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Modellierung der reaktiven Prozesse bei der Abscheidung von siliziumhaltigen Oxidschichten mittels lokal wirksamer Atmosphärendruckplasmaquelle

Subject Area Coating and Surface Technology
Term from 2012 to 2015
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 213099267
 
Final Report Year 2015

Final Report Abstract

Das Projekt hatte die Analyse der Volumen- und Oberflächenprozesse, die bei der Anwendung eines nichtthermischen Atmosphärendruck-HF-Kapillarjetplasmas zur Erzeugung siliziumhaltiger Oxidschichten auf einem Substrat führen, zum Gegenstand. Es war Teil des DFG-AiF-Clusters "OGAPLAS - Optimierung der Gasausnutzung bei Atmosphärendruck-Plasmaprozessen". Ziel war das bessere Verständnis der plasmachemischen Reaktionspfade und ihre Wirkung auf die Zusammensetzung und Struktur der abgeschiedenen Schicht als Beitrag zur Optimierung des Einsatzes von Rohmaterial des Präkursors Hexamethyldisiloxan (HMDSO). Dabei sollte der Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Schichtbildung analysiert werden. Die Analyse erfolgte mittels numerischer Modellierung und experimenteller Untersuchungen. Zur hydrodynamischen Beschreibung des Plasmajets wurde ein Gesamtmodell entwickelt, welches das Argonplasma unter dem Einfluss von Gasströmung und räumlich stark inhomogener Gastemperatur, die Präkursor-Reaktionen im Effluenten und den Transport von Präkursorfragmenten auf ein Substrat beschreibt. Die berechnete Gastemperatur erreicht im aktiven Plasma ein Maximum von etwa 1400 K, das infolge von Konvektion etwas unterhalb des in der Mitte zwischen den beiden Elektroden angeordneten Heizungsmaximums liegt. Wärmeleitung führt auch zur Erwärmung der inneren Kapillare und des Gases im Zentrum. Für die Temperatur des Zentrums des Effluenten wurden ca. 1100 K ermittelt. Ferner wurde gefunden, dass Argonmolekülionen die dominante Ionensorte im aktiven Plasma darstellen. Sie sind wesentlich verantwortlich für die im Effluenten stattfindenden Reaktionen mit dem Präkursor HMDSO und die Erzeugung von Präkursorfragmenten. Die berechneten Radialprofile der Teilchenströme von schichtbildenden Spezies auf das Substrat stimmen gut mit gemessenen Schichtprofilen überein. Die mit dem Gesamtmodell erhaltenen Ergebnisse basieren auf einer vereinfachten Reaktionskinetik von HMDSO. Ergänzend wurde im Rahmen einer globalen Stoß- Strahlungsmodellierung ein erweitertes reaktionskinetisches Modell für HMDSO aufgebaut, das die plasmachemischen Prozesse und deren Reaktionsprodukte im Effluenten des untersuchten Atmosphärendruckplasmajets in Argon unter Berücksichtigung einer großen Anzahl von Spezies und Reaktionen beschreibt. Das Modell liefert die mit dem Gasstrom einhergehende zeitliche Entwicklung der sekundären und tertiären Reaktionsprodukte und damit eine wichtige Voraussetzung für die umfassende Analyse der HMDSO-Kinetik bis hin zur Schichtbildung auf dem Substrat. Mit Hilfe experimenteller Untersuchungen wurde die räumlich inhomogene Gastemperatur im Effluenten ermittelt. Darüber hinaus konnten mittels Mikrosonden Schichten an verschiedenen Positionen des Effluenten abgeschieden und hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Struktur und Wachstumsrate dreidimensional-ortsabhängig analysiert werden. Hierbei konnten Korrelationen zwischen Spezieskonzentrationen in der Gasphase und der Schichtzusammensetzung nachgewiesen werden. Eine Parameterstudie zur Schichtabscheidung bei Variation der äußeren Kenngrößen verdeutlichte die determinierende Rolle der Verweildauer des Präkursors im Plasma und der Gastemperatur hinsichtlich der Eigenschaften der produzierten Schichten und bezüglich des für die Schichtabscheidung wirksamen Anteils des Ausgangsstoffes HMDSO. Diese Analysen erlaubten Rückschlüsse auf die plasmachemischen Reaktionspfade und unterstützten die Validierung der verwendeten Modelle.

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