Projektbereich C

Theoretische und experimentelle Beschreibung von Hochleistungsplasmen

C1: Multifrequenz Sputtering zur Abscheidung von keramischen Schichten

Peter Awakowicz

Eine großflächige, kapazitiv gekoppelte Mehrfrequenzentladung (MFCCP) wird in diesem Projekt mit drei Frequenzen betrieben. Die Leistungsversorgung mit der hohen Frequenz (60 MHz) generiert gegenüber der üblichen Frequenz bei 13.56 MHz eine erhöhte Ionenflussdichte im Plasma sowie eine deutlich geringere Randschichtspannung, da der Leistungseintrag im Plasmabulk mit der Frequenz zunimmt, der Leistungseintrag in die Randschicht hingegen abnimmt. Daher sorgt die "klassische" Hochfrequenz bei 13,56 MHz für einen hohen DC-Selfbias, der zunächst über die Amplitude dieser Frequenz gesteuert werden kann. Sollen aber der gesamte mittlere Leistungseintrag und damit die Ionenflussdichte festgehalten werden, die Randschichtspannung und damit die Ionenenergie variiert werden, so können Phase und Amplitude der ersten Oberwelle bei 27.12 MHz für die Steuerung der Ionenenergie verwendet werden. Dieser als elektrische Asymmetrie bezeichnete Effekt ermöglicht die präzise Steuerbarkeit der Randschichtspannung durch Änderung des Phasenwinkels zwischen der Grundfrequenz und der ersten Oberschwingung [Heil (2008); Carnetzki (2011)].

Damit wird einerseits die Abscheiderate deutlich verbessert, andererseits können gezielt die Eigenschaften der Schichten beeinflusst werden. Weiterhin bleiben die anderen Vorteile einer HF-Entladung natürlich erhalten: die vollständige Targetausnutzung, die gute Homogenität über große Flächen, die Möglichkeit, auch magnetische Targets zu sputtern, sowie das Potential, sehr nichtleitende Materialien als Target einzusetzen. Eines der Hauptziele des Teilprojektes C1 ist somit durch den Einsatz und die Gegenüberstellung quantitativer diagnostischer Methoden, wie Langmuir- und Multipolresonanzsonde, Strom- und Spannungsmessung, Energie-Massenspektroskopie und (phasenaufgelöster) optischer Emissionspektroskopie (OES, PROES), ein Grundverständnis über die Prozesse im MFCCP-Plasma und deren Steuerung zu erlangen. Insbesondere die Randschichtdynamik spielt für die Ionenenergieverteilung eine große Rolle. Desweiteren werden die in diesem Teilprojekt sehr grundlegenden Forschungsarbeiten durch Kooperationen mit anderen Teilprojekten unterstützt (siehe C1.5). Beispielsweise durch Simulationen (C4, C8) der Plasma- und Neutralteilchendynamik, aber auch durch Charakterisierung der erzeugten CrAlN und CrAlON-Schichten durch Schichtanalytiken (C2), sowie deren Vergleich mit den in HPPMS-Anlagen hergestellten Schichten (A1, A3).

Das Teilprojekt leistet daher durch seine Grundlagenforschung unter quantitativer Berücksichtigung aller beim Sputterprozess wichtigen Einzelschritte bei vergleichsweise einfachen geometrischen Strukturen auf dem Gebiet der Plasmaphysik und Plasmatechnik einen wesentlichen Beitrag im Hinblick auf das Ziel des SFBs, das bisher vorherrschende empirische Vorgehen durch ein fundiertes physikalisches und chemisches Prozessverständnis zu ersetzen, um die Abscheidung von Schichten mit definierten Eigenschaften zu ermöglichen.

