Plasmabasierte Prozessführung von reaktiven Sputterprozessen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt „Plasmabasierte Prozessführung von reaktiven Sputterprozessen“ befasste sich mit Strategien zur Optimierung industrieller Plasmaverfahren am Beispiel eines reaktiven Sputterprozesses. Es wurden experimentelle und theoretische Erkenntnisse über die zugrundeliegenden physikalischen und chemischen Vorgänge erarbeitet und Methoden der Regelungstechnik angewendet. Zur Bearbeitung der sehr komplexen Fragestellung fanden sich drei Lehrstühle der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik der Ruhr-Universität Bochum (RUB) zusammen: Der Lehrstuhl Angewandte Elektrodynamik und Plasmatechnik, der Lehrstuhl Theoretische Elektrotechnik und der Lehrstuhl Automatisierungstechnik. Die traditionelle Führung von Plasmaprozessen beruht auf empirischen Methoden, bei denen eine optimale Kombination der extern einstellbaren Anlagenparameter (wie z. B. Hochfrequenzleistung, Biasspannung, Prozessgasdruck und -fluss, Magnetfeldstärke) gefunden wird, um den Prozesserfolg zu gewährleisten. Von dem „Rezept“ darf dann nicht abgewichen werden. Dieses Vorgehen kann jedoch problematisch sein, da der Zusammenhang zwischen den beeinflussbaren Stellgrößen und dem Prozesserfolg oft sehr indirekt ist. Zudem können Störungen durch Anlagendrift und externe Einflüsse nicht zielgerichtet behandelt werden. Im Rahmen dieses Projektes wurde erstmals die auf einem fundierten wissenschaftlichen Verständnis der Prozessabläufe basierende Alternative einer plasmabasierten Prozessführung entwickelt und erprobt. Diese Strategie verfolgt das Ziel, die Prozesseffizienz und -qualität durch eine gezielte Regelung innerer Zustandsgrößen wie beispielsweise der Elektronendichte oder der Randschichtspannungen zu verbessern. Dies erfordert zum einen eine prozesskompatible in-situ Diagnostik zur Erfassung dieser inneren Größen. Für die Bestimmung eines geeigneten Regeleingriffs sind zudem mathematische Modelle der funktionalen Zusammenhänge zwischen den extern einstellbaren Anlagenparametern und den inneren Zustandsgrößen sowie zwischen den inneren Zustandsgrößen und dem Prozesserfolg erforderlich. Zur Realisierung des Konzepts wurde exemplarisch ein reaktiver Sputterprozess zur Abscheidung von dünnen Al2O3-Schichten unter Verwendung eines kapazitiven Hochfrequenz-Magnetrons betrachtet. Das betreffende Schichtsystem ist gut bekannt und die Arbeiten konnten existierende Ressourcen nutzen. Der Fokus lag nicht auf der Optimierung dieses speziellen Prozesses, sondern auf der systematischen Entwicklung von Methoden zur Realisierung plasmabasierter Prozessführung. Daher wurde bewusst ein komplexer Sputterprozess ausgewählt, der aufgrund einer ausgeprägten Hysterese (Vergiftung) erhöhte Anforderungen an die Prozessführung stellt. Zu seiner Beherrschung mussten Details der Plasma-Oberflächen-Wechselwirkungen verstanden und Methoden zur Kontrolle der Fluss-Energie-Verteilungsfunktionen der schichtbestimmenden Plasmateilchen erarbeitet werden. Zudem waren grundlegende Fragen zur Entladungsdynamik zu klären, etwa zur Elektronenheizung und zum Teilchentransport senkrecht zu Magnetfeldern. Die im Projekt erarbeitete Methodik lässt sich auf weitere Plasmaprozesse übertragen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Magnetic control of nonlinear electron resonance heating in a capacitively coupled radio frequency discharge. Plasma Sources Science and Technology, 28(11), 115021.
Oberberg, M.; Engel, D.; Berger, B.; Wölfel, C.; Eremin, D.; Lunze, J.; Brinkmann, R. P.; Awakowicz, P. & Schulze, J.
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The Multipole Resonance Probe-based controller: a technology to investigate plasma-based deposition. Journal of Instrumentation, 14(10), P10007-P10007.
Woelfel, C.; Oberberg, M.; Berger, B.; Engel, D.; Brinkmann, R.P.; Awakowicz, P.; Lunze, J. & Schulze, J.
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Electron power absorption dynamics in magnetized capacitively coupled radio frequency oxygen discharges. Plasma Sources Science and Technology, 29(10), 105004.
Wang, Li; Wen, De-Qi; Hartmann, Peter; Donkó, Zoltán; Derzsi, Aranka; Wang, Xi-Feng; Song, Yuan-Hong; Wang, You-Nian & Schulze, Julian
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The magnetic asymmetry effect in geometrically asymmetric capacitively coupled radio frequency discharges operated in Ar/O2. Plasma Sources Science and Technology, 29(7), 075013.
Oberberg, M.; Berger, B.; Buschheuer, M.; Engel, D.; Wölfel, C.; Eremin, D.; Lunze, J.; Brinkmann, R. P.; Awakowicz, P. & Schulze, J.
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Control-oriented plasma modeling and controller design for reactive sputtering. IFAC Journal of Systems and Control, 16, 100142.
Woelfel, Christian; Oberberg, Moritz; Berger, Birk; Engel, Dennis; Brinkmann, Ralf Peter; Schulze, Julian; Awakowicz, Peter & Lunze, Jan
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Resonant sheath heating in weakly magnetized capacitively coupled plasmas due to electron-cyclotron motion. Physical Review E, 104(4).
Zhang, Quan-Zhi; Sun, Jing-Yu; Lu, Wen-Qi; Schulze, Julian; Guo, Yu-Qing & Wang, You-Nian
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Experimental investigations of plasma dynamics in the hysteresis regime of reactive RF sputter processes. Plasma Sources Science and Technology, 31(6), 065007.
Roggendorf, J.; Berger, B.; Eremin, D.; Oberberg, M.; Engel, D.; Wölfel, C.; Zhang, Quan-Zhi; Awakowicz, P.; Lunze, J. & Schulze, J.
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Electron dynamics in planar radio frequency magnetron plasmas: I. The mechanism of Hall heating and the µ-mode. Plasma Sources Science and Technology, 32(4), 045007.
Eremin, Denis; Engel, Dennis; Krüger, Dennis; Wilczek, Sebastian; Berger, Birk; Oberberg, Moritz; Wölfel, Christian; Smolyakov, Andrei; Lunze, Jan; Awakowicz, Peter; Schulze, Julian & Brinkmann, Ralf Peter
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Electron dynamics in planar radio frequency magnetron plasmas: II. Heating and energization mechanisms studied via a 2d3v particle-in-cell/Monte Carlo code. Plasma Sources Science and Technology, 32(4), 045008.
Eremin, D.; Berger, B.; Engel, D.; Kallähn, J.; Köhn, K.; Krüger, D.; Xu, L.; Oberberg, M.; Wölfel, C.; Lunze, J.; Awakowicz, P.; Schulze, J. & Brinkmann, R. P.
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Electron dynamics in planar radio frequency magnetron plasmas: III. Comparison of experimental investigations of power absorption dynamics to simulation results. Plasma Sources Science and Technology, 32(4), 045009.
Berger, B.; Eremin, D.; Oberberg, M.; Engel, D.; Wölfel, C.; Zhang, Q.-Z.; Awakowicz, P.; Lunze, J.; Brinkmann, R. P. & Schulze, J.
