Wafer-Level Sensorstruktur zur Bestimmung von Ionenenergie- und Ionenwinkelverteilungsfunktionen in Niederdruckplasmen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Mussenbrock; Dr.-Ing. Sven Zimmermann
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 335529250

Ziel des geplanten Vorhabens ist die Erforschung eines neuen Grundprinzips zur gleichzeitigen Messung der Verteilungsfunktionen von Ionenenergie und Ionenwinkel auf einer Substratoberfläche in einem Niederdruckplasma. Im Gegensatz zu allen bekannten Prinzipien ist dieser Sensor in der Lage, raumwinkelaufgelöst zu messen. Der Messfleck kann auf jeden beliebigen Punkt der Plasmarandschicht ausgerichtet werden und es werden nur Ionen gemessen, die aus diesem Bereich emittiert werden. Die Größe des Messflecks kann durch den konstruktiven Aufbau des Sensors variiert werden. Der Sensor stellt mit nur 2,5 mm Gesamthöhe eine Miniaturisierung gegenüber bekannten Konzepten um mindestens Faktor 2 dar. Um das neue Messprinzip und dessen Eigenschaften verstehen zu können, ist die Verwendung eines kombinierten Untersuchungsansatzes, bestehend aus experimenteller Arbeit und Simulationen, Ziel des Vorhabens. Die Verteilungsfunktionen werden für die Geometrien der verfügbaren Plasmakammern zum Test des Sensorelementes vorab simulativ ermittelt und mit den realen Messergebnissen verglichen. Teilweise sollen die Simulationsergebnisse auch zur Dimensionierung der Sensorstruktur verwendet werden. In Abhängigkeit vom Druck in den Plasmakammern sind sowohl Particle-In-Cell- als auch Fluid- und Hybridsimulationen geplant. Die Basis dieses neuen Funktionsprinzips ist eine an vier Federbändern aufgehängte bewegliche Siliziumplatte, welche durch vier piezoelektrische Aktoren in alle Raumrichtungen gekippt werden kann. Mittels einer Perforation, in Form zylindrischer Löcher mit geringem Durchmesser, erhält diese Platte einen definierten Akzeptanzwinkel für einfallende Ionen, wobei die Symmetrieachse der Perforation auf jeden beliebigen Punkt der Plasmarandschicht ausgerichtet werden kann. Durch eine Metallisierung auf der beweglichen Platte kann durch Anlegen einer variablen Spannung ein gerichtetes Gegenfeld zum eingestellten Raumwinkel erzeugt und so die Energieverteilung der erfassten Ionen untersucht werden. Der Sensor soll auf Waferlevel realisiert werden, was den Betrieb eines mikroelektromechanischen Systems direkt in einer Plasmaanordnung bedeutet. Um den Einfluss des Sensors selbst auf die gemessenen Verteilungsfunktionen zu analysieren, ist im Rahmen des Vorhabens die Erstellung eines speziellen Simulationscodes geplant. Dieser Code soll durch Lösung der Newton-Bewegungsgleichung bzw. Lorentz-Kraftgleichung die Trajektorien der Ionen durch die Sensorstruktur unter Berücksichtigung der im Analysator erzeugten elektrischen Felder beschreiben. Dazu soll der Sensor komplett dreidimensional nachgebildet werden. Der praktische Einsatz des Sensors in drei konstruktiv verschiedenen Plasmareaktoren sowie die Untersuchung des Einflusses verschiedener Parameter, z.B. Druck und Plasmaleistung, auf die Verteilungsfunktionen runden das Vorhaben ab.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen