Temperaturbestimmung von CF 2 -Radikalen in gepulsten fluorkohlenstoffhaltigen RF-Plasmen. mittels IR-TDLAS

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1 Temperaturbestimmung von CF 2 -Radikalen in gepulsten fluorkohlenstoffhaltigen RF-Plasmen mittels IR-TDLAS Sergey Stepanov, Onno Gabriel, Milena Pfafferott und Jürgen Meichsner Institut für Physik, EMAU Greifswald

2 Überblick Einführung und Motivation CF x (x=1-3)-radikale in fluorkohlenstoffhaltigen Plasmen Das Prinzip der IR-TDLAS Methode Zielstellung Experimenteller Aufbau Ausgewählte Messergebnisse für CF 2 -Radikale Rotationstemperaturen Zeitaufgelöste Messungen im gepulsten Plasma Eine neue Methode der T rot - Bestimmung Zusammenfassung

3 Motivation Fluorkohlenstoffplasmen Oberflächenbearbeitung - Mikrostrukturen/ Halbleiterproduktion - kleine Dielektrizitätszahl etc - hohe Elastizität - Hydrophobie - Biokompatibilität

4 Motivation Fluorkohlenstoffplasmen Oberflächenbearbeitung Ausgangsgas (z.b. CF 4 ) Dissoziation/ Assoziation CF, CF 2, CF 3 Radikale - Mikrostrukturen/ Halbleiterproduktion - kleine Dielektrizitätszahl etc - hohe Elastizität - Hydrophobie - Biokompatibilität

5 Motivation Fluorkohlenstoffplasmen Oberflächenbearbeitung Ausgangsgas (z.b. CF 4 ) Oberfläche Dissoziation/ Assoziation CF, CF 2, CF 3 Radikale Deposition / Ätzen - Mikrostrukturen/ Halbleiterproduktion - kleine Dielektrizitätszahl etc - hohe Elastizität - Hydrophobie - Biokompatibilität

6 Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) I( ν ) = I 0 e k( ν ) dν = k ( ν ) L S n

7 Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) in situ Methode nichtinvasiv hohe Zeit- u. Spektralauflösung absolute Dichten n S d k e I I L k = = ν ν ν ν ) ( ) ( ) ( 0

8 Linienstärke: S 8 3 π g = 1 E 1 2 hc ν A 12 exp μ JK 1 exp ν 3hc Q kbtrot kbt 12 mit: - Wellenzahl des Übergangs - statistisches Gewicht des unteren Niveaus - Zustandssumme - Energie des unteren Niveaus - Hönl-London-Faktor - Übergangs-Dipolmoment Rotationstemperatur

9 Das Ziel: Untersuchung des Verhaltens der Rotationstemperatur und ihr Einfluss auf die Messung der absoluten Dichten am Beispiel: des CF 2 -Radikals in gepulsten CF 4 / H 2 HF-Plasmen

10 Experimenteller Aufbau

11 (13,56MHz) Prozess-Parameter Totaldruck: Pa Gasflüsse: sccm RF- Leistung: W TDLAS, Auflösung spektral: 0,001 cm -1 zeitlich: ca. 50 µs

12 Berechnetes Spektrum der ν 3 -Bande von CF 2 (T rot = 300K) Gemessene ν 1 -u. ν 3 -Banden von CF 2 J.B. Burkholder and C. Howard, J. Mol. Spectr. 127, 362 (1988)

13 P-Zweig Q-Zweig

14 S 8 3 π g = 1 E 1 2 hc ν A 12 exp μ JK 1 exp ν 3hc Q kbtrot kbt 12 k(ν ) dν = S n

15 n S d k = ν (ν ) C k E T d k A g B rot JK + = ) ( 1 ln ν ν Grundgleichung für Boltzmann-Plot = T k hc A T k E Q g hc S B JK rot B exp 1 exp 3 8 ν μ ν π

16 CF 2 -Rotationstemperatur im kontinuierlichen RF- Plasma 5,5 5,0 ln (ng 1-1 A -1 ) 4,5 4,0 3,5 3, E 1 / k B (K) 100W, 50Pa, 5sccm CF 4, 2sccm H 2

