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.

PVD-Abscheidung: Vorbedingungen

Allgemeine Vorkonditionierung der PVD-Anlage

Doch nun zunächst zu Randbedingungen, die für alle Schichten innerhalb einer Halbleiter-Fertigungsprozessfolge gelten:

Am Allerwichtigsten ist die Abscheidung von möglichst partikelfreien Schichten in einer sauberen Prozesskammer !! Diese Sauberkeit muss über eine möglichst lange Zeit gewährleistet sein und ist ein Haupkriterium für die Uptime (Verfügbarkeit) der Anlage –> Reinigungszyklen.

Öffnen z. B.: Handlingsproblemen, Substratbruch oder Target-tausch bedingt immer Reinigungsmassnahmen:

  • Anlage von Substratbruch befreien und Rezipient mittels Hausvakuum aussaugen.
  • Prozesskammer mit möglichst partikelfreien Tuch, in Isopropanol getränkt, dort  reinigen, wo wir glatte Oberflächen haben.
  • Kammerteile, die mit einer besonderen Haftschicht gegen Abplatzen (z.B. eine besondere grobe Aluminiumschicht, wie von der Firma Cleanpart) ausgerüstet sind, nur vorsichtig absaugen! Ansonsten generieren wir Partikel ! Zur Erinnerung: Diese Haftschicht gleicht mechanische Spannungen zwischen den Kammerteilen und dem zu sputternden Material aus, das auch hierhin abgeschieden werden kann, nicht nur auf das Substrat.
  • Dichtungsringe, O-Ringe auch mit Isopropanol reinigen.

Während des Betriebes kann es von großem Vorteil sein, die Transfer-Kammer, in der Substrate eingeschleust werden, nur langsam zu belüften. Denn 100% partikelfrei klappt in der Praxis nicht, und wenn wir schnell belüften, werden noch verbliebene Partikel aufgewirbelt und landen auf den Substraten.

Targets sind Verbrauchsmaterial und müssen regelmässig gewechselt werden:

Neues Target eingebaut, was nun ?

Target vorbereiten zur Deposition, der sogenannte Reinigungs- und Konditionierungsrun:

Das Targetmaterial, eine bis zu 5mm dicke Scheibe, wird meist mit einem temperaturfesten Indiumlot auf die Halteplatte gelötet. Nach dem Lötvorgang wird der überstehende Targetrand abgeschliffen, so dass die Kupferhalteplatte mit dem Targetmaterial bündig abschliesst. Danach reinigt der Targetlieferant das komplette Target und schweisst es vakkumdicht in Folie ein. In diesem Zustand bleibt das Target beliebig lang verwendbar.

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Eingeschweisstes Target bei Lieferung.

Nach dem mechanischen Einbau des Targets und Verbindung mit seinen Anschlüssen, Wasservor- und Rücklauf sowie elektrischer Kontakte, muss das Targetmaterial erst einmal freigesputtert werden. Die Targetoberfläche ist meist durch, wenn auch sehr dünne Beläge, von Feuchtigkeit und/oder Oxid kontaminiert.

Beim DC-Sputtern erhöht man langsam die Leistung von 20% auf 100% in 10%-Schritten mit einer Zeitvorgabe von jeweils 2 Minuten. Es ist darauf zu achten, dass das Plasma stabil brennt und nicht flackert. Erst wenn es schwankungsfrei brennt, sollte die Leistung erhöht werden.

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Polierte Oberfläche eines frisch eingebauten Targets

Nach diesem „Freisputtern“ bietet das Target eine saubere Oberfläche ohne Beläge.

Es muss jedoch noch konditioniert werden. Diese Massnahme hat das Ziel, die sich anfangs sehr stark ändernde Abtragsrate in einen gleichmässigen „Abbrand“ überzuführen. Erst dadurch erhält man eine zeitlich homogene Depositionsrate. Ein sehr gutes Indiz für ein konditioniertes Target ist das stabile Strom/Spannungs-Verhältnis, dass während des Sputterns kaum schwankt. Bei unserer Anlage werden ca. 2 Stunden sputtern bei 90% der Leistung benötigt.

U/I-Kurven während der Konditionierung:

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Auf diesen Plots ist zu erkennen, wie die Spannung auf einen stabilen Wert sinkt, während der Strom steigt und dann bei einem nahezu festen Wert verbleibt. Es bildet sich bei dem Vorgang eine Kornstruktur auf der Targetoberfläche aus. Ein neues, unkonditioniertes Target hat dagegen eine fein geschliffene, ja fast polierte Oberfläche.

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Angesputtertes Target nach Konditionierung: Graben und freigelegte Kornstruktur. Die Körnigkeit der Oberfläche hat auch Einfluss auf die Struktur der abgeschiedenen Schicht.

Durch das Einfahren bildet sich auch der für Magnetrontargets typische Erosionsgraben im Targetmaterial. Während des Targetlebens wird dieser Erosionsgraben immer tiefer, bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Targetmaterial durchbrochen wird und das Indiumlot zum Vorschein kommt. Dies ist jedoch zu vermeiden, da es zu Kontamination führt. Hilfreich dafür ist ein funktionierender Betriebsstundenzähler, der bei einem richtig voreingestellten Limit eine Warnmeldung zum rechtzeitigen Targettausch anzeigt.

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Damit alles läuft, wie geschmiert: Vorbehandlung von Substraten …