Wafer-Level Sensorstruktur zur Bestimmung von Ionenenergie- und Ionenwinkelverteilungsfunktionen in Niederdruckplasmen - Plasmasensor
Niederdruckplasmen gehören zu den wichtigsten Werkzeugen der Mikrotechnologie und sind heutzutage in einem breiten Anwendungsbereich anzutreffen. Besondere Bedeutung wird dabei den Prozessen der Mikrostrukturtechnik zuteil, welche die Basis für die gesamte Halbleitertechnologie bilden. Bei den meisten dieser Prozesse werden im Plasma generierte Ionen mittels elektrischer Felder auf ein zu behandelndes Werkstück, z.B. in Form eines Siliziumwafers, beschleunigt und dort unter anderem zur Schichtherstellung oder zur Erzeugung definierter Geometrien genutzt. Die individuellen auf dem Wafer auftreffenden Ionen haben dabei verschiedene kinetische Eigenschaften, welche sich in gewissen Grenzen über funktionale Zusammenhänge beschreiben lassen. Die beiden wichtigsten Modelle sind die Ionenenergieverteilungsfunktion (IEDF), welche die Häufigkeiten des Auftretens von Ionen innerhalb eines bestimmten Energiebereiches beschreibt, sowie die Ionenwinkelverteilungsfunktion (IADF), die durch die summierten Anteile von Ionen innerhalb unterschiedlicher Einfallswinkelbereiche gebildet wird. Die Charakteristika dieser beiden Verteilungsfunktionen sind maßgebend für den größten Teil der Ergebnisse der durchgeführten Plasmaprozesse.
Ziel des DFG-geförderten Projektes „Plasmasensor“ ist die Erforschung eines Sensorelementes, welches die Ionenverteilungsfunktionen, IEDF und IADF, in Niederdruckplasmen messen kann. Der Sensor stellt eine Kombination aus dem bekannten Prinzip des Gegenfeldanalysators RFA und eines neuartigen MEMS-basierten Sensorprinzips dar. Der RFA bremst die auftreffenden Ionen mittels eines elektrischen Feldes ab, wodurch nur Ionen mit ausreichender kinetische Energie in den Sensor eintreten und gemessen werden können. Der Winkelanalysator besteht aus einem mikrotechnologisch hergestellten, piezoelektrisch verkippbaren Lochraster, welches je nach Kippwinkel nur für Ionen durchlässig ist, welche innerhalb des Akzeptanzwinkels auf die Waferoberfläche auftreffen. Der Sensor kann in Form eines Siliziumwafers CMOS-kompatibel aufgebaut werden und soll der Analyse industrieller Plasmaprozesse dienen.
Die Dimensionierung der Komponenten des RFA wird durch die Ruhr Universität Bochum unterstützt. Dabei werden basierend auf gegebenen Reaktorgeometrien die zu erwartenden Verteilungsfunktionen mittels entsprechender Simulationen berechnet. Aufbauend auf diesen Ergebnissen werden die Strukturelemente des Sensors, der Detektor sowie die statischen und beweglichen Gitter, dimensioniert und aufgebaut. Dabei kommt die am Zentrum für Mikrotechnologien etablierte Technologie mit piezoelektrischem Aluminiumnitrid zum Einsatz. Das piezoelektrische Antriebsprinzip wurde gewählt, da das MEMS letztlich direkt in einer Plasmaanordnung betrieben werden muss und sich kapazitive Technologien aufgrund der starken elektromagnetischen Felder innerhalb dieses Aufbaus ausschließen. Der Test des Sensorelementes erfolgt in einem am ZfM vorhandenen Testreaktor. Die Messergebnisse werden schließlich mit entsprechenden Simulationen verglichen, welche an der Ruhr Universität Bochum durchgeführt werden und die Trajektorien der Ionen durch das Sensorelement nachbilden. Ziel des Projektes ist die Erforschung und Beschreibung des Funktionsprinzips eines solchen neuartigen Sensorelementes. Im Erfolgsfall werden sich weitere angedachte Vorhaben auf die Einführung derartiger Sensoren in die industrielle Fertigung konzentrieren.
Perforiertes MEMS-Element zur Messung der Ionenwinkel- und Ionenenergieverteilungsfunktion. Im Durchlicht sind die Löcher zur Selektion des Ionenwinkels sichtbar (Lochdurchmesser 1µm, Lochtiefe 30µm).
Resonanzfunktion des piezoelektrisch aktuierten MEMS-Elements in einem Ionenstrahl.
