Unterlagen - Ruhr-Universität Bochum

402 Anwendungsorientierte Plasmaphysik
Blockpraktikum
1. Einleitung
Durch ihre Bedeutung in vielen innovativen Techniken in den verschiedensten Bereichen
wird die Plasmatechnologie seit einigen Jahren als eine der Schlüsseltechnologien des 21.
Jahrhunderts bezeichnet. Sie ist auf vielen Feldern wie etwa in der Beleuchtungsindustrie
oder bei der Oberflächenbehandlung von Fasern und Plastikwerkstoffen nicht mehr
wegzudenken. So besteht beispielsweise die Herstellung von Computerchips in der Mehrzahl
aus Prozessen, die in einem Plasma ablaufen. Treibender Motor dieser technischen Plasmen
ist dabei die Niedertemperaturplasmaphysik. Aufgrund der niedrigen Gastemperatur bei
gleichzeitig hoher chemischer Aktivität durch eine heiße Elektronenkomponente des Plasmas
werden Nichtgleichgewichtsprozesse im Niedertemperaturplasma möglich, ohne dass
sensible Bauteile beschädigt werden. Ziel des Blockpraktikum ist es, die wesentlichen
Eigenschafen von Niedertemperaturplasmen und einige fundamentale Anwendungen anhand
von typischen Entladungstypen und Prozessen der Schichtabscheidung, Plasmaätzen bzw. die
gezielte Herstellung und Charakterisierung von Staubpartikeln kennen zu lernen. Dazu
werden Versuche in folgenden Bereichen angeboten:
y
Plasmadiagnostik (Sondendiagnostik, Mikrowelleninterferometrie, Emissionsspektroskopie, Aktinometrie, ...).
y
Entladungstypen (Helikonentladung HE-L, induktiv gekoppelte Plasmen ICP, kapazitiv
gekoppelte Plasmen CCP, Oberflächenwellenentladung SWP).
y
Schichtabscheidung, Plasmaätzen und Prozessdiagnostiken (diamantähnliche Schichten,
Diagnostik von Schichten, Ellipsometrie, Raman-Spektroskopie, FTIR ...).
y
Dusty Plasmas (Staubbildung, Plasmakristall, Mie-Ellipsometrie, ...)
2. Niedertemperaturplasmen
Seit dem Beginn des 20. Jahrhunderts unterscheidet man in der Plasmaphysik zwischen
Hochtemperaturplasmen, wie sie beispielsweise in Sternen oder Kernfusionsanlagen zu
finden sind, und Niedertemperaturplasmen. Mit dem Begriff “Niedertemperaturplasmen”
werden in der Regel Laborplasmen bezeichnet, deren Verhalten, bedingt durch einen
niedrigen Ionisationsgrad, wesentlich von neutralen und angeregten Teilchenkomponenten
bestimmt wird und bei denen Randbedingungen, wie beispielsweise die räumliche
Begrenzung, einen entscheidenden Einfluss bedeuten. Die Temperatur der Elektronen oder,
wenn man von keiner Temperatur sprechen kann, ihre mittlere kinetische Energie liegt
ungefähr im Bereich zwischen einigen hundert bis etwa zehntausend Kelvin. Die Dichte der
Elektronen kann über mehrere Größenordnungen von 1014 bis 1020 Elektronen pro
Kubikmeter variieren.
Die historisch frühesten Laboruntersuchungen an Niedertemperaturplasmen wurden an
Oberflächenentladungen von Georg Christoph Lichtenberg (1770) bzw. von Sir William
Crookes (1879) an Glimmentladungen durchgeführt. Die erste technisch relevante
Anwendung eines Niedertemperaturplasmas war der so genannte Ozonisator, den Werner von
Siemens in der Mitte des 19. Jahrhunderts zur Erzeugung von Ozon für Sterilisationszwecke
entwickelt hat. Er bestand im wesentlichen aus einer dielektrisch behinderten Entladung.
Daneben gibt es eine Vielzahl anderer Quellen für Niedertemperaturplasmen, wie z.B.
