Charakterisierung und Regelung von Hochfrequenz-Plasmen zur Sputterabscheidung unter Berücksichtigung der Elektronendynamik und des Magnetischen Asymmetrieeffekts

Eine der Schlüsselaufgaben der heutigen Produktionstechnik ist die Bearbeitung von Oberflächen, z.B. durch reaktives Sputtern. Die Herstellung von Dünnschichten benötigt eine präzise Regelung dieser Prozesstechnik, die auf in-situ-Messgrößen basieren sollte. Die Multipolresonanzsonde (MRP) ist dafür geeignet. In dieser Arbeit ist die MRP systematisch hinsichtlich ihrer Einsatzfähigkeit in Prozessplasmen untersucht worden. Sie bietet eine zuverlässige Auswertung der Elektronendichte, einer der wesentlichsten Plasmaparameter. In reaktiven Sputterprozessen kommen zur Erhöhung der Plasmadichte Magnetfelder zum Einsatz, welche den Magnetischen Asymmetrieeffekt induzieren können, der in dieser Arbeit erstmalig systematisch experimentell untersucht wurde. Dies ermöglicht eine Kontrolle wesentlicher Größen wie der Self-Bias Spannung, der Teilchenflüsse bzw. -energien sowie der Elektronendynamik. Die Resultate werden zur Regelung eines reaktiven Sputterprozesses mit der MRP als Sensor genutzt

Experimental investigations of plasma dynamics in the hysteresis regime of reactive RF sputter processes

Reactive radio frequency (RF) sputter processes are highly relevant for thin film deposition, but there is no complete understanding of the fundamentals of their operation. While the Berg model describes the hysteresis regime considering the oxygen coverage of the boundary surfaces, a complete fundamental understanding of the plasma–surface interactions and their effects on the discharge is still missing. In this work, we provide such fundamental insights based on an extensive experimental analysis of the physics in the hysteresis regime of magnetized reactive sputter processes, where the same reactive gas admixture can lead to different discharge characteristics depending on the previous state of the plasma. A variety of plasma and surface diagnostics is used to reveal these insights. A low pressure capacitively coupled RF discharge (CCP, 13.56 MHz) with a magnetron-like magnetic field topology adjacent to the target is operated in argon gas with a variable admixture of O$_2$. The applied RF power, the gas flows/pumping speed, as well as the neutral gas pressure are changed systematically to understand the effects of these external control parameters on the hysteresis regime. The magnetic asymmetry effect is found to play an important role, since an axially non-uniform magnetic field is used to realize a local electron confinement at the target. Similar to process control in applications, the DC self-bias is measured to stabilize the surface composition using a feedback controller with the oxygen gas flow as the manipulated variable