Teilprojekt 4

Modellierung des Gasmanagements in Mikrowellen-Plasmabrennergeometrien für die gezielte Einbringung von Partikeln und deren Verdampfung für chemische Hochrateprozesse

Für energieeffiziente und ressourcenschonende Hochrateprozesse in der plasmachemischen Beschichtungstechnik ist eine empirische Optimierung des Gasmanagements nicht ausreichend. Daher besteht auf dem Gebiet der Modellierung und Simulation von plasmachemischen Prozessen großer Forschungsbedarf.

Das Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit der Simulation von heißen und kalten Gasströmungen in unterschiedlichen Geometrien, der detaillierten Modellierung des Plasmas sowie dem Aufschmelzen, Verdampfen und der Überführung in die Plasmaphase von eingebrachten Partikeln, wodurch Erkenntnisse über chemische Vorgänge in reaktiven Plasmen und ein eingehendes Verständnis der Plasma-Partikel-Wechselwirkung erlangt werden. Die Resultate der Plasmasimulation, wie die räumliche Verteilung von Elektronendichte und Elektronen- und Gastemperatur, werden mit optischer Emissionsspektroskopie validiert. Mit Hilfe von Hochgeschwindigkeits-Kameraaufnahmen von Partikelleuchtspuren werden deren Trajektorien beobachtet und dienen somit zur Überprüfung der Strömungssimulationsergebnisse.

Diese Arbeiten bieten die Grundlage für eine erfolgreiche Entwicklung verbesserter Reaktorgeometrien und einer effizienten Gas- und Partikelzuführung, die eine Optimierung von Hochrateprozessen zur Folge hat.

Ziel

Anschauliche Darstellung der geplanten Projektarbeiten
© Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie (IGVP), Universität Stuttgart

Anschauliche Darstellung der geplanten Projektarbeiten

Ziel des Teilprojektes ist die Beschreibung eines Mikrowellen-Plasmabrenner-Systems durch Simulation der Gasströmungen und der eingebrachten Partikel für die Hochratebeschichtung. Durch Erstellen des Entladungsmodells kann eine optimierte Reaktorgeometrie und eine effiziente Gas- und Partikelzuführung erzielt werden, die eine Verbesserung des Hochrateprozesses und eine deutliche Reduktion des Gasverbrauchs zur Folge hat.

Bei Erreichen des Zieles stehen die plasmaphysikalischen und strömungsmechanischen Grundlagen für eine Umsetzung in die Anwendung zur Verfügung.

Vorgehensweise

  • Die elektromagnetischen Felder in einer bereits bestehenden Mikrowellen-Plasmabrenner-Geometrie werden mit Hilfe eines Simulationsprogrammes modelliert. Dabei wird eine Geometrie erarbeitet, welche eine optimale Feldverteilung für die Zündung und den Betrieb des Plasmas aufweist. Diese wird schließlich gefertigt und mit Hilfe von Feldmessungen und Impedanzanalysen validiert.
  • Ausgehend von der optimierten Geometrie werden zunächst kalte Gasströmungen simuliert. Eine Kernströmung wird dabei zur Stabilisierung mit einem rotierenden Strömungsfeld umhüllt. Die Simulationsergebnisse werden mit Hilfe von Hochgeschwindigkeits-Kamera-Aufnahmen von Aerosolströmungen und Partikelspuren überprüft.
  • Plasmaeigenschaften, wie die Gas- und Elektronentemperatur sowie die Elektronendichte werden anhand eines Argon-Wasserstoff-Plasmas mittels optischer Emissionsspektroskopie sowohl orts- als auch zeitaufgelöst bestimmt. Außerdem sollen Messungen der emittierten Strahlung des Plasmas Aufschluss über dessen Strahlungsverluste geben.
  • In einem weiteren Simulationsschritt wird das Plasma als lokale Wärmequelle in das Strömungsmodell implementiert. Dazu wird die experimentell ermittelte räumliche Temperaturverteilung im Plasma in die vorangegangenen Strömungssimulationen eingearbeitet. Das so ermittelte Strömungsprofil wird mit Hilfe von Aerosolströmungen und Partikelspuren überprüft.
  • Um das bisherige vereinfachte Modell weiter zu vervollständigen, muss auch die Rückwirkung des Plasmas auf das eingestrahlte Mikrowellenfeld berücksichtigt werden. Dazu wird das Plasma über das Drude-Modell in die Simulation implementiert, welches dem Plasma über die Elektronendichte und die Stoßfrequenz eine Leitfähigkeit und eine Permittivität zuordnet.
  • Es folgt die Erweiterung des Plasmamodells um plasmachemische Reaktionsmechanismen. Dazu werden Ionisations-, Rekombinations- und Diffusionsreaktionen berücksichtigt, wodurch sich das Plasma dynamisch beschreiben lässt. Diese Beschreibung ermöglicht es dem Plasma mit den Gasströmungen und Mikrowellenfeldern zu wechselwirken und sich gegebenenfalls räumlich zu bewegen.
  • Das Einbringen von Partikeln in das Plasma sowie deren Aufschmelzen, Verdampfen und die Überführung in die Plasmaphase soll experimentell untersucht werden. In den zugehörigen Simulationen werden Schritt für Schritt die Wechselwirkungen der Partikel mit den Gasströmungen, der Temperaturverteilung, den Feldern und den plasmachemischen Reaktionen modelliert.