Inhalt

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   I. Inhaltsverzeichnis
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  II. Symbolverzeichnis
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   Griechische Symbole
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   Lateinische Symbole
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   Physikalische Konstanten
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   1. Einleitung
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  2. Grundlagen
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   2.1. Plasmaphysik
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  2.1.1. Begriffe
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   (2-1)
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   (2-2)
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   (2-3)
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   (2-4)
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   (2-5)
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   (2-6)
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   (2-7)
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   2.1.2. Einteilung der Plasmen
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   Abb. 2-1 Klassifizierung von natürlichen und Laborplasmen anhand der Parameter Elektronendichte n...
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   (2-8)
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   Damit ergibt sich für die mittlere Geschwindigkeit (2-9)
•  
   und die wahrscheinlichste Geschwindigkeit (dF(v) / dv = 0) . (2-10)
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   2.1.3. Glimmentladung
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   Abb. 2-2 Prinzipieller Aufbau einer Gleichspannungsentladung mit schematischer Darstellung der Pl...
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   Abb. 2-3 Skizzierter Strom-Spannungsverlauf einer Gleichspannungsgasentladung: a) unselbständige ...
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   (2-11)
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   (2-12)
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   Abb. 2-4 Zündkurve nach Paschen für verschiedene Gase [Jan 92]
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   (2-13)
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  2.1.4. Plasmaerzeugung
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   Abb. 2-5 Vergleich der Druyvesteyn- und Maxwell-Boltzmann-Verteilungsfunktion
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   2.2. Plasmapolymerisation
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   2.2.1. Prinzip
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   Abb. 2-6 Schematische Reaktionsabläufe bei der Polymerisation im Plasma
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   2.2.2. Parameter
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   (2-14)
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   (2-15)
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   (2-16)
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   (2-17)
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   (2-18)
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   (2-19)
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   (2-20)
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   2.2.3. Anwendungsbereiche
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   2.2.4. Plasmapolymerisation von Siloxanen
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  2.2.5. Hexamethyldisiloxan (HMDSO)
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   Abb. 2-7 Struktur, Bindungsenergien und Elektronegativität von HMDSO [Mor 87, Nin98]
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   2.2.6. Direkte und „remote“ Plasmapolymerisation
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   2.2.7. Modellansätze in der Plasmapolymerisation
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   (2-21)
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   i) Der Energietransport erfolgt hauptsächlich über angeregte Sauerstoffspezies und wird durch die...
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   ii) Der relative Anteil an atomarem bzw. angeregtem Sauerstoff ist im untersuchten Bereich unabhä...
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   iii) Da er nur ein Monomer verwendet, setzt er zur Vereinfachung die Molmasse des Monomers zu eins.
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   iv) Der Energietransport zum Substrat ist reziprok zum Abstand zur Plasmaquelle DQ.
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   (2-22)
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   (2-23)
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   2.3. Zeitmodulierte Leistungszufuhr (PICVD)
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   2.3.1. Einsatzmöglichkeiten
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   Abb. 2-8 Kluster- und Pulverbildung in Abhängigkeit von der Frequenz bei der Abscheidung von Sili...
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   . (2-24)
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  2.3.2. Prinzip der zeitmodulierten Leistungszufuhr
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   Abb. 2-9 Konzentration zweier Teilchenarten im Plasma bei kontinuierlicher und gepulster Leistung...
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   Tab. 2.1 Typische Lebensdauern und Energien von metastabilen Zuständen bei Argon- und Sauerstoffa...
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  2.3.3. Beispiel: Selektives Ätzen von Siliziumoxid
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   Abb. 2-10 Ätzselektivität von CHF3 auf Silizium und Siliziumoxid in Abhängigkeit von der Pulsläng...
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   2.3.4. Modellansätze
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  3. Instrumentierung
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  3.1. Beschichtungsanlage
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   Abb. 3-1 Foto der Plasmapolymerisationsanlage mit Pumpsystem (A), Mikrowellenquelle (B), Plasmapr...
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   3.1.1. Vakuumkammer
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   Abb. 3-2 Schematischer Aufbau der Plasmapolymerisationsanlage mit Mikrowellenquelle (links oben u...
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  3.1.2. Plasmagenerierung
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   Abb. 3-3 Querschnitt durch die Mikrowellenplasmaquelle SLAN1
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  3.1.3. Prozeßsteuerung
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   Abb. 3-4 Screenshot von der Benutzeroberfläche mit Soll- und Ist-Werten des Druckes, der Gasflüss...
