Niederdruckplasmen Und Mikrostrukturtechnik

ISBN-13: 9783642622847 / Niemiecki / Miękka / 2012 / 543 str.

Gerhard Franz

Opis

In diesem Buch werden zunachst die verschiedenen Typen von Plasmen ausfuhrlich beschrieben: Gleichstrom-Entladung, kapazitive und induktive Kopplung mit Radiofrequenz, die magnetfeldunterstutzte Anregung mittels Heliconwellen; schliesslich noch Ionenstrahlen. Breiten Raum nimmt dann die Plasmadiagnostik ein, die in einem separaten Kapitel mit vier Methoden exemplarisch vorgestellt wird. Daran anschliessend erfolgt eine umfassende Darstellung der beiden modernen Verfahren Sputtern und Trockenatzen, mit denen heute Oberflachen durch Beschichten und gezieltes Abtragen auf vielfaltige Weise modifiziert werden. Besondere Aufmerksamkeit wird reaktiven Verfahren und den dort auftretenden Reaktionsmechanismen, aber auch der Ionenstrahlmethode, gewidmet. Zahlreiche Anwendungsbeispiele sind in den Text eingestreut. Fur die Neuauflage wurde das Buch vollstandig neu bearbeitet und aktualisiert. Hinzu kamen neue Kapitel uber Plasmadiagnostik und hochdichte sowie induktiv-gekoppelte Plasmen."

