Nichtlokale und nichtlineare Elektronendynamik in kapazitiv gekoppelten Hochfrequenzentladungen

Sebastian Wilczek, Jan Trieschmann, Julian Schulze, Ralf Peter Brinkmann, Zoltán Donkó, Thomas Mussenbrock

19. Fachtagung für Plasmatechnologie PT19, Cottbus, Deutschland, Juni 17-19, 2019.


Abstract

Kapazitiv gekoppelte Hochfrequenzentladungen (CCRF) im Niederdruckbereich bieten eine Vielzahl von technischen Anwendungen, wie beispielsweise das Plasmaätzen in der Halbleitertechnik sowie das Plasmazerstäuben in der Beschichtungstechnologie. Eine essentielle Rolle in diesen Entladungen spielt die Elektronendynamik, welche für Ionisationsprozesse grundlegend ist und somit die resultierende Ionenverteilung an den Oberflächen (z.B. eines Substrats) beeinflusst. Im Druckbereich von 0,1 bis 10 Pascal weisen Elektronen eine mittlere freie Weglänge auf, welche teilweise größer als die Systemlänge (Plattenabstand der Elektroden) ist. In diesem ‚nichtlokalen‘ Regime gewinnen Elektronen ihre Energie im Wesentlichen durch die Expansion der Plasmarandschichten. Dies führt dazu, dass sich die Elektronen gerichtet (als Elektronenbeam) und nahezu stoßfrei durch den Plasmabulk bewegen. Anschließend findet eine erneute Interaktion mit der gegenüberliegenden Randschicht statt, wobei der Auftreffzeitpunkt des Elektronenbeams mit der Randschichtphase eine entscheidende Rolle spielen kann [1]. Ist der Auftreffzeitpunkt während der kollabierenden Phase der Randschicht, verlieren die Elektronen effektiv Energie, da sie durch das zeitlich sinkende Randschichtpotential abgebremst werden. Zusätzlich können die hochenergetischen Beamelektronen vor allem zum Zeitpunkt des Randschichtkollaps das Randschichtpotential überwinden und an der Elektrode samt ihrer Energie verloren gehen. Die Einschlussgüte (Confinement) des Elektronenbeams kann jedoch mit einer geeigneten Parameterwahl von Anregungsfrequenz, Plattenabstand der Elektroden und Gasdruck eingestellt werden, wobei die Plasmadichte um bis zu zwei Größenordnungen variieren kann. Ein weiterer wichtiger Mechanismus bei niedrigen Drücken ist die ‚nichtlineare‘ Elektronendynamik, welche größtenteils in geometrisch asymmetrischen Entladungen (unterschiedliches Flächenverhältnis von geerdeter und getriebener Elektrode) ausgeprägt ist und experimentell durch hochfrequente Oszillationen im Strom an der Elektrode nachgewiesen werden kann. Hier fällt der Dynamik der Elektronenbeams ebenfalls eine zentrale Rolle zu. Durch das Eindringen eines Beams in den Plasmabulk kann eine elektrische Feldumkehr im Bereich zwischen Randschicht und Bulk entstehen, welche Elektronen des Bulks zurück zur Randschicht beschleunigt und somit für die Entstehung von höheren Frequenzkomponenten im HF Strom verantwortlich ist [2]. Darüber hinaus können mehrere Elektronenbeams während einer Randschichtexpansion erzeugt werden, die den Ionisationsprozess maßgeblich verstärken können [3]. Dieser Beitrag liefert anhand von 1d3v Particle-In-Cell / Monte Carlo Collisions (PIC/MCC) Simulationen einen fundamentalen Einblick in die ‚nichtlineare‘ und ‚nichtlokale‘ Elektronendynamik von CCRF Entladungen. Mit dem Verständnis kann gezeigt werden, dass die Dynamik der Elektronen auf der Zeitskala von Nanosekunden gesteuert und optimiert werden kann, während hierbei die Gesamtdynamik der Entladung maßgeblich beeinflusst wird.

Referenzen [1] S. Wilczek et al., Plasma Sources Sci. Technol., 24, 024002 (2015) [2] S. Wilczek et al., Phys. Plasmas, 23, 063514 (2016) [3] S. Wilczek et al., Plasma Sources Sci. Technol., 27, 125010 (2018)

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