EL-V9 - Ruhr-Universität Bochum
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Versuch EL-V9: Niederdruckplasmen: Schichtabscheidung durch Sputter-Verfahren Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 2 Grundlagen der Vakuumtechnik 4 3 Plasmaerzeugung durch Hochfrequenz 8 4 Grundlagen der Plasmatechnik 11 4.1 Allgemeine Grundlagen der Plasmatechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4.2 Grundlagen der Schichtabscheidung durch Sputterverfahren . . . . . . . . . . 12 5 Erklärungen zum Versuchsaufbau 15 6 Beschreibung der Versuchsgeräte 16 6.1 Plasmareaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 6.2 Analysewaage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 7 Messaufgaben 18 Literaturverzeichnis 21 EL-V9 - 1 1 Einleitung Die Plasmatechnologie widmet sich der gezielten Behandlung von Materialien mit Hilfe technologischer Plasmen, wobei ein Plasma als ionisiertes Gas verstanden wird. Diese Plasmen lassen sich in verschiedenen Ausprägungen (Normaldruck, Vakuum, Hoch- und Niedertemperatur) realisieren. So zum Beispiel ist der populärste Plasmaanwender die Halbleiterindustrie, welche sich technologischer Plasmen im Niederdruck (Vakuum bzw. Hochvakuum) bedient, um die Strukturierung von Halbleitern auf Siliziumwafern zu realisieren. Würde es also dieses Werkzeug zur Nanostrukturierung nicht geben, gäbe es auch keine Mikroprozessoren. Ein heutzutage ebenfalls sehr bekanntes Anwendungsgebiet ist in der ökologischen Stromgewinnung zu nden, die Herstellung von Solarzellen. Hierbei werden auf Glasträger nach gründlicher Reinigung, sehr dünne Schichten (einige zehn Nanometer bis in den Mikrometerbereich) aus Metallen, Isolatoren und Halbleitermaterialien aufgebracht, welche im Zusammenspiel die uns bekannte Solarzelle ergeben. Sie produziert bei Lichteinfall über den inneren photoelektrischen Eekt nutzbaren Strom. Die zuvor genannten Plasmen sind allesamt im Niederdruck angesiedelt, doch es gibt auch Anwendungsbereiche von Plasmen im Normaldruck. Beispielsweise werden Plasmen, sogenannte dielektrisch behinderte Entladungen, zur Erzeugung von Ozon oder sogar zur Sterilisation von medizinischen Gütern verwendet. + - - + - - - Fest Flüssig Gasförmig + Plasma Energie Temperatur Bild 1: Aggregatzustände Für all diese Prozesse sind technologische Plasmen unverzichtbar und eine genaue Überwachung dieser Plasmen für eine gleichbleibende Prozessqualität notwendig. Doch um eine Charakterisierung vornehmen zu können, ist die Klärung des Begris Plasma Vereinfacht gesagt ist ein Plasma ein ionisiertes Gas und lässt sich auch als gregatzustand erforderlich. vierter Ag- auassen. Nimmt man einen festen Eiswürfel und erhitzt diesen, wird er erst üssig und anschlieÿend gasförmig. Führt man nun weiter Energie hinzu werden die Gasmoleküle ionisiert und man spricht von einem Plasma. Im gesamten Universum ist dieser EL-V9 - 2 Aggregatzustand der Normalzustand von Materie. Innerhalb der folgenden beiden Versuche soll Ihnen dieses Werkzeug zur strukturierten Oberächenbehandlung näher gebracht werden. Da dieses Feld sehr interdisziplinär ist, werden Sie von grundlegend physikalischen Kenntnissen über die Vakuum- und Hochfrequenztechnik bis hin zur Chemie die wesentlichen Gebiete kennenlernen. Vorbereitungsaufgabe 1.1: Welche Plasmen nden Sie in der Natur allgegenwärtig beziehungsweise welche Plasmen sind Ihnen aus dem täglichen Leben bekannt. Nennen Sie mindestens drei Beispiele für Plasmen! EL-V9 - 3 2 Grundlagen der Vakuumtechnik Um Plasmen hier auf der Erde erzeugen zu können wird in der Regel ein Vakuumaufbau benötigt. Damit wird die Atemluft aus dem Reaktor (möglichst komplett) abgepumpt, um den Plasmareaktor anschlieÿend mit einer gezielten Gasmischung zu füllen. Zur Herstellung eines für prozesstechnische Zwecke geeigneten Vakuums muss der erzielte Enddruck inner−6 halb der Vakuumkammer sehr klein sein (p Kammer < 10 mbar). Bei einem gröÿeren Druck steigt proportional die Anzahl der unerwünschten Restgasatome/-moleküle (Luftbestandteile). In der Plasmatechnologie spricht man in diesem Fall von Gasverunreinigungen in der Vakuumkammer. Typische Prozessgasdrücke liegen bei 1-100 Pa und somit mindestens fünf Gröÿenordnungen über dem oben genannten Enddruck. Für die Herstellung sehr dünner Schichten im Nanometerbereich werden ausschlieÿlich hoch reine Gase oder Gasgemische für den Plasmabetrieb verwendet, um die Schichten nicht durch Fremdatome zu verunreinigen. Dadurch können die gewünschten Eigenschaften dieser sogenannten Dünnschichten verändert werden (z. B. von wasserabweisend/hydrophob zu wasseranziehend/hydrophil). Vorbereitungsaufgabe 2.1: 3 Berechnen Sie die Anzahl der Restgasteilchen pro cm (Teilchendichte) bei einer Gastempe−7 ratur von TGas = 25 °C und einem Basisdruck in der Vakuumkammer von 10 mbar! (Tipp: Benutzen Sie das ideale Gasgesetz) Der Begri