Helikonentladungen,
Mikrowellenplasmaquellen,
Oberflächenwellenplasmen
oder
Paralleplattenentladungen mit kapazitiver Einkopplung der HF-Leistung zur Erzeugung und
Aufrechterhaltung des Plasmas.
2.1 Kapazitiv gekoppelte Plasmen (CCP)
Seit
mehreren
Jahrzehnten
sind
kapazitiv
gekoppelte
Entladungen
Gegenstand
wissenschaftlicher Untersuchungen und technischer Anwendungen. Das Plasma wird in der
Regel zwischen zwei Elektrodenplatten (vgl. Plattenkondensator) erzeugt, an denen ein
hochfrequentes elektrisches Feld angelegt wird. Die Leistungseinkopplung erfolgt somit
kapazitiv. In kapazitiv gekoppelten Entladungen ist die Plasmadichte bei elektropositiven
Gasen proportional zur Wurzel aus der angelegten HF-Leistung ([Lieberman & Lichtenberg
1994]), da der HF-Strom in das Plasma limitiert ist durch den HF-Strom, der durch die
Schicht dringen kann.
2.2 Induktiv gekoppelte Plasmen (ICP)
Beginnend mit den späten 1980er Jahren gelangten auch Niedertemperaturplasmen mit
induktiver Leistungseinkopplung (ICP) immer mehr zur Geltung und Wichtigkeit. Mit Hilfe
geeigneter Antennen, in der Regel Spulen, wird ein Plasma erzeugt und gleichzeitig
HF-Leistung im Plasma deponiert. Dabei wird über die Spulen ein hochfrequentes,
magnetisches
Wechselfeld
erzeugt,
das
wiederum
elektrische
Kreisfelder
im
Entladungsvolumen induziert, die für die eigentliche Leistungsübertragung verantwortlich
sind.
In induktiv gekoppelten Plasmen ist die Effizienz der Leistungseinkopplung höher als in
kapazitiven und der Zusammenhang zwischen Leistung und Plasmadichte in einem weiten
Bereich linear. Die HF-Einkoppelspule fungiert als Primärwicklung eines Transformators,
dessen “Sekundärwicklung” das Plasma ist. Daher können im Plasma effizient hohe
HF-Ströme gezogen werden.
Die effiziente Leistungseinkopplung bewirkt hohe Elektronendichten. In kapazitiv
gekoppelten Entladungen stellen sich oft Schichtspannungen in der Größenordnung von 100
Volt ein. Durch diese hohen Schichtspannungen können Ionen mit hoher Energie auf
Oberflächen beschleunigt werden, was eine Zerstörung empfindlicher Substrate zur Folge
haben kann. In induktiv gekoppelten Plasmen liegen aufgrund der Leistungsdeposition im
Plasma durch induzierte elektrische Kreisfelder (s.u.) die typischen Schichtspannungen im
Bereich von einigen Volt. Man kann aber auch Ionen gezielt durch Anlegen einer äußeren
Bias-Spannung auf ein zu bearbeitendes Substrat beschleunigen. Prinzipiell kann die
eingekoppelte Leistung “beliebig” erhöht werden, ohne dass das Plasmapotential dabei
ansteigt. Die hohen Plasmadichten gewähren hohe chemische Reaktionsraten, wobei die
niedrigen Aufprallenergien der Ionen auf die Oberflächen eine Beschädigung oder
Zerstörung des Substrates vermeiden. Man erreicht hohe Dichten von Elektronen, Ionen und
Radikalen mit exzellenter Homogenität. Daher sind die Anwendungen von induktiv
gekoppelten Entladungen im Bereich der Niederdruck- bzw. Niedertemperaturplasmen in
vielen Feldern der Plasmaphysik, der Plasmatechnik und anderen Feldern rasch gestiegen.
Induktiv gekoppelte Niedertemperaturplasmen sind im Bereich der Mikrochipherstellung
nicht mehr wegzudenken. Mit ihnen werden kleinste Strukturen anisotrop geätzt.
