Modelling and Diagnostics of Low Pressure Plasma Discharges

Abstract

The presented thesis deals with various aspects of models for low pressure discharges. As well the theoretical background of hydrodynamic plasma models as the comparison of calculated data with experimental results are discussed. In the first part of this work hydrodynamic conservation equations are derived from the Boltzmann equation. Main focus is the application to low pressure plasmas. Different model systems for electrons and ions are presented. The question in which case simplified models can be applied, is treated as well as numerical aspects and algorithms for obtaining a solution are discussed. In a second part hydrodynamic models were used for performing one-dimensional simulations. The sensitivity of the model in dependence of input parameters like momentum exchange frequencies was analysed. As well different model systems were compared qualitatively in order to get an estimate for the error introduced by using simple and numerical more stable model systems. In the third part hydrodynamic models were applied to simulate different kinds of low pressure discharges. Main focus were inductively driven plasmas like they are used in semiconductor fabrication as high density plasma source. Calculated data for this kind of discharge were compared with experimental values obtained from Langmuir probe measurements. Theory and experiment show very good agreement. In a final part the scaling laws and geometry dependence derived from hydrodynamic models were used to assemble a set of general reactor design rules. Examples were presented, how reactor performance can be optimised by careful choice of geometry parameters. Also general dependencies on external parameters like discharge pressure were discussed.Niederdruck-Plasmaverfahren sind zum unverzichtbaren Bestandteil moderner Hochtechnologieprozesse geworden. Neben einer Vielzahl innovativer Anwendungen im Bereich Oberflächenbehandlung bzw. -veredelung sowie Beleuchtungstechnik ist vor allem der Einsatz von Niederdruckentladungen in der Fertigung von Halbleitern bzw. Flachbildschirmen von wirtschaftlicher Bedeutung. Typischerweise sind Plasmaverfahren bei der Herstellung einer modernen integrierten Schaltung an bis zu 50 Teilprozessschritten beteiligt. Die zunehmende Integrationsdichte und die stetig steigenden Anforderungen an die Ausbeute der Einzelschritte erfordern in zunehmendem Maße ein grundlegendes Verständnis der komplexen physikalischen sowie plasmachemischen Prozesse. Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick, wie die in Niederdruckplasmen ablaufenden Transportprozesse mittels geeigneter mathematischer Modelle verstanden werden können. In gleichem Maße wird auf eine Validierung der theoretischen Daten Wert gelegt. Neben allgemeinen Betrachtungen zur Gültigkeit von hydrodynamischen Beschreibungen liegt der Schwerpunkt bei der Beschreibung moderner induktiver Plasmaquellen, wie sie vermehrt in der Halbleiterfertigung eingesetzt werden. Die Modellrechnungen werden vielfach mit experimentellen Daten verglichen. Es wird nachgewiesen, dass hydrodynamische Modelle in der Lage sind, mit großer Genauigkeit Elektronendichteverteilungen sowie Teilchenflüsse vorherzusagen. Neben einer ausführlichen und vergleichenden Diskussion verschiedener Modellsysteme wird im eindimensionalen Fall eine Empfindlichkeitsanalyse durchgeführt, die den Einfluss der zugrundeliegenden Eingabedaten der Modelle diskutiert. Große Aufmerksamkeit wird hierbei der Frage der Gültigkeit vereinfachter Modelle gewidmet, d.h. in welchen Bereichen evtl. vereinfachte, und deshalb schnellere und stabilere Modelle eingesetzt werden können. Die gesamte Veröffentlichung gliedert sich in drei Teile. Um einen qualitativen Vergleich der verschieden komplexen Modellansätze zu ermöglichen, wird zunächst die allgemeine Klasse hydrodynamischer Modellsysteme aus der Boltzmann-Gleichung hergeleitet. Anhand einzelner Vereinfachungen gelangt man zu Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie. Die Frage einer numerischen Lösung, ebenso wie die Wahl geeigneter Randbedingungen, wird mit Hinblick auf bereits vorliegende Arbeiten anderer Autoren ausführlich diskutiert. Im zweiten Teil werden für eindimensionale Testprobleme die verschiedenen denkbaren Modellansätze qualitativ verglichen und die Gültigkeitsbereiche sowie Empfindlichkeiten gegenüber den verwendeten Eingabedaten analysiert. Im letzten Teil schließlich werden zweidimensionale induktive Entladungen behandelt. Theoretische Ergebnisse werden mit experimentellen Daten, gewonnen aus Sondenmessungen, verglichen und bestätigen in einem weiten Parameterbereich die Anwendbarkeit hydrodynamischer Transportmodelle. Die abschließenden Abschnitte sind der Thematik Designregeln gewidmet. Exemplarisch wird dargestellt, wie mittels geeigneter optimierter Geometrie der Entladungskammer ein optimales Prozessergebnis erzielt werden kann. Die wesentlichen physikalischen Grundmechanismen, die bei dem Entwurf von Entladungen berücksichtigt werden sollten und eine Reihe von "Faustregeln" die Kammerdesign ohne aufwendige Modellrechnungen ermöglichen, werden diskutiert

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