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Numerische Strömungssimulation in 13,56 MHz-Hohlkathoden-Plasmajet-Plasmaquellen für Oberflächenprozesse
Die Leistungsfähigkeit von Plasmaquellen für die Materialwissenschaft
/-technologie wird nach heutigem Stand der Technik bevorzugt auf der Basis der
elektrischen Leistungsbilanz bewertet. Dieses Vorgehen impliziert jedoch eine
homogene Gasströmung bei gleichzeitig fester Residenzzeit von
Primär-Gaspartikeln im plasmaanregenden Volumen. Eine derartige Annahme ist
aber unzureichend und realitätsfern. Die daraus resultierenden Schwierigkeiten
werden besonders deutlich bei sich ändernden Betriebsparametern der Quellen,
sich ändernden Lastzuständen (Beladungen mit Substraten) und generell bei der
geometrischen Skalierung.
Mehr noch: Ziel muss sein, das gesamte Plasmasystem, welches die
plasmaerzeugenden Komponenten, die Monomerzuführungen und die Targetgeometrien
als Subsysteme enthält, zu berücksichtigen. Sowohl die elektrische
Leistungseinkopplung mit dem Plasma als Last als auch die gleichzeitig präsente
druck- und geometrieabhängige Gasströmung im Gesamtsystem sind simultan zu
berücksichtigen.
Am Beispiel der im Wuppertaler Forschungszentrum für Mikrostrukturtechnik fmt
entwickelten und technologisch relevanten 13,56 MHz
Hohlkathoden-Plasmajet-Plasmaquellen HCD-L300 (lineare Quellenform) und P100
(planare Quellenform) sind erste Schritte in dieser Richtung, i.e. einer
umfassenden Feld- und Strömungssimulation gegangen worden. Durch diese
Simulationen konnte eine bessere Basis für die Konzeption leistungsfähiger
Plasma- und Radikalenquellen bei gleichzeitiger Berücksichtigung des gesamten
Prozessraumes in einem ausgedehnten Arbeitsdruckbereich erhalten werden.
In arbeitsmethodischer Reihenfolge umfasste dies die Implementierung des
verwendeten CFD-Programmpakets FLUENT (Fa. Fluent.Inc., Lebanon, NH, USA) zur
Strömungssimulation sowie verschiedene Preprozessoren zur Gittererzeugung
(ICEM-CFD, I-DEAS und Pro Engineer).
In weiteren Schritten wurden die lineare Plasmaquelle HCD-L300 sowie die
planare Plasmaquelle HCD-P100 im Rechner generiert und strömungsmechanisch
untersucht. Mittels einfacher Geometrieanpassungen und -änderungen konnten
diese Quellen strömungs- und porzesstechnisch optimiert werden. Zum Abgleichen
der numerisch gewonnenen Ergebnisse wurden die Plasmaquellen mit Hilfe einer
Hitzedraht-Anemometrie vermessen und die so messtechnisch gewonnenen Daten mit
denen der Simulationen verglichen.
Im nächsten Schritt wurden die lineare Plasmaquelle bzw. die planare
Plasmaquelle in die dazugehörenden Vakuumkammern eingebracht und die
entstandenen Gesamtsysteme strömungstechnisch untersucht. Dazu wurden die
Strömungen im Gesamtsystem mit verschieden Targetgeometrien (Wafer, Folie,
komplexe 3-D Geometrie) untersucht. Weiter wurden in diesen Gesamtsystemen
verschiedene Monomerzuführungen realisiert und der Einfluss dieser
Sekundärströmungen auf die Hauptströmungen untersucht.
Von grossem Interesse ist jedoch nicht nur die Strömung im Plasmasystem sondern
die ablaufenden chemischen Prozesse (Plasmareaktionen und Prozessreaktionen) im
gesamten Prozessvolumen. Die Berücksichtigung dieser chemischen Reaktionen bei
der Strömungssimulation kann unter Betrachtung des Plasmas als chemisch
reagierende Gasströmung realisiert werden. Die direkte Implementierung der
chemischen Reaktionen in dem komplexen System der HCD-L300 war aufgrund sehr
langer Rechenzeiten, Speicherplatz- und numerischer Konvergenzproblemen nicht
sofort möglich. Deshalb wurde in einem weiteren Schritt eine Modellanlage
strömungstechnisch optimiert, simuliert und für experimentelle Abgleiche
aufgebaut.