C2: Mikrosystemtechnische parallele in situ Messung von mechanischer Schichtspannung, Schichttemperatur und elektrischem Widerstand bei Plasmabeschichtungsprozessen zur Etablierung erweiterter Strukturzonendiagramme

Alfred Ludwig

Mikrotechnische in situ Messverfahren (Messwafer, Messchips) werden weiterentwickelt, die zeit- und ortsaufgelöst mechanische Schichtspannungen sowie die Temperatur am Ort der Beschichtung und den elektrischen Widerstand der wachsenden Schicht bei Plasma-Beschichtungsprozessen erfassen. Diese Informationen werden mit strukturellen Analysen kombinatorisch hergestellter Schichtsysteme korreliert, um erweiterte Strukturzonendiagramme für das Modellsystem Cr-Al-O-N zu etablieren.

Die mikrotechnischen Messverfahren beruhen auf Biegebalken, Membranen und strukturierten Leiterbahnen. Neben Si werden auch Metalle und Polymere als mikrostrukturierte Sensoren eingesetzt, um das unterschiedliche Wachstumsverhalten auf unterschiedlichen Substraten zu erfassen. Die mit den mikrotechnischen Sensoren erzielten Messergebnisse werden einerseits mit Ergebnissen aus der Plasmadiagnostik (u.a. Langmuir-Sonde, Gegenfeldanalysator), die während der Beschichtungen auf die mikrotechnischen Sensoren durchgeführt wird, sowie mit Ergebnissen aus der mikrostrukturellen und funktionellen Analyse der hergestellten Schichten korreliert. Neu im Projekt werden Dichtemessungen an Dünnschichtsystemen durchgeführt (RBS, NRA). Messungen auf Waferebene ermöglichen zeit- und ortsaufgelöste in situ Untersuchungen von mechanischen Schichtspannungen, Temperatur sowie elektrischem Widerstand der aufwachsenden Schichten, insbesondere bei der Herstellung von Materialbibliotheken. Diese werden vorrangig mittels des HPPMS Verfahrens hergestellt. Bei Messungen auf Chipebene werden optimierte Messchips in den unterschiedlichen Beschichtungssystemen der Projektpartner (A1, A3, B1, B2, B4, B5, C1, C6, C7) eingesetzt. Die Messchips ermöglichen ein verbessertes Verständnis bzw. die Kontrolle der Beschichtungsprozesse, insbesondere ein Verständnis der mechanischen Spannungsentwicklung bei unterschiedlichen Sputterprozessen. Im Projektbereich B wird die Temperaturkontrolle ein tieferes Verständnis über den Zusammenhang zwischen Beschichtungsparametern und Schichteigenschaften vermitteln. Mit der Gesamtheit dieser Ergebnisse werden erweiterte Struktur-Zonendiagramme für ein Modellsystem des SFB (Cr-Al-O-N) entwickelt. Die erweiterten Struktur-Zonendiagramme visualisieren Zusammenhänge zwischen Abscheidetemperatur, Plasmaparametern, chemischer Zusammensetzung, Mikrostruktur und Eigenschaften.

C3: Zeitaufgelöste Messung des Schichtwachstums in Hochleistungsplasmen mit variabler Teilchen- und Energieverteilung 

Achim von Keudell und Jan Benedikt

Die Schichteigenschaften bei der Deposition von dünnen Filmen mittels gepulster Hochleistungsplasmen hängen sehr detailliert von der Zusammensetzung des Teilchenflusses und der Energieverteilung der einfallenden Spezies ab. Bei gepulsten Plasmen kommt noch eine ausgeprägt Zeitstruktur dazu, bei der während des Pulses wie in der Pulspause die Teilchenverteilungen stark variieren. Ein Extremfall stellen HPPMS Plasmen dar.