Vakuum deniert in der physikalischen Technik mehrere unterschiedliche Druckbereiche, welche im Folgenden tabellarisch aufgelistet sind. Somit benden wir uns innerhalb −6 dieses Versuchs im Bereich des Ultrahochvakuums mit Basisdrücken ≤ 10 mbar. GrobFeinHoch- Ultrahochvakuum vakuum vakuum vakuum Druckbereich [mbar] 1000 1 10−3 10−6 1 −3 10 ≤ 10−6 Die Herstellung von Ultrahochvakuumbedingungen kann nicht über eine einzige Pumpe erfolgen, sondern muss über ein mehrstuges Pumpsystem realisiert werden, welches Sie in diesem und nächsten Versuch identisch vornden. Zunächst sorgt eine sogenannte Vorvaku- umpumpe dafür, dass der wesentliche Teil der vorhandenen Gasatome/-moleküle abgepumpt wird. Der typische erreichbare Basisdruck der hier eingesetzten Vorvakuumpumpe TRIVAC D2.5 E der Firma Oerlikon Leybold liegt bei etwa 2 − 3 mbar, was sich ebenfalls der Pump- kurve in Abbildung 2 aus dem dazugehörigen Datenblatt entnehmen lässt. Weiterhin ist aus dieser Kurve ablesbar, dass das sogenannte Saugvermögen dieser Pumpe mit abnehmenden Druck ebenfalls sinkt und daher das Abpumpverhalten kontinuierlich schlechter wird. Ab einem gewissen Enddruck (3 mbar) geht das reale Saugvermögen schlieÿlich gegen null. Da jedoch ein Enddruck von 3 mbar im Grobvakuumbereich liegt und noch weit vom Hochvakuumbereich entfernt ist, muss eine zusätzliche Pumpe in Reihe zu der Vorvakuumpumpe geschaltet werden, welche in diesem niedrigen Druckbereich ein ausreichendes EL-V9 - 4 Bild 2: Pumpkurve der Vorvakuumpumpe TRIVAC D2.5 E Saugvermögen bereitstellt. In der Vakuumtechnik gibt es hier eine Vielzahl an möglichen Pumpen, die für ganz spezielle Anwendungen eingesetzt werden. In diesem Versuchsaufbau wird eine Turbomolekularpumpe verwendet, dessen Funktionsweise für den Versuch jedoch nicht relevant ist. Es sei hier nur kurz erwähnt, dass sie aufgrund ihres speziellen turbinenähnlichen Rotoraufbaus die Gasteilchen sehr ezient pumpen kann und daher auch nur bei entsprechend niedrigem Druck einsetzbar ist. Zur Vorbereitung und bei vertiefendem Interesse wird die Lektüre der entsprechenden Literatur vorgeschlagen [WAW06]. Der Druck in einer Vakuumkammer kann letztendlich mit Hilfe von verschiedenen Messprinzipien bestimmt werden, welche sich unmittelbar in direkte und indirekte Messprinzipien unterteilen lassen. Direkte Messverfahren messen die Kraft, die auf eine Fläche wirkt. Indirekte Verfahren messen meist eine elektrische Gröÿe, die sich proportional zum Druck verhält. [Schu06] Vorbereitungsaufgabe 2.2: Wie lange braucht die vorhandene Membranpumpe etwa, um in den Antriebsdruckbereich (20 mbar) der Turbomolekularpumpe zu kommen bei einem Volumen der Vakuumkammer von etwa 100 l? Für den Druck p in der Kammer als Funktion der Zeit t gilt: p(t) = p0 · e−t·S/V Wobei für S p0 der Ausgangsdruck ist, S das Saugvermögen und V das Volumen. Benutzen Sie den Mittelwert zwischen Start- und Endwert des Pumpvorgangs aus der Kennlinie. EL-V9 - 5 Mechanische Vakuummeter Mechanische Vakuummeter messen den Druck direkt durch Registrieren der Kraft, welche die Gasteilchen in einem gasgefüllten Raum auf eine denierte Oberäche aufgrund von thermischen Stöÿen ausüben. Die druckabhängige Deformation bzw. Wegverschiebung dieser, z.B. als Membran ausgeführten, Oberäche wird gemessen und im einfachsten Fall über eine Zahnstange auf einen Messwertanzeiger übertragen, dessen Auslenkung somit proportional dem Gasdruck ist. Als typische Vertreter dieser Gruppe sind Röhrenfeder, Kapselfeder- und Membran-Vakuummeter zu nennen. Letztere werden üblicherweise als Kapazitäts-Manometer ausgeführt. Dabei bendet sich hinter der deformierbaren Membran noch eine zweite starre Membran. Bei der Druckmessung wird nun die Kapazität zwischen beiden Membranen ausgelesen. Der Messbereich derartiger Vakuummeter erstreckt sich von Atmosphärendruck bis in den Millibarbereich. Wärmeleitungs-Vakuummeter Innerhalb gewisser Grenzen ist die Wärmeleitfähigkeit von Gasen druckabhängig. Dies wird im Wärmeleitungs-Vakuummeter nach Pirani zur Druckmessung ausgenützt (Bild 3). Ein mit konstantem Strom beheizter Widerstandsdraht aus Wolfram verändert seine Temperatur und damit seinen Widerstand in Abhängigkeit vom Druck. Dieser Widerstandsdraht ist Teil einer Wheatstoneschen Brückenschaltung. Der Abgleich der Brücke erfolgt durch 3 ein elektronisches Steuergerät. Pirani-Feinvakuummeter haben einen Messbereich von 10 10−3 mbar. Die Anzeige bezieht sich meist auf Sticksto als Messgas. Ionenkollektor Vakuum Kathode Wärme Anodengitter TDraht=konst U2 U1 I Uheiz U2>U1 Bild 3: Pirani-Vakuummeter Bild 4: Glühkathode Glühkathode Von einer Glühkathode (Bild 4) emittierte Elektronen ionisieren auf dem Weg zu einem Anodengitter die Gasmoleküle durch Herausschlagen von Elektronen. Der positive Ionenstrom gelangt zu einem Ionen-Auänger. Dort werden die Ionen durch Aufnahme