Spis treści

1 Einleitung.- 2 Das Plasma.- 2.1 Gleichstrom-Glimmentladung.- 2.2 Temperaturverteilung im Plasma.- 2.3 Ladungsneutralisation im ungestörten Plasma.- 2.4 Potentialvariation im Plasma.- 2.5 Temperatur und Dichte der Elektronen.- 2.5.1 Elektronentemperatur.- 2.5.2 Elektronendichte.- 2.6 Plasmaschwingungen.- 2.7 Ôhnlichkeitsgesetze.- 3 Ladungsträger.- 3.1 Streutheorie.- 3.1.1 Der Stoßquerschnitt der elastischen Streuung.- 3.1.2 Streuquerschnitte und Mittlere Freie Weglänge.- 3.1.3 Der Stoßquerschnitt der unelastischen Streuung.- Elastische Stöße.- 3.2.1 Elastische Stöße von Elektronen mit Atomen.- 3.2.2 Elastische Stöße zwischen schweren Partikeln.- 3.3 Unelastische Stöße.- 3.3.1 Elektronenstöße.- 3.3.2 Stöße von Ionen und Photonen.- 3.3.2.1 Stöße von Ionen mit Molekülen.- 3.3.2.2 Resonanter Charge-Transfer.- 3.3.2.3 Penning-Ionisierung.- 3.3.2.1 Stöße von Photonen mit Molekülen.- 3.4 Sekundärelektronen-Erzeugung an Oberflächen.- 3.5 Verlustmechanismen.- 4 DC-Entladungen.- 4.1 Ionisierung in der Kathodenzone.- 4.1.1 Normale Entladungen.- 4.1.1.1 Townsendsche Gleichung.- 4.1.1.2 Der primäre Ionisierungskoeffizient.- 4.1.1.3 Dicke der Randschicht und sekundärer Ionisierungskoeffizient.- 4.1.1.4 Die Größen des normalen Kathodenfalls.- 4.1.2 Anomale Entladungen.- 4.1.3 Kritik an der Townsendschen Näherung.- 4.2 Negative Glühzone und Positive Säule.- 4.2.1 Ionisierung in der Negativen Glühzone.- 4.3 Anodenzone.- 4.4 Hohlkathodenentladungen.- 5 HF-Entladungen I.- 5.1 Beschreibung der Ladungsträgererzeugung.- 5.1.1 Einfluß von Druck und Feldfrequenz.- 5.1.2 Modifizierung der Diffusion.- 5.1.3 Modell für den Durchbruch.- 5.2 HF-Kopplung: Qualitative Beschreibung.- 5.3 HF-Kopplung: Quantitative Beschreibung.- 5.3.1 Reihenresonanzkreis.- 5.3.2 Parallelresonanzkreis.- 5.3.3 Gekoppelte Parallelschwingkreise.- 5.3.3.1 Trafokopplung.- 5.3.4 Kapazitive und induktive Kopplung.- 5.3.5 Duale Schaltung des kapazitiv gekoppelten Plasmas.- 5.3.5.1 1. Näherung (symmetrische Entladung).- 5.3.5.2 2. Näherung (asymmetrische Entladung).- 5.4 Abgleichsnetzwerke.- 5.4.1 Komplexe Plasmaimpedanz.- 5.4.2 übertragungslinie.- 5.4.3 Abschirmung.- 6 HF-Entladungen II.- 6.1 Elektrodenvorgänge in kapazitiv gekoppelten Plasmen.- 6.2 Feldstärken in der Randschicht bei steigender Anregungsfrequenz.- 6.3 Symmetrisches System.- 6.3.1 Potentiale der Randschichten.- 6.3.2 Leistungsaufnahme bei kapazitiver Kopplung.- 6.3.2.1 Ohmsche Aufheizung der Randschicht.- 6.3.2.2 Stochastische Aufheizung an der Randschicht.- 6.3.3 Strom-Spannungscharakteristik.- 6.4 Asymmetrisches System.- 6.5 Self-Bias der RF-Elektroden.- 6.5.1 Randschichtpotential für kapazitive Kopplung.- 6.5.2 Räumliche Verteilung der Ladungsträger.- 6.6 Streumechanismen.- 6.6.1 Experimente.- 6.6.2 Computersimulationen.- 6.6.3 Hybrides Randschichtmodell.- 6.6.3.1 Ionen.- 6.6.4 Messungen und ModelIierungen.- 6.6.4.1 IEDF in der Randschicht.- 6.6.4.2 IEDF in der Randschicht der Anregungselektrode.- 6.7 Vergleich zwischen DC- und CCP-RF-Entladungen.- 7 HF-Entladungen III.- 7.1 Hoch-Dichte-Plasmen.- 7.2 Induktiv gekoppelte Plasmen.- 7.2.1 Leistungseinspeisung bei induktiver Kopplung.- 7.3 Magnetfeld-unterstützte Anregung von Plasmen.- 7.3.1 Resümee der Eigenschaften von HF-Entladungen.- 7.4 Whistlerwellen und Systeme mit gekoppelter Resonanz.- 7.5 ECR-Quellen.- 7.5.1 Das elektrische Feld und die Diffusionslänge.- 7.5.2 Einkoppeln von Mikrowellen.- 7.5.3 Leistungseinspeisung in das ECR-Plasma.- 7.5.4 ECR-Reaktoren.- 7.6 Vergleich der Hochdichteplasma-Entladungen.- 8 Ionenstrahlsysteme.- 8.1 Plasmaquellen.- 8.1.1 Kaufman-Quelle.- 8.1.2 RF-Quellen.- 8.2 Gitteroptik.- 8.2.1 Anordnung und PotentialeinsteIlung.- 8.2.2 Design einer Gitteroptik mit RF-Quelle.- 8.3 Qualitative Betrachtung der Ionenextraktion.- 8.4 Quantitative Betrachtungen zum Ionenstrom.- 8.4.1 Zweigitter-Quelle.- 8.4.2 Dreigitter-Quelle.- 8.5 Neutralisierung.- 8.6 Prozeßoptimierung.- 8.7 Uniformität.- Plasma-Diagnostik.- 9.1 Langmuir-Sonde.- 9.1.1 Einführung.- 9.1.2 Bedingungen für den Betrieb.- 9.1.3 Kennlinie der Langmuir-Sonde.- 9.1.4 Sondenradius.- 9.1.5 Dünne Randschicht: Raumladungsbegrenzter Strom.- 9.1.5.1 Positive Ionen.- 9.1.5.2 Elektronen.- 9.1.6 Endliche Elektronentemperatur.- 9.1.6.1 Sehr dünne Randschicht.- 9.1.7 Dicke Randschicht: Orbital Motion Theorie (OML-Theorie).- 9.1.7.1 Dicke Randschicht: $$ \frac{{^p}}{{}} \to 0.$$.- 9.1.7.2 Dünne Randschicht: $$ \frac{{^p - }}{{^s}} \ll 1. $$.- 9.1.8 Analyse des Elektronenstroms: Elektronenanlaufzone.- 9.1.9 Plasmapotential.- 9.1.10 Inhärente Eigenschaften.- 9.1.10.1 Sondenstrom.- 9.1.10.2 Räumliche Abhängigkeit.- 9.1.10.3 Plasmapotential.- 9.1.11 Messungen.- 9.1.11.1 Bestimmung der Kennlinie.- 9.1.11.2 Elektronendichte.- 9.1.11.3 Elektronentemperatur und Plasmapotential.