In diesem Projekt soll die Aufwachsrate in einem HPPMS-Plasma zeitaufgelöst vermessen werden, indem ein rotierender Shutter, der mit der Plasmapulsung synchronisiert ist, die zeitliche Abfolge der auftreffenden Teilchen räumlich über einen Wafer verteilt. Dabei entsteht ein Beschichtungsprofil, das ex-situ vermessen werden kann. Aus der Dicke der Beschichtung und einer XPS-Analyse des deponierten Materials lässt sich die Zeitabhängigkeit des Wachstumsflusses und dessen Zusammensetzung ablesen. Diese Methode soll komplementiert werden mit einem Gittersystem vor dem Shutter, mit dem es gelingt, den Ionenanteil an der Beschichtung zu separieren. Diese Messungen werden ergänzt durch zeit-, orts-, massen- und energieaufgelöste Messungen der Ionenverteilungen sowie durch phasenaufgelöste Emissions-spektroskopie. Daraus wird ein konsistentes Bild der Dynamik der Entladung und des Transports der Spezies vom Target zum Substrat entwickelt.

Auf der Basis dieser Daten sollen folgende Fragen beantwortet werden:
  • Was bestimmt den Transport der Spezies vom Target zum Substrat und schließlich deren Einbau? Wie lässt sich auf dieser Basis verstehen, dass die Wachstumsrate bei HPPMS im Vergleich zu dc-MS bei gleicher mittlerer Leistung in der Regel kleiner ist? 
  • Welches sind die wichtigen Transportzeitkonstanten als Benchmark für die Modellierung dieser Plasmen? Wie unterscheiden sich diese für unterschiedliche Targetmaterialien? 
  • Welcher Anteil des Wachstumsflusses findet während des Pulses und welcher im Afterglow statt? Was hat das für Folgen für den Energieeintrag während einer Beschichtung? 
  • Wie muss ein arbiträres Biasing der Substrate ausgelegt werden, um die zeitliche Abfolge der auftreffenden Teilchenflüsse optimal zu beeinflussen? 

Mit der Beantwortung dieser Fragen wird es möglich sein, HPPMS Plasmen effizienter zu steuern, um die Beschichtungsrate und Schichteigenschaften gezielt einstellen zu können. Es besteht eine enge Verknüpfung zu den Projekten A5, C5, C6, C8 und C7.

C4: Kinetische Simulationen technischer Plasmen im Frequenzbereich von DC bis MW

Denis Eremin und Ralf Peter Brinkmann

Die Eigenschaften plasmagestützter Abscheideprozesse hängen entscheidend von den Flüssen sowie den Energie- und Winkelverteilungen der auf das Substrat auftreffenden Teilchen ab. Im Niederdruckbereich (< 10 Pa) können diese nur kinetisch berechnet werden. Das geplante Projekt wird den in der ersten Phase für die Simulation von kapazitiven Entladungen entwickelten elektromagnetischen Particle-In-Cell-Code weiter ausbauen und einsetzen. Hierbei sollen kinetische Simulationen von RF-, MW- und HPPMS-Entladungen auf Grafikkarten durchgeführt werden. Da MW- und HPPMS-Plasmen aber grundlegend andere Eigenschaften als RF-Plasmen besitzen, müssen neue Algorithmen erarbeitet und implementiert werden. Hierbei werden die alten entweder ergänzt oder vollständig ersetzt. Zur besseren Auflösung der viel dünneren Randschichten müssen adaptive Teilchenalgorithmen auf nichtuniformen Gittern entwickelt werden. Zur Simulation von MW-Entladungen müssen die elektromagnetischen Felder mit Hilfe der FDTD-Methode berechnet werden. Bisher erfolgte dies auf Basis der Darwin-Approximation der Maxwell-Gleichungen. Nachdem die numerischen Werkzeuge umgesetzt, verifiziert und validiert sind, werden die entwickelten Codes zur Analyse der Physik sowie der Optimierung entsprechender experimenteller Anlagen aus allen Projektbereichen des SFB-TR 87 eingesetzt.