von Elektronen entladen und der dazu notwendige Strom gemessen, verstärkt und zur Druckanzeige −3 −11 verwendet. Diese Röhren arbeiten in Druckbereichen von 10 bis 10 mbar. EL-V9 - 6 Kaltkathoden-Messröhre Kaltkathoden Ionisations-Messzellen werden im HV- bis UHV-Bereich eingesetzt und arbeiten nach dem Prinzip der Gas-Entladung. Der im HV-Bereich in einer selbstständigen Gasentladung ieÿende Strom ist von der angelegten Spannung, von der Gas-Zusammensetzung und vom Druck abhängig. Ein den Entladungsraum durchdringendes Magnetfeld bewirkt, dass sich die Elektronen auf Spiralbahnen von der Kathode zur Anode bewegen und ionisierende Stöÿe ausführen. Werden Anodenspannung und Magnetfeld konstant gehalten, so ist der Entladungsstrom für eine bestimmte Gas-Zusammensetzung ein Maÿ für den herrschenden Druck. Mit dieser Messröhre kann nicht nur der Absolut-Druck, sondern auch jeder Partial-Druck bestimmt werden. Vorbereitungsaufgabe 2.3: Auf welches Volumen (in Litern) dehnt sich ein runder Wassertropfen (3 mm Durchmesser) −5 aus, wenn er im Vakuum (10 mbar) verdampft? Vorbereitungsaufgabe 2.4: Welche Belastung (in kg) muss ein handelsüblicher Flansch des Typs DN CF 200 (253 mm Auÿendurchmesser) wie er auch im Praktikum verwendet wird gegen Normaldruck aushalten, wenn im Inneren der Kammer Vakuumbedingungen herrschen. Vernachlässigen Sie die Druckdierenz! Für die Behandlung von Oberächen sind sehr genaue Einstellungen für den Vakuumprozess notwendig. Unter anderem spielt der Druck eine wesentliche Rolle. Nun werden in industriellen Prozessen selten Edelgase verwendet, sondern chemisch stark reaktionsfreudige Gase, beziehungsweise Gasgemische. Hierfür ist es sehr wichtig das immer eine ausreichende Menge an Reaktionspartnern in Form von Gasatomen vorhanden sind, um mit der Oberäche reagieren zu können. Sind es beispielsweise zu wenige Gasatome werden diese vollständig aufgebraucht und die gewünschte Oberächenreaktion verläuft sehr langsam. Im umgekehrten Fall, mit zuvielen Gasatomen, können nicht alle mit der Oberäche reagieren und die übrigen reaktiven Gasatome können in der Kammer unerwünschte chemische Reaktionen verursachen. Man ist also bestrebt, eine angepasste Gasuÿmenge in die Vakuumkammer einzuleiten. Dies wird über sogenannte Gasmassenuÿregler erreicht. Unmittelbar daraus ergibt sich allerdings ein einfaches vakuumtechnisches Problem: Wenn nun eine denierte Gasmenge in die Vakuumkammer eingeleitet wird, stellt sich entsprechend dem vorhandenen Saugvermögen des angeschlossenen Pumpensystems ein entsprechender Kammerdruck ein. Dieser Druck ist in den meisten Fällen allerdings viel zu hoch, so dass Fremdatome in die zu behandelnde Oberäche eingebaut werden. Um schlieÿlich den Prozessdruck vom Gasuÿ unabhängig einstellen zu können wird ein zusätzliches Ventil unmittelbar vor dem Pumpsystem integriert, das sogenannte Druckregelventil. Es ermöglicht bei einem konstanten Gasuÿ den Prozessdruck auf einen gewünschten Wert einstellen zu können. EL-V9 - 7 3 Plasmaerzeugung durch Hochfrequenz Nachdem wir alle notwendigen vakuumtechnischen Randbedingungen geschaen haben um ein Plasma zünden zu können, fehlt uns lediglich die elektrische Seite der Plasmatechnik. In der Niederdruck Plasmaphysik werden hierfür sogenannte freie Frequenzen verwendet. Diese ergeben sich aus dem jeweils aktuellen Frequenznutzungsplan der Bundesnetzagentur und sind auf die Frequenzen 13.56 MHz, 27.12 MHz und 40.68 MHz festgelegt. Genannte Frequenzen werden gröÿtenteils im CB-Funk angewendet und daher öentlich frei nutzbar. Jedoch ist im Frequenznutzungsplan auch die maximal zulässige Emission auf diesem Band festgelegt, so dass starke Störungen auf diesen Frequenzen durch einen einzelnen Teilnehmer unter allen Umständen vermieden werden müssen. Ein wesentlicher Punkt beim Aufbau einer Plasmakammer ist also die fachgerechte Abschirmung der Hochfrequenzstrahlung, so dass keinerlei Emission oberhalb der zulässigen Grenzwerte in die Umwelt gelangen kann. Um nun ein Plasma mittels Hochfrequenz anregen zu können, müssen zunächst einige Randbedingungen geschaen werden. Die Hochfrequenz selber wird in aller Regel mit einem festen Schwingquarz erzeugt, aber auch professionelle Signalquellen über weite Frequenzbereiche sind nutzbar. Weil die Ausgangsleistung dieser Bauelemente/Geräte eher im MilliwattBereich angesiedelt ist und diese Leistung bei weitem nicht zum Betrieb eines Plasmas ausreicht, benötigt man einen Verstärker. Er verstärkt das hochfrequente Eingangssignal von ca. 1 mW auf Ausgangsleistungen von mindestens 100 W bis hin zu 100 kW und mehr. Damit diese sogenannten Plasmaquellen ihre Leistung auch an das Plasma vollständig abgeben können muss, wie aus den Grundlagen der Elektrotechnik bereits bekannt, Leistungsanpassung gelten. Bautechnisch sind diese Quellen daher auf einen rein reellen Ausgangswiderstand