- 9.2 Messung von Potentialen in HF-Entladungen.- 9.2.1 Prinzip der Doppelsonde.- 9.3 Self-Excited Electron Resonance Spectroscopy (SEERS).- 9.3.1 Technische Umsetzung.- 9.3.2 Inhärente Eigenschaften.- 9.3.2.1 Bestimmung der elektronischen Plasmadichte.- 9.3.2.2 Bestimmung der Frequenz des elastischen Stoßes von Elektronen.- 9.4 Impedanzanalyse.- 9.5 Optische Emissions-Spektroskopie (OES).- 9.5.1 Temperatur der schweren Partikeln.- 9.5.2 Elektronentemperatur mit OES.- 9.5.2.1 Korona-Modell und seine Gültigkeit.- 9.5.2.2 Bestimmung der direkten elektronischen Anregung.- 9.5.2.3 Parametrisierung des Streuquerschnitts.- 9.5.2.4 Details zur Auswertung.- 9.5.2.5 Fehler bei der Anpassung von ?.- 9.5.2.6 Welche EEDF ist richtig? MB, D oder etwas Numerisches?.- 9.5.2.7 Abhängigkeit von der RF-Leistung.- 9.5.3 Grenzen der Anwendbarkeit des Korona-Modells.- 9.6 Zusammenfassung.- 10 Sputtern.- 10.1 Kinetik.- 10.1.1 Energieverteilung der abgestäubten Atome.- 10.1.2 Filmbildung.- 10.2 Sputterbedingungen.- 10.2.1 Elektrische Größen.- 10.2.2 Temperaturkontrolle des Substrates.- 10.3 Probleme der Kontamination.- 10.3.1 Kontamination durch Argon.- 10.3.2 Kontamination durch Fremdgase.- 10.3.3 Reaktives Sputtern.- 10.3.4 Beschuß mit weiteren Partikeln.- 10.4 Bias-Techniken.- 10.4.1 Einfluß auf Abscheiderate und Filmzusammensetzung.- 10.4.2 Beeinflussung weiterer Filmeigenschaften.- 10.4.3 Mechanismen des Bias-Sputterns.- 10.4.4 Gleichmäßigkeit der Kantenbedeckung an Stufen.- 10.4.5 Mechanische Spannung und Substrat-Bias.- 10.5 Deposition von Mehrkomponenten-Filmen.- 10.6 Probleme der Kohäsion.- 10.7 Sputtersysteme mit erhöhter Plasmadichte.- 10.7.1 Magnetisch verbesserte Sputtersysteme.- 10.7.2 Triodensysteme.- 10.7.3 Ionenplattiersysteme.- 10.8 Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD).- 10.8.1 Instantane Massenspektrometrie.- 10.8.2 Diamantartige Schichten.- 10.9 Ionenstrahlbeschichtung.- 11 Trockenätzverfahren.- 11.1 Sputterätzen.- 11.2 Reaktive ätzverfahren.- 11.3 Abhängigkeit von einzelnen Parametern.- 11.3.1 Substrattemperatur.- 11.3.2 Gaszusammensetzung t2.- 11.3.4 Elektrodengeometrie.- 11.3.5 Gasflußeffekte und der Loading-Effekt.- 11.3.6 Transporteffekte und Reaktordesign.- 11.4 Charakteristika des Trockenätzens.- 11.4.1 Maskenerosion.- 11.4.2 Facettierung.- 11.4.3 Metallmasken und Trilevel-Photoresist.- 11.4.4 Redeposition und Seitenwandpassivierung.- 11.4.5 Selektivität.- 11.4.6 Trenching.- 11.4.7 Shadowing.- 11.4.8 Micro-Loading (ML).- 11.4.9 Aspect-Ratio Dependent Etching (ARDE).- 11.4.10 Aufiadungseffekte.- 11.4.11 Spezielle Hochdichteplasma-Anwendungen.- 11.5 Spezielle Charakteristika des Ionenstrahlätzens.- 11.5.1 Anwendungen.- 11.5.2 Ionenstrahlunterstütztes Ôtzen: IBAE oder CAIBE.- 11.6 Damage.- 11.7 Ôtztopographie.- 11.7.1 Historischer Rückblick.- 11.7.2 Gegenüberstellung der Ôtztopographie-Mechanismen.- 11.8 Prozeßkontrolle.- 11.8.1 Ônderung der Impedanz einer Entladung.- 11.8.2 Ellipsometrie.- 11.8.3 Optische Emissionsspektroskopie (OES).- 11.8.4 Interferometrische Verfahren: Laser-Refiektometrie oder - Interferometrie (LI).- 11.8.4.1 Metalle und Dielektrika.- 11.8.4.2 Halbleiter.- 11.8.5 CCD-kontrollierte Laserinterferometrie.- 11.8.6 Massenspektrometrie (MS).- 11.8.7 Probleme des in-situ-Monitoring.- 11.8.8 Bewertung der Verfahren.- 12 Ôtzmechanismen.- 12.1 Rückblick.- 12.2 Quantitative Berechnung mit der Langmuir-Theorie.- 12.3 ...und beim Ionenätzen?.- 12.4 Simulation von Trockenätzungen.- 12.5 Ôtzverhalten von Si und seinen Verbindungen.- 12.5.1 Experimentelle Beobachtungen.- 12.5.2 Modell.- 12.5.3 Der sogenannte Bosch-Prozeß.- 12.5.4 Ôtzung von Si mit chlorhaltigen Gasen.- 12.6 Ôtzverhalten von III/V-Verbindungshalbleitern.- 12.6.1 Verwendung chlorhaItiger Ôtzgaset2]407.- 12.7 Kombination verschiedene Ôtzverfahren.- 12.8 Oberflächenreinigung.- 12.9 Anlagen-Design.- 13 Ausblick.- 14 Anhang.- 14.1 Elektronen-Energieverteilungen (EEDFs).- 14.1.1 Boltzmann-Gleichung.- 14.1.2 Ôußeres Feld als kleine Störung.- 14.1.2.1 Der Beitrag der elastischen Stöße.- 14.1.2.2 Der Beitrag der unelastischen Stöße.- 14.1.3 Näherungslösungen der Boltzmann-Gleichung.- 14.1.3.1 HF-Feld.- 14.1.3.2 Verschwindendes elektrisches Feld.- 14.1.3.3 Margenau-Verteilung.- 14.1.3.4 Druyvesteyn-Verteilung.- 14.1.4 Frequenzeffekte.- 14.2 Die Bohmsche Übergangszone.- 14.3 Plasmaschwingungen.- 14.4 Kapazitive Kopplung im RF-System.- 14.4.1 Der symmetrische Fall.- 14.4.2 Der asymmetrische Fall.- 14.5 Bewegung im magnetischen Feld.- 14.5.1 Die magnetische Flasche.- 14.5.2 Modifizierung der Diffusion.- 14.6 Cutoff und Skintiefe des E-Feldes in einer HF-Entladung.- 14.7 Eigenschaften der Whistlerwellen.- 14.7.1 Dispersionsbeziehung für ebene Wellen.- 14.7.2 Dispersionsbeziehung im zylindrischen Plasma.- 15 Verwendete Symbole und Akronyme.- 16 Bildquellennachweis.- Register.