C5: Elektronendynamik magnetisierter Hochleistungsplasmen, speziell HPPMS 

Ralf Peter Brinkmann

Viele plasmaphysikalische Prozesse, z.B. High Power Pulse Magnetron Sputtering (HPPMS), verwenden magnetfeldunterstützte Hochleistungsplasmen bei niedrigem Gasdruck (p ≤ 1 Pa). In diesem Regime brechen konventionelle fluid- dynamische Modelle zusammen und müssen durch kinetische Methoden ersetzt werden. Allerdings ist eine direkte kinetische Simulation mit Particle-in-Cell-Methoden (PIC) sehr aufwendig. In den Projekten C5 und C8 soll für solche Plasmen eine alternative Beschreibung formuliert und numerisch umgesetzt werden. Diese wird nicht nur Einsicht in die Prozessvorgänge vermitteln, sondern auch eine prädiktive Simulation von für die Beschichtungsprozesse maßgeblichen industriellen Anlagen erlauben. Optimierungsmaßnahmen der Prozesse hinsichtlich der Reaktorgeometrie und der Prozessparameter werden dann der Beurteilung zugänglich werden.

Projekt C5 widmet sich der Modellierung der Elektronen. Ausgangspunkt ist die Tatsache, dass die Längenskalen λD (Debye-Länge), s (Randschichtdicke), rL (Gyrations-Radius), λ (mittlere freie Weglänge für elastische Stöße), L (Systemlänge) und λin (mittlere freie Weglänge für inelastische Stöße) sich ordnen zu: λD ≪ s ≪ rL ≪ λ ≈ L ≪ λin. Diese Ordnung erlaubt eine Aufteilung des Entladungsgebiets in Plasmabulk und Randschicht. Für den Bulk wird mittels asymptotischer Entwicklung der Boltzmann-Gleichung im Kleinheitsparameter rL/L ≪ 1 eine reduzierte gyrokinetische Theorie hergeleitet; die Analyse der Dynamik der Randschicht liefert die zugehörigen Randbedingungen.

In Kooperation mit Projekt C8 soll eine konsistente kinetische Theorie magnetisierter Hochleistungsplasmen, speziell des HPPMS-Prozesses, formuliert, numerisch realisiert und auf für den SFB wichtige Abscheideprozesse angewendet werden. Dabei kümmert sich Projekt C5 um die Analyse der Elektronenkomponente, die Schwerteilchen (Ionen und Neutralteilchen) sind Gegenstand von Projekt C8. 

C6: Auswirkungen von Plasmaeigenschaften auf Beschichtungseigenschaften in gepulsten Hochleistungsplasmen

Nazlim Bagcivan und Kirsten Bobzin

Das Ziel dieses Teilprojekts besteht darin, auf den experimentellen Ergebnissen und Erkenntnissen aus dem Bereich der Plasmadiagnostik des TP C6 aufbauend den Zusammenhang zwischen den substratseitigen Plasmaeigenschaften und den Beschichtungseigenschaften experimentell zu beschreiben. Somit sollen die Auswirkungen von unterschiedlichen Plasmazuständen in Abhängigkeit der Plasmaparameter im reaktiven gepulsten Hochleistungs-Magnetronplasma (High Power Pulse Magnetron Plasma - HPPMS) auf die Eigenschaften der hergestellten nanostrukturierten Beschichtungen ermittelt werden. Als Benchmark werden im Bereich des Sputterns der reaktive dcMS-Prozess (direct current Magnetron Sputtering) und im Bereich des Arc-Verfahrens das reaktive gepulste Arc-Plasma (Pulsed Cathodic Arc Evaporation - PCAE) herangezogen. Dadurch soll eine Beschreibung der Beschichtung als Funktion der substratseitigen Plasmaeigenschaften möglich werden.

