PLASMAPHYSIK VIII: Plasmadiagnostik

Plasmaphysik X
Plasmadiagnostik
Gerhard Franz
ISBN 978-3-943872-03-3
3. Oktober 2014
Inhaltsverzeichnis
1 Plasma-Analytik
1.1 Langmuir-Sonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Optische Emissions-Spektroskopie (OES) . . . . . . . .
1.3 Self-Excited Electron Resonance Spectroscopy (SEERS)
1.3.1 Technische Umsetzung . . . . . . . . . . . . . .
1
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3
4
7
9
10
2
Inhaltsverzeichnis
1 Plasma-Analytik
Tab. 1.1. Einige fortgeschrittene Methoden zur Bestimmung wichtiger Plasmakenngrößen. AA:
Advanced Actinometry; SEERS: Self Excited Electron Resonance Spectroscopy; Z: Impedanz–
Analyse
Physikalische
Größe
VP
nP
Te
Tbulk
PRF,eff
νm
cos ϕ
Vrms
Irms
Bestimmungsmethode
Langmuir AA SEERS Z
√
√
√
√
√
√
√
√
?
√
√
√
√
3
µ
√
4
1 Plasma-Analytik
1.1 Langmuir-Sonde
3
ln IS [mA]
VP
2
Retardierungszone
ln j = const - e0 /kTe * U
1
Elektronensättigungsstrom
VP (d2j/dU2) = 0
VP = VS
Ionensättigungs- VF
0 strom
-20
0
20
40
U [V]
Abb. 1.1. Schematische Darstellung der idealisierten U-I-Charakteristik einer Langmuir-Sonde.
lD
rs rp
Abb. 1.2. Sondenradius rp und Dicke der Randschicht rs sind beide klein gegenüber der Debye-Länge λD : Stoßfreier Schild; jedes an der Bohm-Kante ankommende Elektron wird eingefangen.
1.1 Langmuir-Sonde
5
2,0
2
J4
J32
2
J2
2
J1
2
J =0
Potential [a.u.]
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
-1,0
0
50
100
150
200
r [mm]
Abb. 1.3. Das effektive Potential eines Ions im elektrischen Feld der Sonde. Für verschwindendes
J fällt das Ion geradlinig ins Potentialminimum, für große Werte von J kann das Ion nicht
eingefangen werden.
vt,s
vr,s
Plasma
vt,p
Schild
Sonde
rp
vr,p
rs
Abb. 1.4. Ein an der Schichtgrenze ankommendes Elektron der thermischen Energie kB Te und
seine Geschwindigkeitskomponenten während des Falls auf den Sondendraht nach Swift und
Schwar [?].
6
1 Plasma-Analytik
20
300
2
15
10
Potential [V+Vm]
Potential [V]
200
0 mA/cm
10 mA/cm 2
10mA/cm 2, h = 0,1
100
x m: V m: 0 V
xm: V m: -15 V
xm: V m: -30 V
xm: V m: -50 V
5
0
-5
-10
0
-15
0,00
0,25
0,50
0,75
0,00
1,00
0,05
0,10
0,15
0,20
Abstand [cm]
Abstand [cm]
Abb. 1.5. Bei einer endlichen Elektronentemperatur sinkt das Potential in Sondennähe unter
0 V ab; hier gezeigt für ein Verhältnis η = keB0 VTpe von 0,1 für eine Schilddicke von 400 µm und
verschiedene Werte von Vm (Minimum bei
p
3
Vm2 ) bei η = 0, 1 und je von 10 mA/cm2 .
Potential
Vs
V
Vp
Abstand
Abb. 1.6. Die zur Referenzelektrode bezogene Meßgröße V weicht um das Potential Vs vom
zu bestimmenden Plasmapotential VP ab.
1.2 Optische Emissions-Spektroskopie (OES)
7
1.2 Optische
Emissions-Spektroskopie (OES)
Spiegel
MFCs
Gaseinlaß
Einloch-Gasdusche
Wafer
Langmuir-Sonde
SEERS-Sensor
Ar
BCl3
Cl
Cl22
BCl
ACH34
CH
Ar
HH22 4
O
O22
Anode
Glasfaser
Zweilinsensystem
RIE-Reaktor
Monochromator
Photomultiplier +
Photodioden-Array
HR-Gitter
Heiße Elektrode
RF
RF
Pumpensystem
RF-Generator +
Anpaßnetzwerk
Computer
Abb. 1.7. Experimenteller Aufbau eines optischen Spektrometers an einem CCP-Reaktor zur
Optischen Emissionsspektroskopie (OES).
