Teilprojekt 3

Modellierung der reaktiven Prozesse bei der Abscheidung von siliziumhaltigen Oxidschichten mittels lokal wirksamer Atmosphärendruck-Plasmaquelle

Forschungsgegenstand des Projekts sind Atmosphärendruck-PE-CVD-Prozesse, welche mittels eines miniaturisierten HF-Plasmajets geführt werden. Die Untersuchungen richten sich auf eine komplexe hydrodynamische Modellierung zur Analyse des Plasmaverhaltens und der Rolle der Betriebsbedingungen für die Schichtbildungsprozesse von siliziumhaltigen Oxidschichten. Der hohe Komplexitätsgrad der beteiligten Prozesse erfordert eine enge Kopplung der Modellierung mit experimentellen Untersuchungen der im Volumen erzeugten Teilchen sowie der Struktur und Zusammensetzung der Schicht.

Ziele

Schema des miniaturisierten HF-Plasmajets (links) sowie Detail der Kapillaren mit Einzelentladungsfilament (Mitte) und Foto im Betrieb (rechts)
© Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e. V. Greifswald (INP)

Schema des miniaturisierten HF-Plasmajets (links) sowie Detail der Kapillaren mit Einzelentladungsfilament (Mitte) und Foto im Betrieb (rechts)

  • Untersuchung des Einflusses der Betriebsbedingungen, wie Strömungsgeschwindigkeit von Prozess- und Reaktivgas, Leistungseinkopplung und Gemischzusammensetzung, auf die Prozesse zur Erzeugung siliziumhaltiger Oxidschichten
  • Aufdeckung der plasmachemischen Reaktionspfade und ihrer Wirkung auf die Zusammensetzung und Struktur der abgeschiedenen Schicht
  • Ermittlung der Bedeutung von Penningprozessen für die Reaktionskinetik im Effluenten
  • Leistung von praxisorientierten Beiträgen zur Optimierung der Effizienz des Umsatzes der reaktiven Beimischungen bei der Abscheidung

Methodische Ansätze zum Erreichen der Projektziele

  • Hydrodynamische Modellierung unter Berücksichtigung von Plasmachemie und Schichtbildungsprozessen
  • Experimentelle Charakterisierung der Schichtzusammensetzung und -struktur
  • Orts- und zeitaufgelöste Untersuchungen 

Beschreibung des Remoteplasmas im Effluenten

Axiale Ladungsträgerkonzentration am Ansatzpunkt eines Filaments als Ergebnis eines zweidimensionalen Modells eines Einzel-Filaments
© Schäfer et al.: Eur. Phys. J. D 60 (2010) 531–538

Axiale Ladungsträgerkonzentration am Ansatzpunkt eines Filaments als Ergebnis eines zweidimensionalen Modells eines Einzel-Filaments

Vorgehensweise

Schritt 1: Entladung ohne Präkursor und ohne Target:

  • Einbindung des Modells für das Einzelfilament in ein umfassenderes Modell mit Berücksichtigung der Strömung
  • Berechnung der aktiven Spezies im Effluenten: e-, Ar+, Ar2+, Ar*

Schritt 2: Entladung mit Präkursor ohne Target:

  • Bestimmung der wichtigsten Spezies der HMDSO-Reaktionskette in enger Zusammenarbeit mit TP 2
  • Reaktionskinetik der Volumenprozesse

Beschreibung der Schichtbildungsprozesse

Vorgehensweise

Schritt 1: Schichtbildung auf einem µm-Target:

  • Ermittlung von Zusammensetzung und Struktur der Schicht mittels Abgeschwächter Totalreflektion (ATR) und Rasterelektronenmikroskpie (REM)
  • Aufbau einer Schicht-Reaktionskinetik auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse
  • Ermittlung der Reaktionsdaten durch Abgleich experimenteller und theoretischer Ergebnisse zum Schichtwachstum


Schritt 2: Schichtbildung auf ausgedehntem, makroskopischem Target:

  • Einbau der Schicht-Reaktionskinetik in das Plasma-Strömungsmodell
  • experimentelle Ermittlung von Schichtprofil und -zusammensetzung
  • Vergleich Experiment – Modell


Schritt 3: Variation der Betriebsbedingungen

  • Parametervariation von Leistung sowie Strömungsgeschwindigkeit von Ar und Präkursor
  • Variation des Abstandes zum Target, des Entladungsmodus und der Target-Temperatur

Angestrebte Ergebnisse

  • Ermittlung der Reaktionskinetik der Volumenprozesse und der Schichtbildungsprozesse für PE-CVD mit siliziumorganischen Ausgangsstoffen
  • Spezifizierung von optimalen Schichtabscheidungsbedingungen
  • Bereitstellung praxisorientierter Beiträge zur Optimierung der Effizienz des Umsatzes der reaktiven Gase bei der Herstellung von dünnen, funktionellen Schichten unter Normaldruck