Für die Beschreibung der substratseitigen Plasmaeigenschaften kommen Verfahren der Plasmadiagnostik zum Einsatz. Hier werden in Kooperation mit anderen Teilprojekten Diagnoseverfahren wie Optische Emissionsspektroskopie (OES) und Massenspektrometrie (MS) (A5) eingesetzt und Langmuirsondenmessungen (A5) und Messungen mit dem Gegenfeldanalysator (GFA) (C3) durchgeführt. Die Untersuchungen beschäftigen sich ausschließlich mit dem Übergang vom Bulk-Plasma zum Substrat, sodass eine Aufklärung der Plasmaeigenschaften direkt vor und direkt am Substrat möglich wird.

Für die Beschreibung der Schichteigenschaften kommen Methoden der Schichtanalytik zum Einsatz. Hier werden ausschließlich Schichteigenschaften charakterisiert, während im A1 darüber hinaus Verbund- und Systemeigenschaften untersucht werden. Für die Charakterisierung der nanostrukturierten Beschichtungen findet eine enge Kooperation mit anderen Teilprojekten statt. Chemische und kristallographische Eigenschaften werden gemeinsam mit A1 untersucht. Mechanische Eigenschaften, wie elastische und plastische Verformungseigenschaften, werden in Kooperation mit A4 ermittelt. Zur Untersuchung von Eigenspannungen werden die in C2 aufgebauten Messchips eingesetzt. Darüber hinaus soll in Kooperation mit C2 die Dichte der Beschichtungen bei unterschiedlichen reaktiven Plasmarandbedingungen bestimmt werden.

C7: Oberflächenprozesse bei der Vorbehandlung von Polymeren und bei der Wechselwirkung von reaktiven HPPMS-Plasmen mit Targetoberflächen

Teresa de los Arcos und Achim von Keudell

In diesem Projekt werden Elementarprozesse an der Grenze zwischen Plasma und Oberfläche untersucht. Zwei Beispiele von großer Bedeutung werden betrachtet: Plasmavorbehandlung von Polymeren und Oberflächenprozesse am Target in reaktivem HPPMS. Dafür werden zwei experimentelle Strategien umgesetzt: Teilchenstrahlexperimente und eine in-Vakuum XPS-Untersuchung von Magnetron Sputtertargets.

Mittels der Teilchenstrahlexperimente werden die Wirkungsquerschnitte heterogener Oberflächenprozesse in einem Plasma beim Auftreffen von Ar+, H, O, N oder Metallatomen vermessen. Fragen, die durch dieses Projekt beantwortet werden sollen, sind u.a.: Lässt sich die Oberflächenmodifikation einer Polymeroberfläche in Effekte durch Ionen/UV- Photonen/Radikale separieren? Wie verändert der chemische Zustand einer zerstäubten Oberfläche die Sekundärelektronenemission? Durch eine Beantwortung dieser Fragen soll es möglich sein, Polymervorbehandlungen gezielter zu steuern. Weiterhin ist die genaue Kontrolle des Vergiftungszustandes eines Targets wesentlich für die Kontrolle von Plasmaprozessen zur Abscheidung von Oxiden und Nitriden.

In der zweiten Förderphase sollen diese Experimente wesentlich erweitert werden, um auf neue Fragestellungen bei HPPMS Plasmen eingehen zu können. Die Bestimmung der radialen chemischen Zusammensetzung des Magnetrontargets in reaktiven HPPMS-Prozessen ist von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung von Plasmamodellen zur Beschreibung der Wechselwirkung von HPPMS-Plasmen mit dem Target. Dazu wird eine HPPMS-Prozesskammer per Vakuumtransfer mit einer XPS Analytik verbunden. Mit solchen Messungen wird es möglich sein, den Zustand des Targets bei HPPMS Prozessen viel direkter zu evaluieren, als es mit ex-situ Messungen möglich ist. Dabei werden Ergebnisse geliefert zur (1) chemischen Zusammensetzung des Targets als Funktion der Position; (2) zur Dicke der auf dem Target redeponierten Schichten sowie (3) zur Implantation von Reaktivgas- und Edelgasionen. Diese so gewonnenen Daten ermöglichen den Übertrag der Messungen des Sekundärkoeffizienten auf die Modellbildung von HPPMS Plasmen in den Projekten C5 und C8. Weiterhin unterstützen diese Messungen die Plasmaanalyse der Projekte C3, C6, und A5.

