Gefährdungspotentiale beim Plasma-Konditionieren von Oberflächen

Plasmaverfahren sind nicht nur zur Abscheidung dienlich, sie stellen auch eine ganz Anzahl von Anwendungen zur Oberflächenbehandlung vor Nachfolgeprozessen zur Verfügung:

  • Veränderung des Ladungszustands
  • Einstellen einer definierten Mikrorauhigkeit
  • Entfernung störender Beläge

Während für die erste Anforderung bereits ein Freistrahlplasma (Corona discharge, atmosphärischer Plasmajet) genügt, muss man bei den anderen beiden auf Prozessabläufe im Hochvakuum zurückgreifen. Die hier erzeugten Gasentladungen bergen aber einige „Stolpersteine“, die es zu beachten gibt.

Zwei Arten der Erzeugung von solchem Plasma sind gebräuchlich:

  • RF (kapazitiv gekoppelt – CCP) mit Elektroden im Inneren der Reaktionskammer
  • Mikrowellenerzeugung (magnetisiert (ECR) oder unmagnetisiert), Einkopplung über z.B. Hohlleiter.

Ein typisches Plasma enthält:

  • Neutrale Moleküle : Dichte ~10¹⁶/cm³
  • Radikale: ~10¹⁴/cm³
  • Elektronen: ~10⁸/cm³
  • Positive Ionen ~10⁸/cm³

Es gibt eine Million mal mehr Radikale als Ionen, da diese eine um Grössen-ordnungen längere Lebensdauer haben.

Sie werden durch Dissoziation, Disproportionierung und Rekombination erzeugt. Sie entstehen bereits bei geringen Energien. Bei der Rekombination wird Energie in Form von UV-Licht freigesetzt.

  • Ionen ätzen nicht direkt, ausser sie sind selbst reaktiv (zB. Cl, F) und das Plasma ist anisotrop.
  • Sie sind im Fall von z.B. Ar nur Stosspartner des Reaktivgases oder physikalische Komponenten des Ätzprozesses.

Die Hauptreaktion wird von den Radikalen getragen. Sie sind ungeladen, sehr reaktiv und binden sich an die Oberflächen, wo dann die chemischen Prozesse ablaufen.

Bei höheren Drücken sind mehr Radikale zu erwarten, als bei niedrigeren, da eine erhöhte Stosswahrscheinlichkeit eine grössere Wechselwirkung zwischen den gasförmigen Komponenten  im Plasma ermöglicht.


Der Mechanismus der Randschicht (Dunkelzone, Sheath):

→ Durch Ausbildung des sog. „Debye-Sheaths“ wird im RF-Plasma bei den gebräuchlichen Frequenzen im (z.B.13.56) MHz Bereich ein hoher Spannungsabfall in Richtung Substrat erzeugt:

  • Ionen werden in diese Richtung beschleunigt und erzeugen Schäden.

Ein Effekt der beim anisotropen RIE Ätzen durchaus erwünscht ist, nicht aber beim Reinigen oder Konditionieren.unbenannt-1rewzwte

DC Sheath Spannung:     

Die Sheath Spannung erhöht sich mit dem RF-Strom und verringert sich mit der Anregungsfrequenz

Spezialfall Mikrowellenplasma:

Im Mikrowellenplasma entsteht das Phänomen des hohen Spannungsabfalls an einer Randschicht nicht, da die Breite und der Spannungsabfall des Sheaths von der Stärke des RF-Stroms (e- die das Sheath passieren) und der Anregungs-frequenz des Plasmas abhängen.

Allgemein gilt:

  • Sehr geringer „self bias“ bei hohen Frequenzen: 2.45 GHz, zB. ECR-Verascher.
  • → Kein Ionenbombardement des Substrates
  • → Kein gerichtetes Plasma, daher isotrope Wirkung, nicht für RIE zur  Strukturierung geeignet, gut für Reinigungszwecke.

Konkrete Anwendung von Plasmaentladungen als Reinigung oder konditionierende Vorbehandlung für Fügeprozesse, bei empfindlichen Substraten oder bereits mit Bauelelement-Strukturen:

Im Fall des elektrodenfrei Magnetron-erzeugten Plasmas mit einer Frequenz von 2.42 GHZ (Quelle ausserhalb des Rezipienten, wie beim Mikrowellenherd) handelt es sich nicht um ein CCP, daher keine Probleme mit Ionenschäden.

Einkopplung von Mikrowellenenergie in sensible Bauelemente:

Bei der üblichen externen Quelle sollte der Leistungs-Peak der eingestrahlten Mikrowellenenergie innerhalb des Rezipienten (Resonanz-Abstimmung des Hohlleiters mit dem Rezipienten notwendig) liegen.

