Structured gas phase micro deposition
Final Report Abstract
Wird einem dünnen Gasstrahl im Vakuum Energie z.B. durch eine elektrische Entladung (Plasma) zugeführt, kann das Gas zu Reaktionen angeregt werden und dann auf einer Oberfläche eine Feststoffabscheidung bilden. Die Form, Größe und Eigenschaften dieser Abscheidung werden von den chemischen Eigenschaften des Gases und von den mechanischen Charakteristika des Gasstroms bestimmt. Die Ausdehnung der Abscheidung kann einige Millimeter betragen, aber auch bis in den Mikrometerbereich verkleinert werden. Eine Reihe von äußeren Parametern wie Kapillardurchmesser, Kapillarlänge, Abstand der Kapillare zum Substrat, Gasfluss, Kammerdruck und Plasmaleistung beeinflussen die Geschwindigkeit, die Effizienz und die geometrische Form der Festkörperabscheidung in komplexer Weise. Durch die Kombination von systematischen Experimenten und Simulation des Gasstroms sollte ein besseres Verständnis erreicht werden. Das Prozessgasgemisch Hexamethyldisiloxan/ Sauerstoff wurde benutzt, um fokussierte Abscheidungen aus Siliziumoxid herzustellen. In den Experimenten wurde die Injektionskapillare parallel zur Substratoberfläche bewegt und gleichzeitig wurde ein Parameter variiert, so dass unter günstigen Bedingungen eine wallförmige Abscheidung gebildet wurde, die die Parameterveränderung reflektiert. Durch das Ausmessen des Profils an unterschiedlichen Stellen wurde auf den Einfluss der Parameter geschlossen. Auf diese Weise konnte ein Bereich im Parameterraum definiert werden, in dem fokussierte Abscheidungen erhalten werden. Neben der geometrischen Form wurden auch die chemischen und die mikroskopischen Eigenschaften analysiert. Die Homogenität aber auch die Größe und Verteilung von Partikeln erlauben Rückschlüsse auf den Abscheidungsprozess. Die Wachstumsraten von mehreren 100 µm/s liegen auch bei dem hier untersuchten Stoffsystem um mehr als drei Größenordnungen über denen, die gewöhnlich bei CVD-Experimenten beobachtet werden. Auch der Konversionsgrad des Gases von bis zu 70 % liegt um Größenordnungen über den bisher beschriebenen Werten. Mit der Bewegung der Kapillare wurde die schreibende Abscheidung demonstriert und eine Linie erzeugt. Bei der Simulation wurde die experimentelle Konfiguration möglichst genau nachgebildet. Wegen der großen Zahl der Parameter, konnten nicht alle experimentell untersuchten Konfigurationen auch numerisch behandelt werden. Es wurden darum Konfigurationen mit gutem Ablagerungsverhalten zur numerischen Untersuchung ausgewählt. Mit dem an der TU Berlin entwickelten, iterativen Löser Elan2D wurden die axialsymmetrischen Navier-Stokes-Gleichungen gelöst. Durch das Ausnutzen der Axialsymmetrie konnte die Strömung in Kapillare und Kammer effizient in einer quasi-zweidimensionalen Simulation behandelt werden. Das Strömungsfeld konnte so für eine Reihe von Experimenten simuliert werden und es gelang, den zeitlichen Ablauf dessen zu beschreiben, was das Gas nach Verlassen der Kapillare erfährt. Dabei wurde deutlich, dass die Reaktionen sehr schnell (innerhalb weniger Mikrosekunden) initiiert werden. Im weiteren Verlauf sind sich die Strömungsfelder von verschiedenen erfolgreichen und nicht erfolgreichen Experimenten recht ähnlich. Das deutet daraufhin, dass Teile des ablaufenden Prozesses, wie Wirkung der Reaktion auf das Strömungsfeld (Energieeintrag) bzw. die Beeinflussung der Reaktion durch das Strömungsfeld, durch die reine Strömungssimulation nicht erfasst werden, und damit wichtige Aspekte des Prozesses vernachlässigt worden sind.
