Plasmacharakterisierung

Foto einer Magnetronentladung (links), die zur
zusätzlichen Ionisation und Anregung des
Beschichtungsplasmas mit einer
Elektronenzyklotron-Resonanz-Plasmaquelle
(ECR-Quelle, rechts) kombiniert ist.

Die Herstellung von dünnen Schichten wird – beispielsweise auch beim Magnetron-Sputtern – häufig plasmagestützt durchgeführt (Bild 1). Durch dieses Plasma werden reaktive und energiereiche Teilchen erzeugt, die für das Schichtwachstum, unter anderem bei Verbindungshalbleitern, entscheidende Bedeutung haben. Sie können z.B. die Beweglichkeit der als Schicht kondensierenden Atome und Moleküle erhöhen oder aber, bei zu hoher Energie oder Stromdichte, zu Schäden im wachsenden Material führen. Darüber hinaus bestimmen sie die thermische Belastung, der die dünne Schicht während des Wachstums ausgesetzt ist.
Zur gezielten Steuerung und Optimierung des so modifizierten Wachstumsprozesses ist die Kenntnis der Ströme und Energien der einzelnen beteiligten Teilchen erforderlich, die mit verschiedenen Methoden in unserer Arbeitsgruppe untersucht werden. Dies sind insbesondere massenspektrometrische Verfahren, elektrische und thermische Sonden, sowie optische Verfahren.
Zur Analyse der Energie der auf ein Substrat treffenden Ionen wird ein energieselektives Massenspektrometer (sog. Plasmamonitor) verwendet. Dieser erlaubt neben der Energieanalyse eine Identifizierung der auftreffenden Ionen anhand ihrer Masse. Gleichzeitig ist es möglich, positive und negative Ionen zu unterscheiden, was hinsichtlich des Prozessverständnisses von großer Bedeutung ist, da beide Ionensorten unterschiedliche Erzeugungsmechanismen und -orte aufweisen und so unterschiedlich auf Veränderungen von Prozessparametern reagieren. Insbesondere negative Ionen weisen teilweise sehr hohe Energien auf, mit entsprechendem, schädigendem Einfluss (Bild 3), weswegen sie auch in der Arbeitsgruppe Gegenstand intensiver Forschung sind.
Mit Langmuir-Sonden werden ortsaufgelöst die Ladungsträgerdichte und die Potentialverteilung im Plasma untersucht. Die Langmuir-Sonde ist dabei im einfachsten Fall ein Draht, der in das Plasma eingebracht wird (Bild 1). Die Plasmakenngrößen werden dabei aus der U-I-Kennlinie (Bild 2), ähnlich der einer Diode, ermittelt. Die Sonde stellt eine ideale Ergänzung zum Plasmamonitor dar, da sie komplementär zu diesem, die Summe aller Ladungsträger einer Polarität, dies allerdings räumlich aufgelöst erfasst. So können Aussagen über die Struktur der magnetfeldunterstützten Entladung getroffen und Substrate optimal positioniert werden. Darüber hinaus lässt sich der Einfluss der geladenen Teilchen, die das Plasma bestimmen, auf die thermische Belastung der Substrate ermitteln. Der integrale Energieeinstrom aller beteiligten Spezies wird zusätzlich durch thermische, sogenannte Gardon-Sensoren gemessen. Ein in der Gruppe entwickelter Kombinationssensor, der neben den beiden Techniken weitere Sensoren wie z.B. einen Schwingquarz zur Bestimmung der Abscheide-Rate enthält, erlaubt die simultane Messung wesentlicher physikalischer Parameter des Wachstumsprozesses.
Darüber hinaus werden optische Techniken zur Plasma-Analyse herangezogen. Dies gilt vor allem für die optische Emissionsspektroskopie, die das auch in Bild 1 sichtbare, charakteristische Leuchten jedes Plasmas zur Analyse verwendet. Eine technische Weiterentwicklung des Verfahrens wird in der Gruppe für die Steuerung des Reaktivgaseinflusses auf das Schichtwachstum verwendet.


Typische I-U-Kennlinie einer Langmuir-Sonde mit Bereichen, aus denen die Plasmaparameter Elektronendichte ne, Ionendichte ni, Elektronenenergie kTe,eff, Floatingpotential jfl und Plasmapotential jpl ermittelt werden.