HF-Spule
B-Feld
Dielektrisches
Fenster
Abb. 1:
induziertes
E-Feld
Schematischer Aufbau einer planaren, induktiv gekoppelten Entladung
Der prinzipielle Aufbau ist in Abbildung 1 skizziert. Die Einkoppelspule ist als planare
Spirale angelegt, die sich entweder innerhalb des Entladungsgefäßes oder oberhalb eines
dielektrischen Fensters (meist aus Glas oder Quarzglas gefertigt) befindet. Durch die Spule
fließt ein HF-Strom, der ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches wiederum ein
elektrischen Kreisfeld induziert, das die Elektronen beschleunigt. Alle induktiven Systeme
sind sehr flexibel hinsichtlich der Geometrie des Plasmareaktors: Das Aspektverhältnis des
Reaktors kann variiert werden von hohem Aspektverhältnis zum Beispiel bei planarer
Geometrie zu niedrigem bei klassischer Anordnung.
Matching
Netzwerk
Quarzzylinder
untere
Elektrode
Gaseinlass
110
Quarz
zylinder
Gaseinlass
40
untere
Elektrode
“guard
ring”
zum Pumpsystem
3. Charakterisierung von Niedertemperaturplasmen und Plasmadiagnostik
3.1 E-H-Hysterese
Während der Startphase einer induktiven Entladung, d.h. bevor der HF-Strom einen
charakteristischen Wert erreicht hat, an dem sich eine induktiv gekoppelte Entladung bildet,
kann man bei kleiner Leistungszufuhr ein schwächer leuchtendes Plasma mit niedrigeren
Elektronendichten erzeugen. Das Plasma wird dann vornehmlich durch das elektrische Feld
erzeugt, das durch den Spannungsabfall zwischen den einzelnen Spulenwindungen der
Einkoppelspule hervorgerufen wird. Es liegt ein elektrostatischer bzw. kapazitiver
Entladungsmode vor, der in der Literatur oft als E-Mode bezeichnet wird. Erhöht man nach
dem Zünden der Entladung die eingekoppelte Leistung, so erfolgt bei einer charakteristischen
Leistung der instantane Übergang in den so genannten H-Mode, der sich durch nahezu
vollständige induktive Einkopplung der Leistung auszeichnet. Die Elektronendichte und die
Lichtemission steigt an, der HF-Strom durch die Spule sinkt ab, was auf eine starke
Änderung der Plasmaimpedanz hinweist. Erhöht man die Leistung weiter, so ist ein weiterer
Anstieg der Lichtemission zu beobachten, allerdings weniger dramatisch als beim Übergang
zwischen den beiden Moden. Reduziert man im H-Mode die Leistung, so gelangt man bei
den roten Kurven zurück an den Übergang in den E-Mode. Dieser Übergang findet allerdings
bei niedrigeren Leistungen statt als im umgekehrten Fall, da im H-Mode die Elektronendichte
noch ausreichend hoch ist, um einen HF-Kreisstrom aufrechtzuerhalten. Es existiert also für
jeden Gasdruck ein Leistungsbereich, an dem es von der “Geschichte” der Entladung
abhängt, in welchem Mode die Entladung brennt. Dieser Effekt wird als Hysterese bezeichnet
und
kann
in
vielen
induktiven
Entladungsgeometrien
beobachtet
werden.
Leistungsdifferenz zwischen den beiden Übergängen kann dabei recht hoch sein.
40
35
30
Argon
P/W
25
E-Mode -> H-Mode
H-Mode -> E-Mode
20
15
10
5
0
0
10
20
30
p / Pa
40
50
60
Die
3.2 Langmuir-Sondenmessungen
Eines
der
wichtigsten
Hilfsmittel
der
Niedertemperatur-Plasmadiagnostik
ist
die
Langmuir-Sonde. Das Messprinzip wurde bereits 1924 von Langmuir vorgestellt. Man kann
mit Hilfe von Langmuir-Sondenmessungen wichtige Plasmaparameter, wie Elektronendichte
Ne, die Elektronenenergieverteilungsfunktion (EEDF), Ionendichte Ni, Floatingpotential
Ufloat
oder Plasmapotential Uplasma ortsaufgelöst bestimmen. Das technische Grundprinzip
der Sondendiagnostik besteht darin, einen elektrischen Leiter und eine Referenzelektrode in
das Plasma einzubringen und damit eine Strom-Spannungskennlinie aufzunehmen. Die
Sonde besteht aus einem dünnen Metalldraht, dessen Spitze in das Plasma eingetaucht wird.