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   3.2. In-situ Messungen
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   3.2.1. Optische Schichtdickenmessung (MPM-16)
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   (3-1)
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   (3-2)
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  3.2.2. Schwingquarzmessung
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   (3-3)
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   (3-4)
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   (3-5)
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   3.2.3. Temperaturmessungen
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   3.2.4. Massenspektroskopie
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   (3-6)
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  (3-7)
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   Abb. 3-5 Zeitliche Entwicklung der massenspektroskopische Signale bei 32 (O2), 40 (Ar) und 147 am...
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   Abb. 3-6 Querschnitt durch die Eintrittsoptik eines PPM 421 mit Extraktionshaube, Eintrittslinse,...
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   Abb. 3-7 Durch den Einsatz im beschichtendem Plasma verunreinigt Molybdängitter aus dem Ionisatio...
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   3.2.5. Bias-Messungen
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   3.3. Ex-situ Charakterisierung
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   3.3.1. Optische Schichtdickenmessung
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   3.3.2. Mechanische Schichtdickenmessung
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   3.3.3. Mechanische Schichtcharakterisierung
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   3.3.4. Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie
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   Abb. 3-8 Meßaufbau eines Rasterkraftmikroskops mit Hebelarm, Laser, vier-Sektoren-Detektor und St...
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   (3-8)
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   3.3.5. Fouriertransformations-Infrarot-Spektroskopie (FTIR)
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   3.3.6. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)
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  4. Experimentelle Ergebnisse
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   4.1. Parameterbereich
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   Abb. 4-1 Depositionsrate (in-situ) in Abhängigkeit von a) der Bias-Spannung und b) der Beschichtu...
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   Abb. 4-2 Depositionsrate D (zwei Meßreihen: schwarz bzw. weiss) in Abhängigkeit vom Argonfluß FAr...
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   Abb. 4-3 Eingekoppelte Leistung Peff und Depositionsrate D in Abhängigkeit von Tastverhältnis a b...
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   Tab. 4.1 Untersuchter Parameterbereich, zusätzlich geben die Werte in Klammern die stichprobenart...
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   4.2. Abscheideverhalten
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  4.2.1. Depositionsrate und Schichtqualität
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   Abb. 4-4 Schichtdicken mit Schwankungsbreite entlang der Probe, normiert auf die cw-Depositionsra...
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   Abb. 4-5 Räumliche Verteilung der Depositionsrate D entlang der Probe, normiert auf den jeweilige...
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   Abb. 4-6 Depositionsrate D bei variabler Frequenz (in-situ Versuchsreihe), auf den cw-Wert von 46...
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   Abb. 4-7 Vergleich der Depositionsraten bei kontinuierlicher und gepulster Leistungszufuhr (cw un...
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   Abb. 4-8 Relative Depositionsrate D mit Schwankungsbreite (a) und ihre räumliche Verteilung entla...
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  4.2.2. Temperaturmessungen
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   Abb. 4-9 Endtemperatur und Temperaturerhöhung in Substratnähe jeweils relativ zum cw-Wert mit Feh...
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   Abb. 4-10 Vergleich der Temperaturerhöhung bei in-situ Kurzzeitmessungen ohne (a) und ex- situ La...
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   Abb. 4-11 Explizite und extrapolierte (gestrichelt) Temperaturanstieg in Substratnähe bei variabl...
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   4.3. Gasphasenzusammensetzung
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   4.3.1. Massenspektrum
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   Abb. 4-12 HMDSO-Spektrum bei p = 50 Pa und 20 sccm HMDSO mit HMDSO-Fragmenten (blau) und Restgase...
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  4.3.2. Messungen bei variablem Sauerstofffluß
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   Abb. 4-13 Relative Konzentrationen der Oxidationsprodukte, des Sauerstoffs (a) und der Monomerfra...
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   Abb. 4-14 Relative Konzentrationen der Oxidationsprodukte, des Sauerstoffs (a) und der Monomerfra...
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   Abb. 4-15 Vergleich der relativen Konzentration der Massenlinie bei 133 amu (a) bzw. relativ zum ...
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   Abb. 4-16 Relative Konzentrationen der Oxidationsprodukte und Monomerfragmente bei p = 20 Pa (P =...
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   4.3.3. Messungen bei variabler Frequenz
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   Abb. 4-17 Relative Konzentrationen der Oxidationsprodukte und des Sauerstoffs (a) bzw. relativ zu...