von 50 50 Ω Ω ausgelegt. Weil aber das Plasma alles andere als einen perfekten Widerstand darstellt können die Plasmaquellen nicht direkt zum Betrieb verwendet werden, sondern müssen an die gröÿtenteils imaginäre (kapazitive) Last angepasst werden. Diese Funktion übernimmt ein sogenanntes Anpassnetzwerk (engl: Matchbox). Eine wesentliche Schwierigkeit bei der Planung solcher Anlagen besteht darin diese elektrische Last abzuschätzen, so dass man in der Lage ist ein entsprechendes Anpassnetzwerk planen zu können. Da ein Plasma ein elektrisch leitfähiges Medium ist, lässt es sich zu einem elektrischen Ersatzschaltbild vereinfachen, welches in Abbildung 5 dargestellt ist. Wichtig ist, das genannte Ersatzschaltbild gilt ausschlieÿlich für kapazitiv angeregte Plasmen im Niederdruck. Für einen anderen Plasmatyp muss ein anderes Ersatzschaltbild verwendet werden, sofern es sich geschlossen als Bauelementgruppe darstellen lässt. Bild 5: Elektrisches Ersatzschaltbild einer kapazitiven Plasmaentladung EL-V9 - 8 Dabei bildet das Plasma vor allen Oberächen innerhalb der Vakuumkammer Raumladungszonen, sogenannte Randschichten aus, welche ein kapazitives Verhalten ausweisen. Sie entstehen im wesentlichen aus der Erhaltung des Ladungsträgergleichgewichts aus positiv geladenen Ionen und negativ geladenen Elektronen auf eben diese Oberächen. Die Kapazitäten CRandschicht 1 und CRandschicht 2 spielen für die Gesamtimpedanz der Anordnung die gröÿte Rolle und bestimmen somit die elektrische Last aus Sicht der Plasmaquelle. Die Vakuumkapazität CVakuum trägt der tatsächlichen Kapazität der beiden Elektrodenplatten separiert durch das Vakuum Rechnung. Sie ist bezogen auf die Gesamtimpedanz vernachlässigbar klein. Je nach Leistungseintrag in das Plasma ergeben sich die beiden Bauelemente LPlasma und RPlasma . Die Induktivität LPlasma repräsentiert die Elektronenträgheit, was bedeutet dass die Elektronen dem elektrischen Feld quasi instantan, aber eben nicht unendlich schnell folgen können und es im hochfrequenten Wechselfeld zu Verzögerungen kommt. Der Widerstand RPlasma ist eine wesentliche Kenngröÿe, denn je reeller die Impedanz eines Plasmas wird, desto mehr Leistung kann es aufnehmen und in Ionisation des Gases umsetzen. Für die Anpassung einer solchen elektrischen Last an eine Plasmaquelle mit 50 zwei verschiedene Grundschaltungen zur Verfügung: (i) Ω stehen nun L-Typ-Netzwerk und (ii) T-Typ- Netzwerk, entsprechend in Abbildung 6 dargestellt. Prinzipiell lassen sich auch noch weitere Schaltungstypen nden, allerdings haben sich diese beiden Typen im industriellen Umfeld durchgesetzt, da sie eine sehr breite Anpassdynamik besitzen. Die Plasmaquelle wird in der Abbildung von links angeschlossen und das Plasma von rechts. Bild 6: L-Typ und T-Typ Anpassnetzwerk Die Kapazitäten beider Typen sind jeweils variabel und werden normal durch Schrittmotoren gesteuert. Die Induktivitäten sind fest vorgewählt. Aufgrund auftretender sehr groÿer Ströme und Spannungen innerhalb des Anpassnetzwerks sind die Bauelemente in der Regel wassergekühlt. Da die Impedanz des Plasma in der Realität nicht konstant ist, müssen die Anpassnetzwerke die Kapazitäten dementsprechend nachführen. Insbesondere nach der Zündung des Plasmas ändert sich die Lastimpedanz stark. In der Zeit, wo noch keine Anpassung herrscht, kann die Plasmaquelle ihre Leistung jedoch nicht vollständig übertragen. Die zum Plasma geschickte Leistung kommt buchstäblich zurück und man spricht von reektierter Leistung. Zu einem gewissen Grad können Plasmaquellen mit reektierter Leistung umgehen und wandeln sie vollständig in Wärme um. Wird der Anteil jedoch zu groÿ, führt dies langfristig zum Wärmestau und damit zur Notabschaltung der Quelle. Daher überwachen EL-V9 - 9 moderne Plasmaquellen elektronisch die reektierte Leistung, um entsprechend schnell in eine Leistungsreduktion oder Notabschaltung wechseln zu können und kein dauerhafter Schaden an der Elektronik verbleibt. Vorbereitungsaufgabe 3.1: Überlegen Sie sich qualitativ, welche verschiedenen Übertragungscharakteristika die beiden Anpassnetzwerk-Typen L und T unterscheidet. Welcher Typ ist besonders für ein breitbandigeres Anpassverhalten geeignet? Vorbereitungsaufgabe 3.2: ZPlasma = (5 − 700) Ω und die fest verdrahteten Lparallel = 6 µH, sowie die Anregungsfrequenz ω0 = 2 π × Gegeben ist folgende Plasma-Impedanz Induktivitäten 27.12 Lout = 5 µH und MHz. Berechnen Sie die fehlenden Bauelemente für das L- und das T-Typ-Anpassnetzwerk, so dass Leistungsanpassung herrscht (Eingangsimpedanz beider Schaltung von links gesehen soll 50 Ω betragen) und geben Sie sie an. Welche der beiden Typen ist überhaupt realisierbar mit echten Bauelementen? Bedenken Sie hierbei, dass in der Realität Streukapazitäten den tatsächlichen Wert der vorhandenen Kondensatoren auf minimal 5 pF begrenzen. EL-V9 - 10 4 Grundlagen