Raffinierte Schwingungen steuern Plasma

Physiker entwickeln Technologie, um Solarzellen schneller zu fertigen

19.10.2012 - Deutschland

Dass Gegenlicht auf einer Brille keine störenden Reflexionen hervorruft, dass ein Kolben in einem Motor reibungsarm hin- und hergleiten kann, dass eine Glasplatte kratzfest ist und dass Solarzellen Sonnenlicht in Strom verwandeln – all das ist nur möglich durch hauchdünne Beschichtungen, die mit Hilfe eines Plasmas aufgetragen werden. Ein Plasma ist ein komplexer Cocktail aus geladenen Teilchen, und ihn gezielt zu steuern, um Fahrzeugteile zu beschichten oder Solarzellen herzustellen, ist schwierig. Physiker der Ruhr-Universität Bochum haben einen neuen Weg gefunden, das vielschichtige Zusammenspiel der Plasmakomponenten zu kontrollieren und so schnellere Beschichtungen zu ermöglichen.

Dünne Schichten für funktionierende Oberflächen

Führt man einem festen Stoff Energie zu, zum Beispiel durch Erhitzen, wird er erst flüssig, dann gasförmig und letzten Endes ein Plasma – die eingespeiste Energie löst erst die Bindungen zwischen den einzelnen Atomen und zersetzt schließlich sogar die Atome selbst Beschießt man mit einem solchen Teilchengemisch eine Oberfläche, lagern sich Bestandteile des Plasmas in nur wenige Nanometer dünnen Schichten ab und verändern die Eigenschaften der Oberfläche. So machen Plasmen es möglich, Solarzellen herzustellen: mit dünnen Schichten Silicium mit gelegentlichen Fremdatomen.

Mit einem Trick gelingt das Feintuning

Essentiell für Beschichtungen ist, wie viele Ionen auf die zu beschichtende Oberfläche treffen und mit welchem Schwung, das heißt Ionenfluss und Ionenenergie. Unglücklicherweise hängen diese beiden Größen eng zusammen – beeinflusst man die eine, ändert sich auch die andere. Wissenschaftlern um Prof. Dr. Uwe Czarnetzki vom Lehrstuhl für Experimentalphysik, insbesondere Plasma- und Atomphysik an der Ruhr-Universität ist es geglückt, mit einem raffinierten Trick Ionenenergie und Ionenfluss unabhängig voneinander einzustellen.

Ein Ungleichgewicht hilft bei der Steuerung

Um das Plasma zu steuern, ändern sie die angelegte Spannung, aber nicht bloß die Amplitude oder die Frequenz, sondern die ganze Schwingung: Statt der gewöhnlichen Wechselspannung speisen sie zwei Schwingungen ein, einmal in der Grundfrequenz von 13,56 Megahertz, einmal mit einer Vielfachen dieser Grundfrequenz. Wenn sich diese beiden Spannungsverläufe überlagern, schwingt die Spannung nicht mehr wie zuvor gleichmäßig hin und her, sondern sie ist im Maximum nicht mehr genau so hoch wie im Minimum. Das Plasma reicht an die eine Elektrode nicht mehr so nah heran wie an die andere, kann also nicht gleichmäßig auf beiden Seiten Elektronen abgeben. Um das zu kompensieren, bildet sich an einer Elektrode im Reaktor plötzlich eine Gleichspannung aus, der sogenannte Bias. Dieses Phänomen haben die Bochumer Elektrischer Asymmetrie-Effekt getauft, und es lässt sich nutzen, um die Ionenenergie für die Beschichtung einzustellen. Die Gleichspannung des Bias verschiebt die Potentiale im Plasma und sorgt so dafür, dass an einer Elektrode die Ionenenergie steigt, an der anderen aber absinkt. Dies funktioniert auch, wenn die Entladung in ihrer Geometrie völlig symmetrisch ist. Dies ist insbesondere in der industriellen Anwendung der Fall, wo oft eine Entladung zwischen zwei einige Quadratmeter großen Platten im Abstand von nur wenigen Zentimetern abläuft. Bisher musste man damit leben, dass damit an beiden Elektroden genau das Gleiche passierte. Ohne am Aufbau etwas zu ändern kann nun rein elektrisch über die Phase die Symmetrie gebrochen werden. Die Energie der Ionen am Substrat wird damit auf bequeme Weise regelbar.

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