Plasmabasierte Prozessführung von reaktiven Sputterprozessen

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf-Peter Brinkmann; Professor Dr.-Ing. Jan Lunze; Professor Dr. Julian Schulze
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417888799

Reaktive Zerstäubungsprozesse in Niedertemperaturplasmen werden zur Abscheidung dünner Schichten als Basis vieler Hochtechnologieprodukte genutzt. Trotz dieser enormen gesellschaftlichen Bedeutung sind fundamentale Mechanismen wie die Elektronenheizung, Plasma-Oberflächenwechselwirkungen und Transportphänomene in diesen Plasmen unverstanden. Folglich sind auch die nichtlinearen und nichtlokalen Einflüsse globaler Stellgrößen wie Neutralgasdruck, Gasflüsse, Leistungen, Magnetfelder, etc. auf die Eigenschaften der abgeschiedenen Dünnfilme nicht verstanden. Dies führt zu massiven Einschränkungen der Prozessoptimierung und -kontrolle. Mangels Verständnis und Zugang zu den eigentlich schichtbestimmenden Verteilungsfunktionen verschiedener Spezies an den Oberflächen sowie den Eigenschaften dieser Grenzflächen basieren existierende Prozessführungen auf der Regelung von Sekundärgrößen wie Gasflüssen und Leistungen, die nicht eindeutig die Schichteigenschaften bestimmen, sowie Greyboxmodellen. Damit stehen Sputterprozesse repräsentativ für eine Vielzahl von Plasmaprozessen, bei denen ähnliche Probleme bestehen. In diesem Projekt soll erstmals eine plasmabasierte, d. h. auf Plasmagrößen und wissenschaftlichem Verständnis basierende, Prozessführung reaktiver Zerstäubungsprozesse zur Abscheidung von Al2O3-Schichten in einem kapazitiven radio frequenz (RF) Magnetron entwickelt und erprobt werden. Dabei soll zunächst ein fundamentales Verständnis der Wirkung globaler Stellgrößen auf schichtbestimmende Verteilungsfunktionen, Oberflächen- und Schichteigenschaften entwickelt werden. Dazu soll eine synergistische Kombination experimenteller und theoretischer Methoden verwendet werden, indem die Entladung durch eine Vielzahl von Plasma- und Oberflächendiagnostiken experimentell sowie durch kinetische Simulationen numerisch charakterisiert wird. Basierend auf diesem fundamentalen Verständnis sollen zur Prozessführung geeignete Plasmagrößen bestimmt werden, die im Prozess nicht-invasiv innerhalb von Sekunden gemessen werden können und eindeutig mit den schichtbestimmenenden Verteilungsfunktionen und Oberflächeneigenschaften korrelieren. Diese Größen sollen durch schnelle reduzierte globale Modelle beschrieben werden, die Vorhersagen zu Ursachen und Kompensationsmaßnahmen ungewollter Prozessdrifts machen. Die gemessenen Plasmagrößen und Modelle sollen dann im Rahmen eines parallel entwickelten Regelkreises zur Prozessführung verwendet werden, auf dessen Basis eine wesentlich verbesserte Kontrolle der Dünnfilmeigenschaften demonstriert werden soll. Ziel ist, Plasmaeigenschaften wie die Energie pro eingebautem Teilchen gezielt einstellbar zu machen, um so die Schicht- mit den Plasmaeigenschaften korrelieren und so Schichteigenschaften kontrollieren zu können. Im Erfolgsfall ist dieses Konzept der plasmabasierten Prozessführung auf andere Prozesse übertragbar. Zudem werden wichtige fundamentale Erkenntnisse zur Plasmaphysik derartiger Entladungen erwartet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen