Elektronenheizung in reaktiven und magnetisierten kapazitiven Radio Frequenz Plasmen: Von fundamentalem Verständnis zu wissensbasierter Prozesskontrolle

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Julian Schulze; Dr. Li Wang
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428942393

Kapazitiv gekoppelte Radio Frequenz Plasmen (CCP) werden häufig für Ätz- und Beschichtungsprozesse auf mikroskopischer Ebene eingesetzt, die entscheidende Schritte für die Produktion von Computerchips in der Halbleiterindustrie darstellen und für eine Vielzahl anderer Anwendungen von hoher gesellschaftlicher Relevanz sind. Trotz ihrer Bedeutung für die Überwindung der "Chipkrise" sind die Grundlagen ihrer Funktionsweise unter anwendungsrelevanten Bedingungen nicht verstanden, d.h. in komplexen reaktiven und elektronegativen Gasmischungen, extern angelegten Magnetfeldern und unter Multi-Frequenzanregung. Daher werden Plasmaprozesse meist empirisch entwickelt. Die kontinuierlich zunehmenden Prozessanforderungen bzgl. Kontrolle von Energieverteilungsfunktionen von Elektronen, Ionen und reaktiven Radikalen, z. B. zur Herstellung miniaturisierter Transistoren, erfordern allerdings inzwischen einen wissenschaftlichen Ansatz. Dieser muss auf einem fundamentalen Verständnis der orts- und zeitaufgelösten Elektronenheizungsdynamik im Plasma und der Einflüsse externer Kontrollparameter (Gasmischung, Magnetfeld, Druck, angelegte Spannungsform) basieren. In diesem Projekt wird daher die orts- und zeitaufgelöste Elektronenheizungsdynamik in CCPs in verschiedenen anwendungsrelevanten, reaktiven und elektronegativen Gasmischungen am Beispiel von Ar/CF4/O2 untersucht, die häufig für das Plasmaätzen von Dielektrika eingesetzt werden. Basierend auf einer synergistischen Kombination von hybriden (fluid-kinetischen) Simulationen und Experimenten in einem Referenzreaktor werden die Effekte transversaler Magnetfelder und maßgeschneiderter Spannungsformen auf die Elektronenheizung und prozessrelevante Verteilungsfunktionen von Elektronen, Ionen und neutralen Radikalen als Funktion externer Kontrollparameter untersucht. Zu diesem Zweck wird eine neue hybride Plasmasimulation implementiert und deren Ergebnisse mit denen vollständig kinetischer Simulationen und Messungen mittels mehrerer Plasmadiagnostiken verglichen. Im Vergleich zu existierenden kinetischen Particle-in-Cell Simulationen wird der neue Code wesentlich schneller sein, da Schwerteilchen als Fluid und nur Elektronen kinetisch behandelt werden. Dabei werden nicht-lokale Effekte der Elektronen weiterhin korrekt beschrieben. So können Radikaldichten und -flüsse numerisch bestimmt werden. Diese synergistische Kombination von hybriden Simulationen und Experimenten wird eingesetzt, um neue Elektronenheizungsmodi in magnetisierten CCPs zu entdecken und zu verstehen, z. B. den magnetisierten Drift-Ambipolar mode und magnetisch induzierte elektrische Feldumkehren. Der Einfluss von maßgeschneiderten Spannungsformen auf die Energieverteilungsfunktionen verschiedener Teilchenspezies in solchen komplexen Entladungen wird untersucht werden. Basierend auf dem erlangten Grundlagenverständnis werden Konzepte zur Kontrolle solcher Verteilungsfunktionen als Basis von zukünftiger wissensbasierter Prozesskontrolle entwickelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Ungarn
• Kooperationspartner: Dr. Zoltan Donko; Dr. Peter Hartmann