Intensität
0,50
0,25
0,00
-2
-1
0
1
2
J
Abb. 1.8. Bjerrumsche Doppelbande eines Rotations-Schwingungsspektrums, das durch
c
Kopplung des Schwingungsübergangs mit den Rotationsübergängen ωv ± ωR,i entsteht [?] (
Springer-Verlag).
8
1 Plasma-Analytik
14
Maxwell Ar 750
Druyvesteyn Ar 750
Maxwell Kr 758
Druyvesteyn Kr 758
Ratenkoeffizient [10-10 cm3/s]
12
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
Te [eV]
Abb. 1.9. Die Ratenkoeffizienten für vier Linien der Edelgase Ar und Krypton, berechnet nach
Gl. (9.40) [?].
1,00
Intensitätsverhältnis
0,75
Kr 758/760
Kr 768/758
Ar 751/750
0,50
0,25
0,00
0
100
200
300
400
500
RF-Leistung [W]
Abb. 1.10. OES: Untergrundkorrigierte Linien von Argon und Krypton bei 15 mTorr (2 Pa) als
Funktion der eingekoppelten RF-Leistung.
1.2 Optische Emissions-Spektroskopie (OES)
9
0.25
0.04
Maxwell 2eV
Druyvesteyn 2eV
Maxwell 10eV
Druyvesteyn 10eV
0.20
0.02
0.00
0.15
f(E)
10
15
20
40
0.10
45
50
0.005
0.005
0.004
0.004
0.003
0.003
0.002
0.002
0.001
0.001
0.05
0.000
0.000
-0.001
-0.001
40
45
50
0.00
0
10
20
30
40
50
Energie [eV]
Abb. 1.11. MB gegen D [?].
1.3 Self-Excited Electron Resonance
Spectroscopy (SEERS)
Elektrode
Plasma
_
ne
ni
ne(t)
0
se
x
se(t)
dS
Abb. 1.12. Aufgrund der unterschiedlichen Dynamik der Ladungsträger (Ionen und Elektronen), ist der Zusammenhang zwischen angelegter Spannung (Schichtpotential) und Verschiebungsstrom extrem nichtlinear: ne verschwindet in der Randschicht irgendwo oberhalb der Elektrodenoberfläche, nur die quasi-stationären Ionen erreichen die Oberfläche. Die Dicke der Randschicht ist eine Funktion des Schichtpotentials und hat kapazitiven Charakter [?].
10
1 Plasma-Analytik
Rp
Lp
Zp
Cp
Cs,1
V1
Cs,2
Vp
Plasma
V2
RF-Sensor
HERCULES
RF
RF-Strom
RF-Spannung
Schnelle Fourier-Transformation
SEERS-Modell
Elektronische Stoßrate
Elektronische Plasmadichte
DC-Leitfähigkeit
Abb. 1.13. Ersatzschaltbild
einer kapazitiven Entladung.
Der (komplexe) Plasmawiderstand wird in einzelne Beiträge aufgespaltet. Randschicht(en) und Bulk-Plasma bilden
einen gedämpften Schwingkreis
mit einer Serien- und Parallel-Resonanz [?].
Abb. 1.14.
Schema des
SEERS-Sensors.
Der
Verschiebungsstrom wird mit der
erdfreien Antenne empfangen
und induziert eine Spannung
im Oszilloskop. Mittels einer
schnellen Fourier-Transformation (FFT) werden on-line
verschiedene
Plasmaparameter errechnet und graphisch
dargestellt [?].
1.3.1 Technische Umsetzung
TeflonIsolation
Elektrischer
Sensor
Abb. 1.15. Vakuumteil des
SEERS-Sensors, hier gezeigt für
den ICP-Reaktor DPS 300 von
Applied Materials. Der elektrische Sensor ist durch einen Ring
aus Teflon isoliert. Es gibt auch
Sensoren mit einem optischen
Fenster für simultane OES [?].
1.2 Optische Emissions-Spektroskopie (OES)
11
Abb. 1.16. SEERS-Sensor (Explosionszeichnung). Der isolierte Sensor ist Teil der kalten“
”
Elektrode [?].
Current [a.u.]
0,018
f err
13.56 MHz
0,009
fg
0,000
0
100
200
Time [ns]
Abb. 1.17. Die harmonische Anregung in einer Kapazitiv gekoppelten Entladung von Sauerstoff durch die Randschichten führt zu einem extrem nichtlinearen Verhalten des elektronischen
Verschiebungsstroms. Die harmonische Schwingung der Anregung ist mit stark gedämpften Oszillationen der SEERS-Resonanz fg moduliert, 12,08 nsec (83 MHz). Die ist das Äquivalent der
Plasmafrequenz von etwa 230 MHz und eine volumengemittelte Plasmadichte nP von 6, 8 · 108
cm−3 [?].