der Plasmatechnik 4.1 Allgemeine Grundlagen der Plasmatechnik In diesem Abschnitt sollen einige wichtige Eigenschaften der in diesem Versuch verwendeten Plasmen diskutiert werden. Wie bereits in der Einleitung beschrieben ist ein Plasma ein Gas, in dem frei bewegliche Ladungsträger vorhanden sind. Wie bei den meisten Laborplasmen werden auch wir in diesem Versuch das Edelgas Argon verwenden, um ein Plasma zu zünden. Essentiell für die Aufrechterhaltung eines Plasmas ist die Produktion neuer Ladungsträger, die in Niederdruckplasmen durch Ionisationsstöÿe zwischen neutralen Argonatomen und Elektronen vollzogen wird. Stöÿt ein Elektron mit genügend viel kinetischer Energie auf ein Argonatom, so wird mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein Elektron aus dem Atom geschlagen. Folglich entsteht ein weiteres Elektron und ein positiv geladenes Argonion. Ar + e− → Ar+ + 2e− Der Ionisationsprozess wird durch Rekombination der beiden Ladungsträgersorten (Ar + , e− ) an den Wänden der Vakuumkammer balanciert, so dass die Anzahl und somit auch die 14 −3 18 −3 Dichte (typ.: 10 m - 10 m ) der beiden Ladungsträgersorten im Mittel gleich bleibt. Es werden also ständig neue Ionen-Elektronen-Paare erzeugt, die dann an den Reaktorwänden wieder vernichtet werden. Die dafür benötigte Leistung wird von auÿen, zum Beispiel mit Hilfe einer Mikrowelle oder eines elektrischen oder magnetischen Feldes eingebracht. Positive Ionen und Elektronen wechselwirken auf Grund ihrer Ladung (Coulomb-Kräfte) stark. Bildet sich lokal eine Übergewicht einer Ladungsträgersorte aus, so entsteht ein elektrisches Feld, welches den Unterschied zwischen den Ladungsträgersorten wieder ausgleicht, die fehlende Ladungsträgersorte würde einfach in die entsprechende Region reingezogen werden. Folglich muss die Elektronen- und Ionendichte im Plasma nahezu identisch sein. Dieses Phänomen wird in der Plasmatechnik als Quasineutralität (ne ≈ ni ) Eine weitere charakteristische Gröÿe eines Plasmas ist der Ionisierungsgrad bezeichnet. , der das Ver- hältnis ionisierter Teilchen zur Gesamtanzahl der Teilchen angibt. = ne ne + nN In Niederdruckplasmen, die in diesem Versuch untersucht werden, liegt der Ionisierungsgrad −3 −6 typischerweise zwischen 10 bis 10 . Weitere grundlegende Eigenschaften von Plasmen lassen sich mit Hilfe einer einfachen Energiebilanz erklären. Endlich ausgedehnte Laborplasmen verlieren nicht nur durch Rekombination von Ionen und Elektronen an den Wänden jeweils mindestens die Ionisierungsenergie des Atoms/Moleküls, sondern werden zusätzlich auch durch Abstrahlung von Photonen und weiteren eher vernachlässigbaren Verlusten gekühlt. Sämtliche Energieverluste müssen letztendlich durch eine externe Energiequelle dem Plasma wieder zugeführt werden, um den Plasmazustand des Gases aufrecht zu erhalten. In diesem Versuch wird die benötigte Leistung über einen verstärkten Kurzwellen Transceiver, welcher eine sinusförmige Spannung mit der Frequenz 13,56 MHz generiert, ins Plasma eingekoppelt. Die Frequenz ist gerade so gewählt, dass die Ionen zu träge sind um dem elektrischen Wechselfeld zu folgen; die EL-V9 - 11 Elektronen hingegen werden durch das elektrische Feld beschleunigt, wodurch sie kinetische Energie gewinnen, die durch elastische Stöÿe mit Neutralteilchen isotropisiert wird. In Niederdruckplasmen entsteht so die Situation, dass die Neutralteilchen und Ionen Raumtemperatur haben; die Elektronen hingegen erreichen Temperaturen von typischerweise 23.000 K - 46.000 K (2 eV - 4 eV). Anhand dieser Überlegungen kann das Verhältnis von thermischer Elektronengeschwindigkeit zu Ionengeschwindigkeit abgeschätzt werden. ve = vi r Te mi ≈ 103 Ti me Als notwendige Konsequenz dieses Verhältnisses muss sich vor jeder Wand der Vakuumkammer ein starkes elektrisches Feld aufbauen, welches die Elektronen von den Wänden wegbeschleunigt, damit nicht sämtliche Elektronen unmittelbar von den Wänden absorbiert werden. Die Zone in der das starke elektrische Feld herrscht ist typischerweise wenige Millimeter dick und wird als Randschicht bezeichnet. Auf Grund des Feldes in der Randschicht stellt sich ein Plasmapotential ΦP gegenüber den geerdeten Wänden ein. Elektrisch isolierte Teile der Kammer nehmen das sogenannte Floatingpotential ΦF an. Dieses ist gerade so groÿ, dass der Strom an Ionen und Elektronen auf die isolierte Fläche genau identisch ist. Plasmen leuchten in Abhängigkeit der im Plasma vorhandenen Atome und Moleküle in unterschiedlichen Farben. Atome und Moleküle werden im Plasma durch Stöÿe mit Elektronen angeregt. Die überschüssige Energie der angeregten Teilchen kann durch spontane Emission eines Photons abgegeben werden. Aufgrund der Tatsache, dass Atome und Moleküle nur auf diskrete Energieniveaus angeregt werden können, werden auch nur Photonen bestimmter Wellenlängen emittiert und das Plasma