Plasma und Plasmatechnologie
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Plasmatechnologie

Ein Plasma ist ein Gas, in dem die Energie der einzelnen Atome so hoch ist, dass sich Elektronen vom Rumpf lösen. Es existieren nebeneinander positive Ionen und freie Elektronen. Plasma ist daher elektrisch leitend. Insgesamt hat ein Plasma aber keine Ladung, da sich positive Ladungen und negative Ladungen ausgleichen.

Lichtemmission

Die einzelnen Atome geben dabei immer wieder Elektronen ab und fangen wieder Elektronen ein. Es existiert eine Art Gleichgewicht. Beim Einfangen von Elektroden werden Photonen emittiert; das Plasma leuchtet. Die Wellenlänge dieser Photonen hängt vom jeweiligen Element ab. Sauerstoffplasmen leuchten rot oder grün, Stickstoffplasmen blau oder violett. Elemente die sich im Plasma befinden können daher anhand des emittierten Lichtspektrums identifiziert werden. Die Methode kann für die Analytik und Endpunktbestimmung von Plasmaprozessen genutzt werden.

Fragmentierung von Molekülen

Moleküle fragmentieren in einem Plasma und es bilden sich reaktive Radikale. Nicht oder wenig reaktive Verbindungen können so in reaktive Fragmente umgewandelt werden. Dieser Umstand kann ausgenutzt werden, um bestimmte Verbindungen zu synthetisieren.

Temperatur des Plasmas

Da Temperatur über die kinetische Energie von Teilchen definiert wird und das Energieniveau in einem Plasma sehr hoch ist, ergeben sich rechnerisch sehr hohe Temperaturen in einem Plasma. Arbeitet man aber bei Unterdruck (Vakuum), so ist die Teilchendichte niedrig und ein Plasma läßt sich daher für die schonenen Abtragung oder Abscheidung von Materialien bei relativ niedrigen Temperaturen nutzen. Diese Verfahren nennt man Plasmaätzen bzw. Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD.

Plasma läßt sich auch unter Normaldruckbedingungen erzeugen, meist im Lichtbogen durch elektrischen Überschlag zwischen zwei Elektroden. In diesem Fall können die hohen Temperaturen zum Schneiden von Stahl oder für die vollständige Zerlegung und Verbrennung von chemischen Verbindungen in einem Abgasreiniger genutzt werden. Die hohen Temperaturen ermöglichen beispielsweise die Entsorgung von sehr stabilen Fluorkohlenwasserstoffen FCKW.

Herstellung von Plasma

Plasma wird hergestellt durch Einführung großer Mengen von Energie. Dies erfolgt technisch oft durch Einstrahlung von elektromagnetischer Energie mithilfe eines Plasmagenerators, der beispielsweise bei 13,56MHz arbeitet. In der Halbleitertechnologie nutzt man neben der Einkopplung der Energie über zwei gegenüberliegende Elektroden im Parallelplattenreaktor auch die externe Plasmaerzeugung in einer inductive coupled plasma ICP-Einheit oder durch Einkopplung von Mikrowellen.

Plasma und Plasmareaktoren

Reaktives Ionenätzen

Werden die Ionen aus einem Plasma durch das Anlegen eines elektrischen Feldes auf eine Substrat beschleunigt, so können dort die entsprechenden Ionen mit dem Substratmaterial reagieren und es abtragen oder ätzen. Durch den gerichteten Beschuss das Substrates mit reaktiven Teilchen ist bei diesem Verfahren ein anisotropes Ätzen möglich. Dieser Prozess wir Plasmaätzung oder trockenes Ätzen genannt (im Gegensatz zur Nassätzung in einem Ätzbecken). Je nachdem welche Gase im Plasma genutzt werden, werden auch unterschiedliche Materialien unterschiedlich schnell geätzt. So können selektiv unterschiedliche Schichten (Nitride oder Oxide) geätzt werden. Auch die Veraschung von organischen Schichten wie Fotolacken ist mit einem Sauerstoffplasma gut möglich.

Induktiv gekoppeltes Plasma (ICP)

Im üblichen RIE Plasma ist die Dichte durch die Möglichkeiten des Einkoppelns von HF Energie in das Plasma begrenzt. Dies schränkt die Raten, mit denen bestimmte Materialen geätzt oder abgeschieden werden können ein. Dies wird zum Problem bei stark reduziertem Druck, wenn die Plasmadichte recht niedrig wird. Die Nutzung einer induktiv gekoppelten Plasmaquelle erlaubt eine höhere Plasmadichte durch direkte, induktive Einkopplung von Energie in das Plasma. Die Verwendung von niedrigerem Druck ist dadurch möglich und das hat einige bedeutende Vorteile. So wird eine Verbesserung der Anisotropie erreicht und bei großen Seitenverhältnissen ermöglicht.

Mikrowellenquelle ECR

Das externe Plasma kann auch von einer Mikrowellenanregung erzeugt werden. In diesem Fall wird die Magnetronquelle für die Erzeugung von Mikrowellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz verwendet und ein Magnet wird eingesetzt um die Elektronen, die von der verwendeten Energie erzeugt wurden, in eine kreisförmige Bahn abzulenken. Wenn die Mikrowellenfrequenz und der magnetische Fluss korrekt angepasst sind, kann eine Elektronen-Zyklotron-Resonanz (ECR) erreicht werden. Diese Methode ergibt eine spiralenförmige Elektronenbahn und eine kontinuierliche Zunahme an kinetischer Energie. Die Zahl der Stöße zwischen Teilchen, und somit auch die Plasmadichte, nimmt zu. Der Hauptvorteil dieser Technologie gegenüber des ICP generierten Plasmas ist die höhere Plasmadichte und die niedrige Eigenvorspannung bzw. die geringere Ladung des Substrats. Das Ergebnis ist ein sehr effektives und wenig Schaden verursachendes Plasma, das sehr gut zum Plasmaveraschen von Fotolack verwendet werden kann, wobei die Anisotropie nicht exakt gesteuert werden muss und große Seitenverhältnisse nicht so wichtig sind.

Abscheidung von Schichten aus dem Plasma

Wie bereits erwähnt kann über die Beschleunigung von ionisierten Molekülfragmenten auf ein Substrat auch die Abscheidung von Schichten erreicht werden. Das Verfahren nennt sich PECVD. So können beispielsweise in der Halbleitertechnologie Siliciumnitridschichten aus Silan und Ammoniak erzeugt werden
3 SiH4    +     4 NH3    →    Si3N4     +    24 H2
oder Siliciumoxidschichten aus TEOS (Tetraethoxysilan)
Si(OC2H5)4    →     SiO2    +    Zersetzungsprodukte
sowie Graphene oder Carbo-Nanotubes (cnt) die durch Injektion von Kohlenwasserstoffen wie Methan in Plasma hergestellt werden können.

Plasma
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