17 CF 2 -Rotationstemperatur im kontinuierlichen RF- Plasma 5,5 5,0 ln (ng 1-1 A -1 ) 4,5 4,0 3,5 T rot =390±40K 3, E 1 / k B (K) 100W, 50Pa, 5sccm CF 4, 2sccm H 2

18 CF 2 -Rotationstemperatur im gepulsten RF- Plasma Drei dicht zusammen liegende CF 2 - Absorptionslinien...

19 CF 2 -Rotationstemperatur im gepulsten RF- Plasma 100W, 50Pa, 8sccm CF 4, 2sccm H 2, τ an =5sec, τ aus =5sec

20 Abhängigkeit der CF 2 -T rot von der RF- Leistung 50Pa, 8sccm CF 4, 2sccm H 2, τ an =5sec, τ aus =5sec

21 Zeitlicher Verlauf der CF 2 -Dichte im gepulsten RF- Plasma Alternative Erklärungen für den kurzeitigen Anstieg der CF 2 - Dichte: - B.A.Cruden, K.K.Gleason und H.Sawin, J. Appl. Phys. 89, 915 (2001) - J.-P.Booth, H.Abada, P.Chabert und D.B.Graves, Plasma Sources Sci. Technol. 14, 273 (2005) Dichteverlauf unter denselben Plasmabedingungen: 100W, 50Pa, 5sccm CF 4, 2sccm H 2, τ an =1sec, τ aus =2sec

22 Zeitlicher Verlauf der CF 2 -Dichte im gepulsten RF- Plasma

23 Einfluss von T rot auf die Dichtemessung: exponentieller Abfall der T rot in der Pulspause

24 Einfluss von T rot auf die Dichtemessung: exponentieller Abfall der T rot in der Pulspause Anstieg der Linienstärke u. der Absorption in der Pulspause

25 Einfluss von T rot auf die Dichtemessung: exponentieller Abfall der T rot in der Pulspause + k(ν ) dν = S n Anstieg der Linienstärke u. der Absorption in der Pulspause Dadurch Anstieg der daraus ermittelten Dichte Abfall der Dichte wegen Rekombination Maximum in der Pulspause

26 Die Neue Methode: Bestimmung der CF 2 T rot durch Fit an den Verlauf des Q 3 (3) Profils T rot im Plasma (als Parameter der Modellrechnung)

27 Abhängigkeit der CF 2 -T rot von der RF- Leistung 500 CF 2 - Rotationstemperature (K) RF - Leistung (W) A 50Pa A: 5sccm CF 4, 2sccm H 2, τ an =1sec, τ aus =2sec (mit Q 3 (3) Linie)

28 Abhängigkeit der CF 2 -T rot von der RF- Leistung 500 CF 2 - Rotationstemperature (K) RF - Leistung (W) A B 50Pa A: 5sccm CF 4, 2sccm H 2, τ an =1sec, τ aus =2sec (mit Q 3 (3) Linie) B: 8sccm CF4, 2sccm H2, τan=5sec, τaus=5sec (mit P 3 (21), P 2 (21) und P 10 (17) Linien)

29 Zusammenfassung Berechnung der Positionen und Stärken von CF 2 -Absorptionslinien der ν 3 - Bande. Gute Übereinstimmung mit den gemessenen Daten Rotationstemperaturbestimmung von CF 2 -Radikalen im kontinuierlichen Plasma Erste zeitaufgelöste Abhängigkeiten der CF 2 -Rotationstemperatur im gepulsten Plasma Zwei verschiedene Methoden, um CF 2 -Rotationstemperatur im Plasma zu bestimmen. Der Einfluss der Rotationstemperatur auf die Messprozedur wurde untersucht. Die Korrektur beträgt z.b. bei der Q 3 (3)-Linie einen Faktor von 2

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Die Untersuchungen werden durch die DFG im SFB-Transregio 24 Grundlagen komplexer Plasmen gefördert