10.03.2023 • Plasma

Ein kostengünstiger Detektor für energiereiche UV-Strahlung

System zur Messung der UV-Strahlung bei der Erzeugung von Niederdruck-Plasmen.

Legt man an ein Gas unter sehr geringem Druck eine Spannung an, so werden darin Elektronen stark beschleunigt. Wenn diese dann mit Gasteilchen kollidieren, können aus letzteren geladene Ionen oder auch besonders reaktive neutrale Radikale entstehen. „Diese lassen sich zum Beispiel nutzen, um von Oberflächen Material abzutragen und so etwa auf Mikrochips miniaturisierte Schaltkreise zu erzeugen“, erklärt Roland Friedl von der Uni Augsburg.

Abb.: Der Detektor (rechts, mit Aufschrift) ist klein und kostengünstig. Er... — Abb.: Der Detektor (rechts, mit Aufschrift) ist klein und kostengünstig. Er eignet sich, um die VUV-Emissionen von Niederdruckplasmen zu messen und zu optimieren. (Bild: U. Augsburg)

Doch in derartigen Niederdruck-Plasmen entsteht auch besonders energiereiche ultraviolette Strahlung, die als Vakuum-UV bezeichnet wird. Manchmal ist das erwünscht. So wird VUV-Strahlung zur Desinfektion von Oberflächen medizinischer Implantate eingesetzt. Andererseits kann sie auch ungewollte Effekte auslösen: Sie kann beispielsweise die Oberflächen angreifen, die ihnen ausgesetzt sind, und darin für schädliche chemische Reaktionen sorgen.

„Ziel ist es daher, Schäden durch VUV-Strahlung möglichst gering zu halten und ihre gewollten Effekte zu verstärken“, betont Friedl. „Das lässt sich etwa durch gezielte Veränderung von Druck, Temperatur oder Zusammensetzung des Plasmas erreichen.“ Auf diese Weise ist es oft möglich, Intensität und Wellenlängenverteilung der VUV-Strahlung zu optimieren. Doch dazu muss man beides erst einmal messen. „Das ist aber nicht so trivial, wie es sich anhört“, erklärt Friedl. „Man nutzt dazu oft große und teure Spektrometer, die zudem aufwändig kalibriert werden müssen.“

Friedl und seine Kollegen haben jetzt ein handliches und preiswertes Gerät entwickelt, das diese Nachteile nicht hat. Es besteht aus einem Sensor, der für UV-Licht empfindlich ist, einer Photodiode. Beim Messvorgang werden vor diese Diode verschiedene Filter gesetzt, die jeweils nur bestimmte Teile des UV-Spektrums durchlassen. „So können wir feststellen, welche Wellenlängen in der VUV-Strahlung auftreten“, sagt Caecilia Fröhler-Bachus von der Uni Augsburg.

Das Team wollte aber auch wissen, wie intensiv die VUV-Strahlung in den verschiedenen Wellenlängenbereichen war. „Dazu haben wir unseren Detektor an einem handelsüblichen VUV-Spektrometer kalibriert, das seinerseits zuvor aufwändig kalibriert wurde“, erklärt Fröhler-Bachus. Dadurch lässt sich mit dem neuen Gerät die VUV-Strahlung über einen breiten Bereich des Spektrums genau quantifizieren - mit kleinen und kostengünstigen Detektoren konnte man das bislang nicht.

Die Neuentwicklung lässt sich zum Beispiel nutzen, um die verschiedenen Parameter bei der Erzeugung des Plasmas so zu optimieren, dass die entstehende VUV-Strahlung möglichst wenig Schaden anrichtet, ohne die anderen prozessfördernden Eigenschaften des Plasmas zu verlieren. Finanziert wurde das Projekt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft. „Wir haben darin zudem die Möglichkeiten und Grenzen des Verfahrens ausgiebig analysiert“, sagt Friedl. Der Detektor funktioniert so gut, dass er bereits von verschiedenen Forschungslaboratorien in Deutschland genutzt wird.

U. Augsburg / RK