C8: Schwerteilchentransport in hochionisierten Hochleistungsplasmen

Thomas Mussenbrock

Die zu untersuchenden Hochleistungsplasmen sind hinsichtlich der Modellierung und Simulation durch zwei wesentliche Merkmale charakterisiert: 1) Die Gasdrücke sind mit weniger als 1 Pa extrem niedrig und 2) der lokale Ionisationsgrad ist mit bis zu 100% sehr hoch. Dies bedeutet zum einen, dass fluiddynamische Modelle zur Beschreibung des Schwerteilchentransports nicht mehr ausreichen, und zum anderen, dass das Neutralgas für die geladenen Teilchen nicht mehr als Hintergrund angesehen werden darf. Vielmehr ist die komplexe Dynamik geladenen Teilchen durch das Neutralgas bestimmt. Im Rahmen eines kinetischen Schwerteilchenmodells müssen somit neutrale Spezies und Ionen gemeinsam betrachtet werden.

Dieser Thematik widmet sich das vorgeschlagene Projekt. Es gliedert sich dabei in folgende Teilaspekte:
  • Entwicklung und Implementierung eines dreidimensionalen kinetischen Modells zur Beschreibung des Transports von neutralen Schwerteilchen und Ionen in Hochleistungsplasmen, insbesondere in industriellen HPPMS-Plasmen. Hierbei müssen sowohl die Interaktion der Schwerteilchen untereinander, die Interaktion der Schwerteilchen mit den Reaktorwänden sowie die Interaktion der Ionen mit elektrischen und ggf. magnetischen Feldern berücksichtigt werden. 
  • Entwicklung und Implementierung eines eindimensionalen kinetischen Modells zur Beschreibung kapazitiver Mehr- frequenzplasmen unter Berücksichtigung des Schwerteilchentransports. 
  • Entwicklung und Implementierung einer Schnittstelle zwischen dem zu entwickelnden Schwerteilchenmodell und Modellen zur Beschreibung des Plasmaprozesses, insbesondere der Elektronendynamik. 
  • Kopplung des zu entwickelnden Schwerteilchenmodells an ein gyrokinetisches Modell zur Beschreibung der Elektronendynamik in HPPMS-Plasmen sowie an selbstkonsistente kinetische Modelle auf Basis der Particle-in-Cell- Methode.

Auf Basis der zu entwickelnden Modelle und Simulationscodes sollen folgende, für die plasmabasierte Abscheidung funktionaler Schichten relevante wissenschaftliche Fragestellungen beantwortet werden:
  • Wie gelangen Schwerteilchen vom Target zum Substrat? 
  • Welche Prozesse haben Einfluss auf den Schwerteilchentransport, und welchen Einfluss haben energetische Schwerteilchen (Ionen und Neutrale)? 
  • Welchen Einfluss hat die sog. Gasverarmung (Rarefaction) auf die betrachteten Prozesse? 
  • Welche Rolle spielt die externe Anlagenheizung in industriellen Beschichtungsanlagen für den Materialtransport? 
  • Kann die Schichtbildung auf den Substraten im Rahmen eines Schwerteilchenmodells durch einfache Oberflächenmodelle hinreichend beschrieben werden?

Durch die Beantwortung dieser Fragen wird es nicht nur möglich sein, den für die Beschichtungsprozesse maßgeblichen Materialfluss in industriellen Anlagen nachzubilden, sondern – ganz im Sinne des Gesamtziels des SFB-TR 87 – durch Designmaßnahmen hinsichtlich der Reaktorgeometrie und der Prozessparameter (wie Neutralgasdruck und -fluss) den Schwerteilchentransport und damit die Beschichtungsprozesse vorauszusagen und zu optimieren.