In Abhängigkeit von der an den Draht angelegten Spannung, d.h. genauer in Abhängigkeit
der Potentialdifferenz zwischen Sonde und Plasma, werden die geladenen Teilchen aus dem
Plasma aufgesammelt (Elektronen und/oder Ionen). Als Gegenelektrode dient hier das
Entladungsgefäß bzw. die untere Elektrode, falls sie geerdet ist. Durch Variation der
angelegten Spannung erhält man eine Sondenkennlinie, deren schematischer Verlauf in
Abbildung 2 dargestellt ist.
I
U p la sm a
U flo a t
Abb. 2:
U
Schematischer Verlauf einer Sondenkennlinie
Aufgrund der Vorzeichenkonvention, dass Ströme aus der Sondenspitze ins Plasma positiv zu
zählen sind, gilt für Ströme auf die Sondenspitze folgende Regelung: Ionenströme werden
mit negativem, Elektronenströme mit positivem Vorzeichen versehen. Die beiden
charakteristischen Spannungen Floatingpotential Ufloat und Plasmapotential Uplasma teilen die
Kennlinie
in
drei
Bereiche
ein:
Ionensättigungsbereich
(U
<
Ufloat),
Elektronenanlaufstrombereich (Ufloat < U < Uplasma) und den Elektronensättigungsbereich
(U > Uplasma). Das Floatingpotential Ufloat kann man direkt aus der Kennlinie ablesen, da an
ihm der Strom auf die Sonde verschwindet: I(Ufloat) = 0 A. Beim Floatingpotential ist die
Sonde gerade so negativ gegenüber dem Plasma aufgeladen, dass gleich viele Ionen wie
Elektronen auf die Sonde gelangen und damit kein Nettostrom fließt. Auf dieses Potential
stellt sich eine Sonde ein, an der keine Spannung anliegt. Ist die Sonde sehr negativ
gegenüber dem Plasmapotential vorgespannt, so werden alle Elektronen abgestoßen und es
gelangen nur noch positive Ionen zur Sonde (Ionensättigungsbereich). Das Plasmapotential
kann aus der Sondenkennlinie nicht direkt bestimmt werden. Man benötigt dazu die 1. bzw.
2. Ableitung der Kennlinie. Das Maximum der ersten Ableitung bzw. der Nulldurchgang der
2. Ableitung entspricht dann ungefähr dem Plasmapotential. Im Bereich zwischen
Floatingpotential und Plasmapotential, dem Elektronenanlaufstrombereich, können die
Elektronen gegen das Gegenfeld anlaufen und gelangen aufgrund ihrer thermischen Energie
zur Sonde. Aus diesem Bereich kann die Energieverteilungsfunktion des Plasmas ermittelt
werden. Oberhalb des Plasmapotentiales werden die Elektronen auf die Sonde beschleunigt.
45
5
40
4
I (U)
I'(U)
I''(U)
I / a.u.
30
3
2
25
1
20
0
15
-1
10
-2
5
-3
0
-4
-5
-40
-20
0
Ufloat
20Uplasma
I', I'' / a.u.
35
-5
40
U/V
Abb. 3:
Typische Sondenkennlinie mit 1. und 2. Ableitung , gemessen in Argon im
Zentrum der Entladung (r= 0 cm , z= 2 cm, p=1 Pa, P= 250 W)
Eine gemessene Kennlinie ist in Abbildung 3 zu sehen. Dort sind zusätzlich die 1. und 2.
Ableitung der Kennlinie aufgetragen, die die Lage des Plasmapotentiales festlegen.
Da das Plasmapotential Uplasma den Bezugspunkt für die Sondenkennlinie darstellt, wird in
den folgenden Betrachtungen die Sondenspannung U jeweils in Bezug auf das
Plasmapotential
angegeben,
d.h.
die
Kennlinie
wird
um
Uplasma verschoben:
U = U sonde − U plasma .