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   Abb. 4-18 Relative Konzentration der Monomerfragmente (a) bzw. relativ vom Hauptfragment bei 147 ...
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   Abb. 4-19 Verhältnis der relativen Konzentrationen der Oxidationsprodukte (a) und Monomerfragment...
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   4.4. Mikroskopische Homogenität
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   Abb. 4-20 REM-Graphen der Oberfläche der abgeschiedenen Schichten unter einem Winkel von 45° bei ...
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   Abb. 4-21 AFM-Untersuchungen der Oberfläche der abgeschiedenen Schichten (p = 50 Pa, P = 2 kW, a ...
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   Abb. 4-22 REM-Graphen der Oberfläche der abgeschiedenen Schichten unter einem Winkel von 45° (obe...
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   4.5. Schichtzusammensetzung
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   Abb. 4-23 Ausschnitt aus FTIR-Spektren von abgeschiedenen Schichten bei unterschiedlichen Frequen...
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   Abb. 4-24 XPS-Messungen Daten siehe Abb. 4-23 bzw. p = 50 Pa, P = 2 kW, cw, 10 - 100 sccm Ar, 90 ...
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  5. Modellierung des Abscheideverhaltens
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   5.1. Mikroskopisches Modell
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   5.1.1. Korrelationen in der Gasphase
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   Tab. 5.1 Korrelationenkoeffizienten r zwischen den einzelnen Massenlinien bei variablem Sauerstof...
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   Tab. 5.2 Korrelationenkoeffizienten r zwischen den einzelnen Massenlinien bei variablem Sauerstof...
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   I133 = I133_Ox + I133_M (5-1)
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  5.1.2. Startprozeß im Argonplasma
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   e + R-Si-(CH3)3 => 2 e + R-Si+*-(CH3)3 => 2 e + CH3* + R-Si+-(CH3)2, (5-2)
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   R-Si(CH3)2-O-Si(CH3)3 (5-4)
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   5.1.3. Startprozeß im Sauerstoffplasma
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   (CH3)3-Si-O-Si+-(CH3)2 + O => (CH3)3-Si-O-Si(CH3)2-O+ (5-5)
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   (CH3)3-Si-O-Si(CH3)2-O+ => (CH3)3-Si-O-Si(CH3)=O + CH3+ (5-6)
•  
   (CH3)3-Si-O-Si-(CH3)3 + O-O => (CH3)3-Si-O-Si(CH3)=O + CH3OH + CH2 (5-7)
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   (CH3)3-Si-O-Si-(CH3)3 + O => (CH3)3-Si-O-Si(CH3)=O + 2 CH3 (5-8)
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   (CH3)3-Si-O-Si(CH3)=O <=> (CH3)3-Si-O-Si(=CH2)OH (5-9)
•  
   (CH3)3-Si-O-Si-(CH3)=O + e- => (CH3)3-Si-O-Si+=O + CH3- (5-10)
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   5.1.4. Weiteres Wachstum in der Gasphase
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   R1-Si-OH + R2-Si-OH => R1-Si-O-Si-R2 + H2O (5-11)
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   (CH3)3-Si-O-Si(CH3)=O, 148 amu (5-12)
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   5.2. Empirisches Modell
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  5.2.1. Annahmen
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   i) Der Monomerverbrauch bzw. -umsatz US ist proportional zur Abnahme der relativen Intensität der...
•  
   ii) Das Verhältnis der Monomerfragmente bei 133 und 147 amu (I133_M und I147) zueinander ist währ...
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   iii) HMDSO reagiert nur in Gegenwart von Sauerstoff(radikalen). Ohne Sauerstoff wird kein Monomer...
•  
   iv) Bei der obigen Reaktion können je nach Randbedingungen sowohl „precursor“ entstehen, die zur ...
•  
   ICOx = ICO + ICO2 (5-13)
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   Abb. 5-1 Vergleich des Anstieges der flüchtigen Oxidationsprodukte mit dem linear ansteigendem Mo...
•  
   Abb. 5-2 Veränderung der leicht flüchtigen Oxidationsprodukte (1. Ableitung nach FO2) bei p = 20 ...
•  
   v) Bei der Oxidation eines Monomermoleküls kommt es entweder sofort zur weiteren Oxidation des Re...
•  
   vi) Die relative Konzentration der stabilen „precursor“ ist unterhalb von k = 2 sehr klein gegenü...
•  
   vii) Es kommt erst ab einer gewissen frequenzabhängigen Sättigung an leicht flüchtigen Oxidations...