Blurb

In diesem Buch werden zunächst die verschiedenen Typen von Plasmen ausführlich beschrieben: Gleichstrom-Entladung, kapazitive und induktive Kopplung mit Radiofrequenz, die magnetfeldunterstützte Anregung mittels Heliconwellen; schließlich noch Ionenstrahlen. Breiten Raum nimmt dann die Plasmadiagnostik ein, die in einem separaten Kapitel mit vier Methoden exemplarisch vorgestellt wird, und in dem die vorher erörterten Methoden zur Plasmaerzeugung unter analytischen Gesichtspunkten diskutiert werden. So haben sich als wichtigste Zielgrößen die Plasmaparameter, Plasmadichte und Elektronentemperatur erwiesen, die im Fokus der Entwicklung von Hochdichteplasmen ab 1980 standen~ vorwärts getrieben vor allem von den Forderungen der Mikrostrukturtechnik, Oberflächen durch Beschichten und gezieltes Abtragen auf vielfältige Weise zu modifizieren. Daher erfolgt anschließend eine umfassende Darstellung der beiden modernen Verfahren Sputtern und Trockenätzen.

Besondere Aufmerksamkeit wird reaktiven Verfahren und den dort auftretenden Reaktionsmechanismen, aber auch der Ionenstrahlmethode, gewidmet, die die breite Palette der Anwendungsmöglichkeiten von Plasmaprozessen erneut erweitert haben, wodurch die Mikrostrukturtechnik zu einer zukunftsweisenden Querschnittstechnologie avanciert ist. Zahlreiche Anwendungsbeispiele sind in den Text eingestreut und illustrieren sowohl den geringen Aufwand als auch die herausragende Umweltverträglichkeit der Mikrostrukturtechnik mit Niederdruckplasmen, die bereits Maßstäbe gesetzt hat und deren Potential kaum hoch genug eingeschätzt werden kann.

Für die Neuauflage wurde vor allem das Kapitel über RF-Entladungen wesentlich erweitert, eines über Plasmadiagnostik hinzugefügt und die Abbildungen auf einen einheitlichen Standard gebracht, dagegen die Abtrennung langer Ableitungen in einen Anhang beibehalten, wodurch insgesamt der Umfang des Buches nur unwesentlich zunahm.