Generell können auf verschiedene Arten die Elektronendichte, Ionendichte und
Elektronentemperaturen bestimmt werden (z.B. aus dem Floatingpotential oder dem
Ionensättigungsstrom). Die beste Methode ist, aus der gemessenen Kennlinie zunächst die
Elektronenenergieverteilungsfunktion und danach daraus die Plasmaparameter zu bestimmen.
Die Elektronenenergieverteilungsfunktion
Im Elektronenanlaufstrombereich gelangen sowohl Elektronen als auch Ionen auf die Sonde,
da die Sonde nur schwach negativ gegenüber dem Plasma vorgespannt ist. Ein Teil der
Elektronen kann jeweils das Gegenfeld überwinden und aufgrund seiner thermischen Energie
auf die Sonde gelangen, d.h. abhängig von der Größe des Gegenfeldes gelangt nur der Teil
der
Elektronen
aus
der
Geschwindigkeitsverteilungsfunktion
bzw.
Energieverteilungsfunktion auf die Sonde, der eine genügend große Geschwindigkeit bzw.
Energie besitzt. Der als Funktion des Gegenfeldes gemessene Strom auf die Sonde beinhaltet
daher Informationen über die Verteilungsfunktion der Elektronen, allerdings nur in integraler
Form. Der Anlaufstrom bei isotroper Verteilungsfunktion ist von der Geometrie der Sonde
unabhängig, falls die Sondenoberfläche überall konvex ist:
I sonde (U) =
2 e 3 A sonde
m 2e
∞
¶ −U
(u + U) f(v(u)) du
(1)
U ist, wie schon weiter oben definiert, die in diesem Falle negative Spannung, die an der
Sonde anliegt,
u = 12 me v 2 /e die auf die Elementarladung bezogene kinetische Energie der
Elektronen, d.h.: v(u) =
2eu/m e . Außerdem ist f(v) die isotrope Verteilungsfunktion der
Elektronen, welche auf die Elektronendichte normiert ist:
N e = ¶ 0 f(v) d 3 v
∞
(2)
Die zweite Differentiation von Gleichung 1 liefert die Druyvesteyn-Formel:
d2Ie
dU 2
In
der
Regel
schreibt
man
=
2 e 3
m 2e
diese
A sonde f(v(U))
Gleichung
in
Abhängigkeit
(3)
der
Elektronenenergieverteilungsfunktion (EEDF), die gegeben ist durch:
F(u) du = 4 v 2 f(v) dv
(4)
bzw.
3
F(u) = 2 ( m2ee ) 2 u f(v(u))
(5)
Dies eingesetzt in Gleichung 3 ergibt
d2Ie
dU 2
=
3
e2
8m e
1
U
A sonde F(U)
(6)
woraus die Energieverteilungsfunktion bestimmt werden kann. Oft wird an dieser Stelle die
Elektronenenergiewahrscheinlichkeitsfunktion F p (u) =
1
U
F(u) eingeführt. Setzt man
diese in Gleichung 6 ein, so ist die zweite Ableitung der Sondenkennlinie unter
Vernachlässigung
des
Ionenstroms
direkt
proportional
zur
Elektronenenergiewahrscheinlichkeitsfunktion (EEPF):
d2Ie
dU 2
=
3
e2
8m e
A sonde F p (U)
(7)
Ist die Verteilungsfunktion maxwellsch, so ergibt die 2. Ableitung eine Gerade. Der
Vorzeichenwechsel
in
der
zweiten
Ableitung
gibt
den
Übergang
vom
Elektronenanlaufbereich zum Elektronensättigungsbereich an und definiert somit das
Plasmapotential Uplasma.
Integriert man über die Energieverteilungsfunktion, so ergibt sich nach Gleichung 2 die
Elektronendichte
N e = ¶ 0 F(u) du
∞
(8)
oder man erhält die mittlere Energie der Elektronen E:
E=
1
Ne
¶ 0∞ u F(u) du
(9)
Bei der Auswertung des Elektronenanlaufstrombereichs muss zudem berücksichtigt werden,
dass die Kennlinie durch Sekundärelektronenemission verfälscht werden kann, so dass durch
die Emission von Sekundärelektronen der Strom auf die Sonde vermindert wird. Auch die
Reemission von Elektronen, die vom Sondenmaterial abhängt, kann insbesondere bei kleinen
Auftreffenergien dazu führen, dass nicht alle Elektronen von der Sonde absorbiert werden.