Mit Hilfe dieser 2-D modellierten Modellanlage zur Beschichtung mit C4 F8
-Monomeren bzw. Silan-Monomeren (Si H4) wurde die komplexe Prozesschemie einer
Siliziumabscheidung aus Silanen bei der Strömungssimulation berücksichtigt. Da
die Modellanlage sehr flexibel gestaltet wurde, konnten hier auch
Parameterstudien zur Gasführung, elektrischen Leistungseinkopplung und
Abscheidung simuliert und simultan experimentell nachgestellt werden.
Mit den aus der Modellanlage gewonnenen Erkenntnissen konnte die Prozesschemie
einer Siliziumabscheidung aus Silanen auf die Plasmasysteme der HCD-L300 bzw.
HCD-P100 übertragen werden. Die somit numerisch ermittelten Abscheideraten auf
den jeweiligen Targetgeometrien zeigten sehr gute Übereinstimmungen mit
experimentell ermittelten Daten. Schon die Berücksichtigung einzelner
Prozessreaktionen zeigt deutlich die Notwendigkeit dieses breiten
Modellansatzes zum Verständnis der ablaufenden Prozesse und zur Entwicklung
leistungsfähiger Plasmaquellen und -systemen.Today, the efficiency of plasma sources for material science and technology is
prefered appraised at the base of electrical balance of power. This procedure
implies a homogeneous gas flow with concurrently fix residence time of primary
gas particles in the plasma animated volume. Such an assumption is insufficient
and not close to reality. The resulting problems are especially obvious on
changing operating parameters of the sources, changing load conditions
(substrate charge) and generally geometrical upscale.
And more, the designation has to be, to consider the total plasma system which
contains the plasma generating components as subsystems. Both, the electrical
power input with the plasma as load and the concurrently present pressure and
geometrical dependent gas flow in the system at all, has to be considered
simultaneously. For the further development of plasma sources and systems more
informations about is specific gas flow is needed.
At the microstructure technology research center in Wuppertal (fmt),
technological relevant 13,56 MHz hollow cathode plasma jet plasma sources
HCD-L300 (lineare type) and HCD-P100 (planare type) were developed. This types
of plasma sources were investigated by enclosing electrical field and flow
simulations. By the use of this simulations, a better basis for design of
effective plasma sources could be received.
The first step was the implementation of the CFD package FLUENT for the flow
simulation and the preprocessors for the meshes (ICEM-CFD, I-DEAS und Pro
Engineer) at the fmt. In further steps, the plasma sources HCD-L300 and
HCD-P100 were generated in the computer and investigated fluidic. Therefor the
plasma systems were generated with different target geometries and different
monomer feeders. In this complex systems, the influence of the primary and
secondary flow were investigated simultaneously.
Very interesting is the consideration of plasma- and process chemistry in the
flow simulation. For this consideration, the plasma is realized as a "chemical
reacting flow" model. The direct implementation of this chemical reacting flow
in the CFD simulation of the complex plasma systems HCD-L300 or HCD-P100 are
very difficult because there are long calculation times, huge memory
requirements and some numerical problems to handle. In a further step, a
modeled plasma device were optimized fluidic and build up for further
simulations and experiments.
With this 2-D modeled plasma device, the plasma and process chemistry of a
silicon deposition were considered in flow simulation. This modeled plasma
device was build up very flexible for the investigation of parameter studies
like gas leading or electical field input. The simulations are verified with
experimental datas.
With this "know how", received by this modeled plasma device, the chemistry of
the silicon deposition could be transfered to the complex plasma systems
HCD-L300 and HCD-P100. The comparison of the simulation datas with the
experimental datas showed a very good conformity