven Plasmasynthese von Hartstoffschichten
No full textProzessentwicklung zur Abscheidung dehnbarer Barriereschichten auf PET mittels Plasmapolymerisation
No full textNanopartikelbildende Reaktive Plasmen: Ein Multidiagnostischer Ansatz
No full textThis work summarises experiments that were performed in the frameworkm of the TR24-Grundlagen komplexer Plasmen. Specifically, the experiments summarised in this work were aiming at investigating the process of nanoparticle formation in reactive plasmas and the interaction between the dispersed nanoparticles and the discharge with a multidiagnostic approach.Diese Arbeit fasst Experimente, die im Rahmen des Sonderforschungsbereiches TR24-Grundlagen komplexer Plasmen erzielt wurden, zusammen. Präziser ausgedrückt fasst diese Arbeit Experimente zusammen, deren Ziel die Untersuchung der Bildung von Nanopartikeln in reaktiven Plasmen und der Wechselwirkung der dispergierten Nanopartikel mit der Entladung war. Dazu wurde ein multidiagnostischer Ansatz verwendet
Fluorbasiertes Trockenätzen von Mikrostrukturen in Glas und Glaskeramik
No full textMit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von nahe 0 im Temperaturbereich von 0. . . 50 °C wird Zerodur vielfach für temperaturstabilisierte Systeme eingesetzt. Da es an Untersuchungen und Ergebnissen zu Batch-kompatiblen Mikrostrukturierungsverfahren mit hoher Genauigkeit fehlt, ist dessen Einsatz in der Mikrosystemtechnik bisher jedoch selten. Die Ursachen dafür liegen in den herausfordernden Materialeigenschaften. In dieser Arbeit wird ausgehend von Untersuchungen an herkömmlichen Gläsern das Plasmatiefenätzen der komplexen Glaskeramik Zerodur im Fluorplasma als massenmarkttaugliche Strukturierungsmöglichkeit untersucht. Herausfordernd ist dabei zum einen die komplexe chemische Zusammensetzung. So ist ein Großteil der Bestandteile im Fluorplasma nicht chemisch ätzbar. Weiterhin muss den thermischen Eigenschaften wie der Wärmeleitung und der thermischen Dehnung mehr Beachtung geschenkt werden, als dies z.B. für die Strukturierung von Silicium oder anderen herkömmlichen Gläsern der Fall ist. Für die Untersuchungen des Ätzverhaltens kommt ein induktiv-gekoppeltes Plasma (ICP-RIE) zum Einsatz. Wegen der hohen Plasmadichte bei gleichzeitig geringem Prozessdruck sind eine hohe Ätzrate und Anisotropie erreichbar. Das optimierte Ionen-induzierte Ätzen setzt aber Hartmasken voraus, die sowohl stabil gegenüber den thermischen und chemischen Belastungen als auch dem physikalischen Ionenbeschuss sind. Hierzu wurde eine geeignete Maskierungstechnik etabliert. Ausgehend von den erreichten Ergebnissen in Quarzglas wird der Einfluss der Materialkomplexität auf das Ätzergebnis untersucht. Dabei werden komplexe Borosilikatgläser mit unterschiedlichen Anteilen an nichtflüchtigen Reaktionsprodukten im Fluor-Plasma betrachtet. Der Einfluss der Materialkomplexität auf die Ätzrate, die Selektivität, die Rauheit des Ätzbodens und die Vertikalität der Seitenwände wird eingehend diskutiert. Diese Erkenntnisse dienen als Ausgangspunkt für die Untersuchungen der komplexen Glaskeramik Zerodur. In einer breiten Parameterstudie zeigt sich, dass mit der Wahl der Prozessparameter Einfluss auf die topografischen Kenngrößen der erzeugten Strukturen genommen werden kann. Hohe Ätzraten von mehr als 250 nm/min bei einer Selektivität von 6,4 und einem Flankenwinkel von 70,5° werden mit den Ätzgasen SF6/CHF3 und SF6 erreicht. In der Anwendung der prozesstechnischen Erkenntnisse wird die Freistellung von mikromechanische Elementen demonstriert. Mit einem optimierten Prozess können Wafer mit einer Dicke von 150 [my]m vollständig durchgeätzt werden. Der dafür entwickelte zweiseitige Ätzprozess erlaubt ein hohes Aspektverhältnis trotz Flankenneigung. Die weiteren Herausforderungen an den Freistellungsprozess und die optimale Wahl der Prozessparameter werden eingehend diskutiert. Strukturuntersuchungen der tiefengeätzten und freigestellten Strukturen zeigen, dass nichtflüchtige Reaktionsprodukte aus Aluminium und Fluor den Strukturierungsprozess beeinflussen. Hier existieren Unterschiede zwischen dem Tiefenätzen und dem Freistellen, die mit einem entwickelten Erklärungsmodell beschrieben werden können, das auch auf andere komplexe Gläser und Glaskeramiken angewendet werden kann. Diese Arbeit leistet einen wichtigen Beitrag zur Batch-kompatiblen Strukturierung komplexer Gläser und Glaskeramiken in Fluorplasmen. Vor allem die Strukturierung von Zerodur hebt sich vom wissenschaftlichen Stand ab. Bislang konnte hierfür nur auf Literatur mit einem geringen Umfang an Ergebnissen zurückgegriffen werden.Zerodur is widely used for temperature-stabilized systems because of its extreme low thermal expansion in a temperature range of 0 − 50 °C. The lacking of investigations on batch-compatible high accuracy micro-structuring makes the use of the material in microtechnology rather rare. The challenges lie in the material properties. In this work, the microstructuring of the complex glass-ceramic Zerodur is investigated by deep plasma etching with fluorine-containing gases. Challenging on one hand is its complex chemical composition, a high amount of the reaction products are non-volatile. On the other hand, more attention needs to be paid to thermal properties such as thermal conduction and thermal expansion. These make the structuring more difficult than that of silicon or other glasses. For the investigation of the etching behaviour, an inductively coupled plasma is used for a high etch rate by high plasma density at low process pressure. This allows an efficient ion-induced etching, but requires hard masks to be thermally, chemically stable and resistant to ion bombardment. Based on the structuring results of fused silica, the influence of material complexity on the etching results is investigated. Various, complex borosilicate glasses with different levels of non-volatile reaction products in the fluorine plasma were used. The influences on the etch rate, the selectivity, the roughness of the etch bottom as well as the verticality of the sidewalls are determined as the starting point for the investigations of Zerodur. A broad parameter study for Zerodur shows that the process parameters can influence the topographical parameters of the etched structures. High etch rates of more than 250 nm/min with a selectivity of 6.4 and a flank angle of 70.5 °C are achieved with a combination of etching gases SF6/CHF3 and SF6. In a further step, the releasing of micromechanical elements is demonstrated. With an optimized process, wafers with a thickness of 150 μm can be completely etched through. The developed double-sided etching process allows a high aspect ratio despite the conical structure profile. Additional challenges due to the releasing process and the optimal choice of process parameters are discussed in detail. Investigations of the deep-etched and released structures show that non-volatile reaction products of aluminium and fluorine affect the patterning process. The determined differences on the sidewall composition between the deep etched and the released elements can be described in a developed explanatory model, which can be used for other complex glasses and glass ceramics, too. This work makes an important contribution to the batch-compatible structuring of complex glasses and glass ceramics in a fluorine plasma. The scientific view on the structuring of Zerodur in this context goes beyond the state of the art. So far, only patents with a low depth of information on micro structuring of this glass ceramic could be used
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