Mess-System
Das in dieser Arbeit genutzte Langmuirsondensystem ist in Abbildung 4 dargestellt: Über
einen Rechner (PC) wird mit Hilfe einer Analog-Digital-Wandlerkarte (an einem
Analogausgang der Karte eine Spannungsrampe von maximal -5 Volt und 5 Volt erzeugt.
Dieses Spannungssignal wird von einem bipolaren Verstärker verstärkt. Das Ausgangssignal
des bipolaren Verstärkers wird dann über den Messwiderstand eines Trennverstärkers und
einen Tiefpass-Filter auf die Sonde gegeben. Der mit Opto-Kopplern ausgestattete
Trennverstärker dient neben der Verstärkung des Signals als Schutz der Rechnerelektronik
vor Überschlägen im Plasma und damit verbundenen Hochspannungsspitzen.
Die über dem Messwiderstand des Trennverstärkers abfallende Spannung ist proportional
zum Sondenstrom und wird über den Trennverstärker an die Analog-Digital-Wandlerkarte
zurückgegeben. Jede Kennlinie wird 100 mal (10 Messungen pro Spanungswert mal 10
Kennlinien) aufgenommen und dann zur Minimierung des Rauschens über alle Messungen
gemittelt.
bipolarer
Verstärker
Meßwiderstand
Tiefpaß
Trennverstärker
Plasma
Rechner mit
AD/DA-Wandler
Oszillograph
Abb. 4:
Sonden-Messsystem
Es hat sich als sinnvoll herausgestellt bei der Bestimmung des Plasmapotentiales und der
Elektronenenergieverteilungsfunktion, eine numerische Glättung und Filterung der Kennlinie
durchzuführen.
Wie in Abbildung 5 zu sehen, ist die Sonde koaxial aufgebaut: Der Sondendraht besteht aus
Wolfram und war bei den eingesetzten Sonden 0,05 mm dick und 5 mm lang
Keramikisolierung
Sondenspitze
Abschirmung
Abb. 5:
Keramikhülle
Schematischer Aufbau der Sondenspitze
Aufgaben
Aufgabe 1: Radialer Verlauf: Nehmen Sie für p= 10 Pa und P= 300 W einen radialen Verlauf
(r= 35 cm bis r= 45 cm in 5 mm-Schritten) der Plasmaparameter (Elektronendichte, mittlere
kinetische Energie, Plasmapotential) auf, indem Sie Kennlinien an den jeweiligen radialen
Positionen aufnehmen (Auswertung erfolgt direkt am Messrechner).
Aufgabe 2 Leistungsabhängigkeit: Nehmen Sie wie in Aufgabe 1 für p= 10 Pa Kennlinien
für verschiedene Leistungen auf (100 bis 300 W: 100, 150, 200, 250, 300).
Aufgabe 3 Druckabhängigkeit: Nehmen Sie für P= 300 W für Drücke zwischen 2 Pa und 10
Pa (4, 6, 8, 10) jeweils radiale Verläufe (wie unter Aufgabe 1) der Plasmaparameter auf.
Alle Kennlinien werden schon während des Praktikums ausgewertet, da dies rechnergestützt
durchgeführt werden kann. Die ermittelten Werte für die Elektronendichte, das
Plasmapotential und mittlere Elektronenenergie sind in geeignete Diagramme einzutragen
und zu diskutieren. Außerdem soll eine kurze Fehlerdiskussion durchgeührt werden.
Aufgabe 4 Abscheidung einer Kohlenstoffschicht: Nach Einbringen eines Siliziumwafers auf
in die Kammer (auf die untere Elektrode, wobei der Wafer teilweise abgedeckt wird für die
spätere Schichtdickenmessung) wird dort in Acetylen eine Kohlenstoffschicht abgeschieden.
Nach Ausschleusen des Wafers wird mit Hilfe eines Profilometers (DEKTAK 6M) die
Schichtdicke und die Oberflächenrauhigkeit bestimmt.