Wenn Bauelemente mit Metallkomponenten in kritischen Längen durch Mikrowellenplasmen behandelt werden, steht die Gefahr des Antenneneffekts, die zu Zerstörung führen kann → z.B. HF-Hybride mit Streifenleitern oder MMIC!

Man beachte: Auch Bonddrähte können als Antenne wirken.

Schäden durch UV-Licht aus der Gasentladung:

  • Die dabei auftretenden Energien müssen durch Analyse des Spektrums der benötigten Gasmischung bestimmt werden.
  • Ar-O2 Mischungen – wie sie z.B. zum Veraschen von Polymeren (z.B. beim Resiststrippen) benutzt werden, emittieren i. A. oberhalb von 400 nm.

Schäden durch thermische Belastung

Hohe Plasmadichten und hohe Elektronentemperaturen können thermische Schäden verursachen, da dann der Wärmeübertrag auf das Substrat relevant wird.

Neue Artikelserie: Prozesse in der Mikro- und Nanotechnologie

 

Nachdem doch ein gewisses Interesse an unseren Posts über Halbleiter-Technologie besteht, haben wir uns entschlossen, eine Serie über die unterschiedlichen  Fertigungsschritte inklusive der dazu gehörenden begleitenden Verfahren in den Blogbereich unserer Seite einzustellen.

Wir werden zunächst die Prozesse und Probleme der leitenden Schichten betrachten:

Abscheidung:

  • PVD:  Kathodenzerstäubung und Aufdampfen

Strukturierung:

Später wird es noch mit Isolierschichten/Dielektrika weitergehen, schliesslich gibt es noch Informationen über Ionen-Implantation und Mikro-Lithografie.

Über Back-Endverfahren: Zusatzprozesse zur Veredelung, Vereinzeln, Die-Bonden, Drahtbonden, Gehäusen etc. wird es eine extra Artikelserie geben.

Z.B. Oberflächenbehandlung mit Plasma-Verfahren …

Hier geht es nicht um irgendwelches trockenpfurziges und formel-geschwängertes Gewabere, das kann man schliesslich in jedem Lehrbuch nachlesen – oder auch nicht, je nach Qualität des literarischen Erzeugnisses. Es sollen vielmehr die Prozesse aus einer „hands-on“ Perspektive gezeigt und die Mechanismen und Probleme anschaulich erklärt werden, samt der maschintechnischen Anforderungen und Lösungen, die eine derart komplexe Technologie mit sich bringt.

Wer dann unbedingt noch Formeln braucht – dem kann ich gerne persönlich auf die Sprünge helfen (konkrete Nachfrage an mich, per email). Da die Prozesse, besonders solche, die Plasma benötigen, allerdings häufig durch die vielen Synergien recht schnell in ein deterministisches Chaos übergehen, helfen einem analytische formale Beschreibungen nur bedingt zum Verständnis der Sachlage. Manchmal wäre eine Alchemistenausbildung vielleicht besser … keine Angst, nur ein Scherzchen.

Aber selbst Computermodelle sind hier oft überfordert, eine echte quantitative Vorhersage zu produzieren.

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Einen Vortrag über den Gesamtherstellungsprozess bieten wir auch an – ebenso ein Wochenend-Seminar.

Fractalirium: Plasmaleuchten

Sogenante IFS (iterated function system)  Fraktale liefern schöne, ätherische Flammenmuster und feurige Wirbel, wie sie auch in den Gasentladungen von Plasmen sichtbar werden.

Wer denkt bei den grazilen Gebilden schon daran, dass diese Art Algorithmus auch beim simplen Kochstern, Sierpinski-Dreieck oder dem Barnsley-Farn Anwendung findet?

Interessiert? Ich gebe gerne Auskunft zur Mathematik hinter der Kunst.

Gasentladungen sind oft vielfarbig, je nach Gasart und Energie, was man sich in den bunten Leuchtreklamen a‘ la Las Vegas zunutze macht. LED sind nicht halb so magisch! Das Phänomen des Plasma-Farbenspiels sieht man auch bei der einfachen Glühprobe einer unberkannten Substanz in der Bunsen-Flamme: Auch Verbrennungsvorgänge erzeugen Plasmen.

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Argon mit Neon ergibt dieses Farbspektrum: Suspiria @scrano 2016
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Neon und Quecksilber enthalten auch grüne Banden, Natrium liefert gelb: Springtime @scrano 2016
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Neon enthält viel zartrosa und rote Banden. Rubyfruit Jungle @scrano 2015
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Ganz in Blau: Wasserstoff mit Argon. La Nuit @scrano 2013

Titelbild: Plasma Dew Drops @scrano 2014