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  5.2.2. Modellierung
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   US(k) = I147(k=0) - I147(k) ~ FO2 (5-14)
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  (5-15)
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   Abb. 5-3 Monomerumsatz in Abhängigkeit von Sauerstofffluß FO2 bei p = 20 Pa und 30 sccm HMDSO (a)...
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   Iprec := I133_Ox = I133 - I133_M = I133 - M • I147 (5-16)
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  D ~ Iprec (5-17)
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   Abb. 5-4 Aufteilung der normierten relativen Konzentration I133 in Monomer- (M*I133) und „precurs...
•  
  (D ~) Iprec ~ IO2 ~ FO2_MS (5-18)
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   Abb. 5-5 Vergleich des massenspektroskopisch gemessenen Sauerstoffflußes FO2_MS mit der relativen...
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   Abb. 5-6 Linearer Anstieg des normierten, massenspektroskopisch gemessenen Sauerstoffflusses FO2_...
•  
   Abb. 5-7 Vergleich der relativen „precursor“-Konzentration mit dem gemessenen Sauerstofffluß (P =...
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   5.2.3. Vergleich mit anderen Modellen
•  
  mit (5-19)
•  
   Abb. 5-8 Theoretischer Verlauf des Monomerumsatzes USB in Abhängigkeit von remote Komposit-Parame...
•  
   (5-20)
•  
   (5-21)
•  
   (5-22)
•  
   USB ~ D ~ IO2, (5-23)
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   5.2.4. Zusammenfassung
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  6. Gepulste Leistungszufuhr
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   6.1. Gasphasenzusammensetzung
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   6.1.1. Messungen ohne Monomer
•  
   Abb. 6-1 Zeitlich gemittelte Elektronendichte im Zentrum der Plasmaquelle (P = 1 kW, a = 50%, p =...
•  
   Abb. 6-2 Atomare Sauerstoffkonzentration im Sauerstoffplasma (p = 50 Pa, P = 1 kW, a = 50%, 50 sc...
•  
   6.1.2. Messungen mit Monomer
•  
   Abb. 6-3 Depositionsrate D, massenspektroskopisch gemessener „precursor“- und Sauerstofffluß Ipre...
•  
   Abb. 6-4 Depositionsrate D, massenspektroskopisch gemessener „precursor“- und Sauerstofffluß Ipre...
•  
   6.2. Schichtabscheidung
•  
   6.2.1. Makroskopische Homogenität
•  
   6.2.2. Mikroskopische Oberflächenrauhigkeit
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   6.2.3. Vor- und Nachteile der gepulsten Leistungszufuhr
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   7. Zusammenfassung und Ausblick
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   8. Danksagung
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   9. Literaturverzeichnis
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  10. Anhang
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  10.1. Statistische Begriffe
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   (10-1)
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   sx, sy zugehörige Standartabweichung und (10-2)
•  
   10.2. Meßparameter
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  10.2.1. Massenspektren (PPM)
•  
   Tab. 10.1 Parameter im TuneUp-Menu bei Messungen im Neutralmodus mit eingeschaltetem Filament, di...
•  
  10.2.2. FTIR-Spektrometer
•  
   Tab. 10.2 Parameter bei Reflexions-Absorptionsmessungen
•  
  10.2.3. Oberflächenuntersuchungen (REM)
•  
   Tab. 10.3 Parameter bei rasterelektronischen Untersuchungen der goldbeschichteten Probenoberfläch...
•  
  10.2.4. Schichtdickenmessungen
•  
   Tab. 10.4 Parameter bei der optischen Aufsichtmessung der Schichtdicke, in den Klammern stehen ge...
•  
   10.3. Kalibrierung
•  
  10.3.1. Monomerfluß
•  
   Abb. 10-1 Monomerfluß FHMDSO in Abhängigkeit von der Nadelventilstellung bei einem HMDSO-Dampfdru...
•  
  10.3.2. Massenspektren (Sauerstoff)
•  
  IO2 ~ FO2 (10-3)
•  
   Abb. 10-2 Massenspektroskopisch gemessenes Sauerstoffsignal bei variablem Sauerstofffluß im Vergl...
•  
   10.4. Bibliotheken
•  
  10.4.1. Massenlinien
•  
   Tab. 10.5 Übersicht über die intensiven Massenlinien im reinem HMDSO-Spektrum bei einer Ionisatio...
•  
  10.4.2. Infrarotspektrum
•  
   Tab. 10.6 Infrarot-Schwingungsbanden der abgeschiedenen siliziumoxydartigen Schichten