leuchten farbig. − ∗ Ar + e− schnell → Ar + elangsam Ar∗ → Ar + hν 4.2 Grundlagen der Schichtabscheidung durch Sputterverfahren Beim so genannten Sputtering (auch Kathodenzerstäubung genannt) werden mit Hilfe eines Niederdruckplasmas Atome von einem so genannten Target abgelöst und auf einer Probe, dem Substrat, abgeschieden. Dadurch wird die Probe mit dem Targetmaterial beschichtet. Typischerweise werden Metalle gesputtert, z.B. Aluminium, Gold, Kupfer oder Titan. In diesem Versuch wird ein HF-getriebenes Magnetron als Plasmaquelle verwendet (s. Abbildung 7, d.h. hinter der getriebene Elektrode bendet sich eine Anordnung von Permanentmagneten, die dafür sorgen, dass vor der Elektrode ein ringförmiges Magnetfeld in die Plasmakammer eindringt. Das Magnetfeld fängt die Elektronen vor der Magnetronelektrode ein, wodurch ein hell leuchtender Plasmaring entsteht. Die Stärke des Magnetfeldes wird so eingestellt, dass die Ionen nicht magnetisiert sind, die Elektronen hingegen schon. Aufgrund der Zwangsbedingung der Quasineutralität hat man vor der Magnetronelektrode auch eine hohe Ionendichte, was zu einem hohen Ionenuss zur Elektrode führt. Typischerweise wird für die Erzeugung des Plasmas Argon verwendet, da es die meisten Material vergleichsweise ezient sputtert und nicht zu teuer ist. Die Argonionen werden durch das hohe elektrische EL-V9 - 12 Feld in der Plasmarandschicht vor der Magnetronelektrode auf das Target, das auf der Elektrode montiert ist, beschleunigt. Durch die hohe Beschussenergie von einigen Hundert bis Tausend Elektronenvolt (eV) werden die Metallatome vom Targetmaterial abgetragen und iegen anschlieÿend ins Plasmavolumen hinein. Der Prozessdruck ist so gewählt, dass die mittlere freie Weglänge der gesputterten Teilchen im Bereich der Dimensionen der Reaktorkammer liegen. Dadurch gelangen sie nahezu stoÿfrei zur Substratelektrode (geerdete Elektrode) und lagern sich auf dem Substrat ab, das somit beschichtet wird.[Awak10] HF-Anschluss Wasserkühlung HF-Elektrode Isolator Permanentmagnet Target Magnetfeldlinie Plasma Substratelektrode geerdeter Anschluss Bild 7: Schema des Magnetrons mit ringförmigen Plasma vor der getriebenen Elektrode Zusätzlich bewirkt der Ionenbeschuss daer Mgnetronelektrode die Emission von Sekundärelektronen aus dem Target. Diese dringen ins Bulkplasma ein, wo sie wiederum vom Magnetfeld eingefangen werden. Die Elektronen stoÿen mit dort verfügbaren Neutralteilchen und ionisieren das Neutralgas, vgl. [Awak10]. Durch Variation der Plasmaparameter können die Eigenschaften der gesputterten Schichten beeinusst werden. Eine wesentliche Gröÿe ist dabei die ins Plasma eingekoppelte Leistung, die maÿgeblich die Elektronendichte und somit auch die Ionendichte beeinusst. Ein hoher Leistungseintrag ins Plasma führt zu einer hohen Abscheiderate. Die Abscheiderate kann messtechnisch beispielsweise mit einer Quarzmikrowaage erfasst werden. Durch Variation des Gasdrucks kann der Sputterprozess, wie bereits angedeutet, auch beeinusst werden, da der Hintergrundgasdruck maÿgeblich die mittlere freie Weglänge der gesputterten Teilchen beeinusst. Dies kann man u. a. durch Farbveränderungen des Plasmas beobachten. Neben dem Sputtern von rein metallischen Schichten kann man durch das Sputtern mit Reaktivgasen (kleine Beimischungen von Sticksto oder Sauersto zum Argon) Metallverbindungen (z. B. Nitride- oder Oxide) abscheiden. Reaktivgassputtern ndet u. a. Anwendung in der Werkzeugbeschichtung (z.B.: HSS-Bohrer mit Titannitrid-Oberächenhärtung). Um beim Reaktivgassputtern die gewünschte Schichtstöchiometrie zu erreichen, ist eine EL-V9 - 13 sehr genau Regelung des Reaktivgasusses erforderlich. Ist der Reaktivgasuss groÿ, arbeitet man im so genannten bedeckten Modus, bei dem das Target vollständig von einem Mehrkomponentenlm bedeckt ist. Ist der Reaktivgasuss klein bzw. null, arbeitet man im metallischen Modus, bei dem das Target metallisch bleibt. Im metallischen Modus werden gröÿere Abscheideraten erzielt als im bedeckten Modus. Hält man den Ionenuss auf das Target konstant und variiert den Reaktivgasuss, erhält man einen Übergang vom einen in den anderen Modus. Dieser Übergang zeigt eine Hysteres, d. h. bendet man sich im metallischen Modus und erhöht den Reaktivgasuss, dann "springt" das Plasma bei einem bestimmten Reaktivgasuss Γm→b in den bedeckten Modus. Dies Übergang geht einher mit schwächer werdender Intensität charakteristischer Metalllinien (vgl. Spektroskopie) und einem Abfall der Self-Bias-Spannung. Verringert man anschlieÿend den Reaktivgasuss wieder, ndet der Übergang vom bedeckten in den metallischen Modus bei einem geringeren Reaktivgasluss Γb→m statt (Γb→m < Γm→b ). Um solche sprunghaften Übergänge zwischen den verschiedenen Betriebsmodi zu vermeiden, für technisch relevante Prozesse eine Regelung des Reaktivgasusses unumgänglich. [Awak10] EL-V9 - 14 5 Erklärungen zum Versuchsaufbau Sauerstoff Argon MV MV MFC PG UHV TMP RFP = = = = = = Manuelles Ventil Massenflussregler Druckmessröhre Schiebeventil Turbomolekularpumpe Drehschieberpumpe MV MFC Prozess Kammer PG 1 MFC Belüftung Kammer MV PG 2 UHV MV TMP Belüftung Pumpe RFP Abluft Bild 8: Schema des experimentellen Aufbaus Abbildung 8 zeigt schematisch den in diesem Versuch vorhandenen Vakuumaufbau. Um diesen in Betrieb zu nehmen, muss zuerst die Drehschieberpumpe angeschaltet werden. Ab einem Druck von höchsten 20 mbar wird zusätzlich die Turbomolekularpumpe zugeschaltet. Das Schiebeventil zwischen Turbomolekularpumpe und Vakuumkammer muss während des Evakuierens der Kammer unbedingt vollständig geönet sein. Sobald der Basisdruck von 10−6 mbar erreicht ist, kann Argon in die Kammer gelassen werden. Dazu muss zuerst der Massenussregler auf der gewünschten Wert eingestellt werden. Abbildung ?? zeigt den Zusammenhang zwischen dem eingestellten Wert des Massenussregler und dem Massenuss. Durch Önen des vorgeschalteten Ventils strömt der eingestellte Massenuss in die Kammer. Nun kann der gewünschte Kammerdruck durch Verstellen des Schiebeventils eingestellt werden. mbar l/s Torr l/s sccm 3 atm cm /s mbar l/s 1 0.75 59.2 0.987 Torr l/s 1.33 1 78.9 1.32 sccm 1.69 · 10−2 1.27 · 10−2 1 1.67 · 10−2 3 atm cm /s 1.01 0.76 59.8 1 Tabelle 1: Tabelle zur Umrechnung der verschiedenen Einheiten des Gasusses EL-V9 - 15 6 Beschreibung der Versuchsgeräte In diesem Kapitel werden die Versuchsaufbauten näher beschrieben. Für diesen Versuch sind zwei Aufbauten vorhanden, die sich nur im Detail leicht unterscheiden. Deshalb werden hier die Geräte auch teilweise doppelt beschrieben. Für das Gelingen des Versuchs hat dies keine Bedeutung. 6.1 Plasmareaktor Pumpsystem Turbovac SL300 In Abbildung 9 ist der Drehschalter zur Steuerung der Vor- und Turbopumpe dargestellt. Bei der Schalterstellung '0' sind Vor- und Turbopumpe vom Netz getrennt. Mit Hilfe des Drehschalters wird die Vorpumpe (Stellung I) eingeschaltet. Zum Hochfahren der Turbopumpe muss der Drehschalterschalter weiter bewegt werden. 0 Bild 9: Drehschalter des Pumpsystems Massenussregler MKS Instruments Ein denierter Massenuss an Prozessgas wird über absolut kalibrierte Massenussregler der Firma MKS Intruments in die Prozesskammer eingebracht. Die Massenussregler werden über einen USB-I/O-Modul der Firma Meilhaus Electronics (Typ Redlab 1208LS) angesteuert. Die Sollwerteingabe erfolgt über einen Steuer-PC mit einer entsprechenden LabVIEWSoftware. HV-Schieber VAT Über das Handrad kann das Ventil geönet und geschlossen werden. An der Obersei- ACHTUNG: WÄHREND DES VERSUCHS DARF DAS SCHIEBEVENTIL NICHT VOLLSTÄNDIG GESCHLOSSEN WERDEN. DAS VENTIL BITTE NICHT BIS ZUM ANSCHLAG ÖFFNEN. te kann abgelesen werden wie weit das Ventil geönet ist. EL-V9 - 16 Belüftungsventil Wird der Drehschalter aus Abbildung 9 in Position 0 gesetzt, wird die Kammer auto- matisch belüftet. ACHTUNG: DAS GRÜNE BELÜFTUNGSVENTIL UNTER DEM SCHIEBEVENTIL DARF NICHT GEÖFFNET WERDEN, DA SO DIE KAMMER WIEDER BELÜFTET WIRD. Generator Advanced Energy CESAR Der Netzschalter bendet sich links am Gerät. Das Display zeigt die eingestellte Vorwärts- Wf , ein Schema des Anpassnetzwerks und mit RF O , dass noch keine Leistung RF Power wird die vom Betreuer vorgegebene Leistung eingestellt und dann mit On zugeschaltet. Das Display zeigt nun Vorwärts- und Rückwärtsleistung an. Mit den Tasten CT und CL können nun die Kapazitäten des leistung eingekoppelt wird. Über den Drehregler Anpassnetzwerks eingestellt werden, um die Rückwärtsleistung zu minimieren. CL ist im Schema die Kapazität zur Masse und CT diejenige in Reihe zum Widerstand. 6.2 Analysewaage Zur Bestimmung des Gewichts des abgeschiedenen Materials wird eine Analysewaage verwendet, die eine Messgenauigkeit von 100 µg aufweist. Durch die hohe Messgenauigkeit ist das Gerät sehr empndlich und darf auf keinen Fall mit einer Masse von mehr als 120 g belastet werden. EL-V9 - 17 7 Messaufgaben Messaufgabe 7.1: Nachdem der Versuchsbetreuer Ihnen die Glasobjektträger ausgehändigt hat, die beschichtet werden sollen, messen Sie zunächst deren Grundäche aus und notieren Sie sich die Maÿe. Diese benötigen Sie später bei der Auswertung der Schichtdickenbestimmung. Messaufgabe 7.2: Danach bereiten Sie die Glasobjektträger, die beschichtet werden sollen, vor. Ziehen Sie sich zunächst Handschuhe an, die Ihnen vom Versuchsbetreuer bereit gestellt werden. Anschlieÿend wischen Sie den Glasobjektträger mit einem Ethanol-befeuchteten Tuch ab, um eine möglichst gute Adhäsion der Schicht zu erhalten. Messaufgabe 7.3: Nach erfolgter Reinigung wiegen Sie bitte den unbeschichteten Glasobjektträger mit einer Analysewaage ab. Vermeiden Sie während des Wiegens unnötige Berührungen des Messtisches oder andere Erschütterungen, die zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen. Notieren Sie sich das Messergebnis! Messaufgabe 7.4: Legen Sie die Proben, die Sie beschichten möchten, auf die Substratelektrode der Reaktorkammer und schlieÿen Sie anschlieÿend die Vakuumtür. Achten Sie darauf, dass die Tür korrekt schlieÿt und nicht schräg anliegt. Verwenden Sie immer bei Arbeiten an Vakuumaufbauten Handschuhe. Diese werden Ihnen vom Versuchsbetreuer zur Verfügung gestellt. Messaufgabe 7.5: In diesem Versuchsteil soll das Verhalten der Vorvakuumpumpe DIVAC 0.8T näher untersucht werden. Schalten Sie die Pumpe bei Normaldruck in der Kammer ein und notieren Sie sich alle 30 s den Druck in der Vakuumkammer. Nach fünf Minuten sollte der Druck unter 10 mbar liegen, sodass Sie nach Rücksprache mit dem Versuchsbetreuer die Turbomolekularpumpe einschalten können. Nach Einschalten der Turbomolekularpumpe brauchen Sie den Druck nicht mehr notieren. Messaufgabe 7.6: Wenn Druck auf ca. 2·10−4 mbar gesunken ist, önen Sie die Gaszufuhr und stellen Sie einen vom Betreuer vorgegebenen Gasmassenuss am entsprechenden Regelventil ein. Justieren Sie anschlieÿend den Prozessdruck mit dem manuellen Druckregelventil auf 2 Pa. Messaufgabe 7.7: Wichtig: Önen Sie vor dem Einschalten des Plasmas das Ventil des Kühlwasser- kreislaufs, um die getriebene Elektrode für den Betrieb des Plasmas zu kühlen. Ein nicht EL-V9 - 18 eingeschalteter Kühlwasserkreislauf kann zur Zerstörung des Versuchsaufbaus führen!!! Stellen Sie an der HF-Quelle eine Vorwärtsleistung von 400 W ein. Schalten Sie anschlieÿend unter Aufsicht des Betreuers die HF-Quelle bei einem Druck von 2 Pa ein und versuchen Sie zuerst das Plasma zu zünden. Nach erfolgreicher Zündung minimieren Sie bitte die reektierte Leistung so weit wie möglich mit dem Anpassnetzwerk und maximieren Sie gleichzeitig die reelle Vorwärtsleistung. Sobald Sie stabile Plasmabedingungen erreicht haben, beschichten Sie Ihre Probe für 15 min. Regeln Sie gegebenenfalls während des Plasmabetriebs den Prozessdruck nach und achten Sie darauf, die HF-Quelle möglichst immer in Anpassung zu betreiben. Messaufgabe 7.8: Nach abgeschlossener Beschichtung erhöhen Sie den Sauersto schrittweise von 0 sccm auf 1 sccm in Schritten von 0,1 sccm. Notieren Sie zu jedem Wert die Self-Bias-Spannung, die Ihnen an der HF-Quelle angezeigt wird. Anschlieÿend verringern Sie den Sauerstouss wieder von 1 sccm auf 0 sccm in Schritten von 0,1 sccm und notieren wieder zu jedem Wert die Self-Bias-Spannung. Nach Abschluss der Messungen schalten Sie die HF-Quelle aus, stellen den Gasuss ab (Argon) und belüften anschlieÿend die Prozesskammer. Messaufgabe 7.9: Nachdem Sie die Prozesskammer belüftet haben, entnehmen Sie Ihre Probe und wiegen diese mit der Analysewaage erneut ab. Notieren Sie sich bitte wieder das Gewicht! Hausaufgabe 1: Bestimmen Sie mit Hilfe der Pumpkurve (Abbildung 2) und den gewonnenen Messdaten aus Versuch 7.1 das exakte Volumen der Vakuumkammer unter Vernachlässigung einer Leckrate. Stellen Sie die Messdaten in einem Diagramm dar und erläutern Sie mögliche Fehlerursachen bei der Bestimmung des Kammervolumens auf diese Art und Weise. Hausaufgabe 2: Bestimmen Sie aus Ihren Messdaten die Dicke der abgeschiedenen Schicht. Gehen Sie dabei −3 von einer Massendichte von 6,37 g cm aus. Erläutern Sie, welche Annahmen Sie dabei machen und welche Fehlerquellen es geben kann. Hausaufgabe 3: Tragen Sie die Self-Bias-Spannung in Abhängigkeit vom Sauerstouss für beide Messreihen (0 sccm bis 1 sccm und 1 sccm bis 0 sccm) auf. Was fällt Ihnen am Verlauf der beiden Kurven? Erklären Sie die physikalischen Ursachen für die unterschiedlichen Kurvenverläufe. EL-V9 - 19 Hausaufgabe 4: Stellen Sie sich vor, dass die Substratelektrode beim Beschichten nicht geerdet ist, sondern gegenüber der Reaktorwand eine negative Spannung (z.B. -60 V) aufweist. Wie verhalten sich dabei die (positiv geladenen) Ionen vor der Substratelektrode und was passiert mit der gesputterten Schicht, wenn der Betrag der negativen Spannung zu groÿ gewählt wird? EL-V9 - 20 Literatur [Awak10] [In00] P. Awakowicz: Plasmatechnik II. Manuskript, Ruhr-Universität Bochum, 2010. Incon: Dosierventil VDH016-X. Gebrauchsanleitung inkl. Herstellererklärung, 2000. [Keud06] A. v. Keudell: Einführung in die Plasmaphysik. Manuskript, Ruhr-Universität Bochum, 2006. [LL05] [Schu06] M. A. Liebermann, A. J. Lichtenberg: Materials Processing. Principles of Plasma Discharges and A John Wiley & Sons, Inc., 2nd Edition. Auage 2005. U. Schuber: Unterlagen zum Versuch Vakuum Technik. Technische Universität Wien, 2006. Characterization of multiple frequency driven capacitively coupled plasmas for ferro-metallic thin lm sputter deposition. Ruhr-Universität Bochum, [Semm08] E. Semmler: . Auage 2008. [WAW06] Wutz, Adam, Walcher: Handbuch der Vakuumtechnik. Auage. Auage 2006. EL-V9 - 21 Teubner Verlag, 2.te
