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

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Erstmalig konnte mittels mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) die Ionenwinkelverteilungsfunktion (IADF) eines Plasmas analysiert werden. Grundlage des Messverfahrens bildet eine piezoelektrisch aktuierte, perforierte Platte, welche zur Selektion der Ioneneinfallswinkel gekippt wird. Um typische Ionenwinkelverteilungsfunktionen in ihrer gesamten Breite abdecken zu können, wird das MEMS-Element resonant im Kilohertzbereich betrieben, da im quasi-statischen Betrieb nur Winkelbereiche < 1° abgedeckt werden können. Die Ionenströme werden zeitlich gemittelt über mehrere Perioden hinweg gemessen. Dadurch ist die Ionenwinkelverteilung nicht direkt zugänglich, sondern muss über eine Parametervariation der angenommen Ionenwinkelverteilungsfunktion iterativ ermittelt werden. Die entsprechenden Plasmen der Messungen wurden numerisch simuliert und Ionentrajektorien durch den Gitterstapel berechnet. Dieses neuartige Messprinzip ist in Hinblick auf die geometrischen Abmessungen, die Auslösung und die Freiheitsgrade der Messung disruptiv gegenüber bisherigen Sensorkonzepten. Dadurch eröffnen sich zur Messung der IADF neue Möglichkeiten in der Grundlagenforschung sowie aus Anwenderperspektive, nicht zuletzt da der Sensor auch komplett aus CMOS-kompatiblen Materialien gefertigt werden kann. In Plasmareaktoren, wie sie auch in der Mikroelektronikfertigung eingesetzt werden, konnten aufgrund der starken Einkopplung von Störsignalen in das Sensorsystem bisher keine Messdaten gewonnen werden. Folgeuntersuchungen sollten den Aspekt der elektromagnetischen Abschirmung des Sensorsystems, auch gemeinsam mit Kooperationspartnern, entsprechend gewichten. Weiterhin steht die Kombination der im Projekt erforschten, mittels Siliziumtechnologie hergestellten Gitterstapel zur Messung der Ionenenergieverteilungsfunktion mit dem Ionenwinkelsensor offen. Weitere unerwünschte Effekte wie elektrische Aufladungen können durch Simulationen analysiert werden. In einer Industriekooperation werden ab 06/2022 die Siliziumgitter hinsichtlich ihrer konkreten Anwendungen in Messsystemen für Niederdruckplasmen überprüft. Der Industriepartner hat ebenfalls Interesse an den Sensoren zur Messung der Ionenwinkelverteilungsfunktion gezeigt. Diese Zusammenarbeit wird nach Patentierung des Messprinzips durch die beteiligten Universitäten weitergeführt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• MEMS based IEDF/IADF sensing: Kinetic analysis of the ion dynamics inside the sensor". In: APS Annual Gaseous Electronics Meeting Abstracts. APS Meeting Abstracts. 2018, GT1.050
  K. Roessel, B. Berger, T. Mussenbrock, M. Melzer, C. Stoeckel und S. Zimmermann
  
• Observation of the generation of multiple electron beams during a single sheath expansion phase in capacitive RF plasmas. Plasma Sources Science and Technology, 27(12), 12LT02.
  Berger, B.; You, K.; Lee, H.-C.; Mussenbrock, T.; Awakowicz, P. & Schulze, J.
  
• A generic method for equipping arbitrary rf discharge simulation frameworks with external lumped element circuits. Journal of Applied Physics, 125(17).
  Schmidt, Frederik; Trieschmann, Jan; Gergs, Tobias & Mussenbrock, Thomas
  
• Sensing IEDFs and IADFs in radio-frequency discharges using a MEMS-based sensor stack". In: DPG-Frühjahrstagung der Sektion Materie und Kosmos (SMuK). 2019
  K. Roessel, B. Berger, T. Mussenbrock, M. Melzer, C. Stoeckel und S. Zimmermann
  
• Voltage waveform tailoring in radio frequency plasmas for surface charge neutralization inside etch trenches. Plasma Sources Science and Technology, 28(7), 075017.
  Krüger, Florian; Wilczek, Sebastian; Mussenbrock, Thomas & Schulze, Julian
  
• Charged particle dynamics and distribution functions in low pressure dual-frequency capacitively coupled plasmas operated at low frequencies and high voltages. Plasma Sources Science and Technology, 29(7), 075014.
  Hartmann, P.; Wang, L.; Nösges, K.; Berger, B.; Wilczek, S.; Brinkmann, R. P.; Mussenbrock, T.; Juhasz, Z.; Donkó, Z.; Derzsi, A.; Lee, Eunwoo & Schulze, J.
  
• Electron dynamics in low pressure capacitively coupled radio frequency discharges. Journal of Applied Physics, 127(18).
  Wilczek, S.; Schulze, J.; Brinkmann, R. P.; Donkó, Z.; Trieschmann, J. & Mussenbrock, T.
  
• Control of electron velocity distributions at the wafer by tailored voltage waveforms in capacitively coupled plasmas to compensate surface charging in high-aspect ratio etch features. Journal of Physics D: Applied Physics, 54(25), 255202.
  Hartmann, P.; Wang, L.; Nösges, K.; Berger, B.; Wilczek, S.; Brinkmann, R. P.; Mussenbrock, T.; Juhasz, Z.; Donkó, Z.; Derzsi, A.; Lee, Eunwoo & Schulze, J.
  
• Ion dynamics in capacitively coupled argon–xenon discharges. Plasma Sources Science and Technology, 30(6), 065019.
  Klich, M.; Wilczek, S.; Janssen, J. F. J.; Brinkmann, R. P.; Mussenbrock, T. & Trieschmann, J.
  
• Static High Voltage Actuation of Piezoelectric AlN and AlScN Based Scanning Micromirrors. Micromachines, 13(4), 625.
  Stoeckel, Chris; Meinel, Katja; Melzer, Marcel; Žukauskaitė, Agnė; Zimmermann, Sven; Forke, Roman; Hiller, Karla & Kuhn, Harald
  
• Validation of the smooth step model by particle-in-cell/Monte Carlo collisions simulations. Plasma Sources Science and Technology, 31(4), 045014.
  Klich, Maximilian; Löwer, Jan; Wilczek, Sebastian; Mussenbrock, Thomas & Brinkmann, Ralf Peter