Räumlich aufgelöste optische Emissionsspektroskopie in einer Magnetronentladung

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1 Räumlich aufgelöste optische Emissionsspektroskopie in einer Magnetronentladung B. Liebig, T. Dunger, T. Welzel, F. Richter Mühlleithen, Workshop Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenprozessen Technische Universität Chemnitz Professur Physik fester Körper

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Versuchsaufbau 3. Charakterisierung des optischen Aufbaus 4. Untersuchung der Magnetronentladung 5. Zusammenfassung

3 1. Einleitung optische Emissionsspektroskopie zur Bestimmung von Intensitätsverhältnissen und Teilchendichten angeregter Spezies geeignet weit verbreitet als Methode zur Prozesskontrolle und -steuerung einfacher Aufbau und in der Regel keine Störung des Plasmas Problem: Tiefenauflösung mögliche Lösungen: - Abel-Inversion (nur zylindersymmetrische Entladungen) - Einsatz einer Blende

4 2. Versuchsaufbau Magnetronentladung: - Indium-Zinn-Target - gepulste DC-Entladung (Pinnacle Plus) P = 200 W ν = 100 khz τ = 4 µs - verwendete Gase: Argon, Sauerstoff f O2 = f Ar = 50 sccm p = (0,40 ± 0,02) Pa Detektorsystem: - Monochromator Jobin Yvon HR 460 S Gitter 1200 mm -1, Auflösung: 0,08 nm - ICCD-Kamera Andor istar DH720 Schematischer Aufbau der Vakuumanlage PLS 500 P von Balzers. Quelle: Welzel, S.: Untersuchungen einer gepulsten Magnetronentladung bei der Abscheidung von Oxidschichten mittels optischer Emissionsspektroskopie und elektrischer Sonden. Diplomarbeit: Chemnitz, gemessene Höhen z: 15 mm mm - Tiefenauflösung x: -42 mm mm

5 3.1 Theoretische Grundlagen zur Messung - gemessene Intensität I(x') gegeben durch: x ' I x ' = x i x dx x 0 i(x): von einem Punkt der Entladung ausgehende Intensität ε(x): enthält Richtungs- und Abstandscharakteristik - Berechnung von i(x'): i x ' = 1 x ' di d x x=x '

6 3.2 Realisierung der räumlichen Auflösung Anforderungen: 1. minimale Blendenfläche für minimale Störung möglichst kleine Detektionsfläche 2. wohldefiniertes Detektionsvolumen konstanter Strahldurchmesser 3. Tiefenverstellung der Blende soll in-situ möglich sein kein Einfluss auf die Entladung festgestellt

7 3.2 Realisierung der räumlichen Auflösung Kollimator 1: Strahldurchmesser d [mm] Kollimator 1 Kollimator 2 Kollimator 2: Abstand vom Kollimator s [cm] - zylinderförmiges Detektionsvolumens D = 3,5 mm keine aufwändige Umrechnung auf das Volumen nötig

8 3.3 Experimentelle Bestimmung der Empfindlichkeit ε Kollimator 1 Kollimator 2 - Aufnahme der Intensitäts-Abstands- Kurve eines angestrahlten Blatt Papiers (Lambert-Strahler) - ermittelte Empfindlichkeit ε(r): ε (r) r [cm] r =C D r 2 C = 0,883 D = 1138 im Bereich 9,8 mm r 35 mm

9 4.1 Übersichtsspektrum 4000 Parameter der Magnetronentladung: Ar Ar Ar P = 100 W, υ = 100 khz, τ = 4 µs f O2 = f Ar = 50 sccm p = (0,40 ± 0,02) Pa I [cts] In O Ar und O Monochromator/Detektor: Plasus Emicon M Messzeit 3 s λ [nm] untersuchte Linien: Argon 750 nm Argon 811 nm

10 4.2 Beispiel einer Intensitätsverteilung Für alle Verteilungen einer Höhe: Normierte Intensität Ar 750 nm O 777 nm O 844 nm In 451 nm Ar 811 nm Ar 763 nm Höhe z = 15 mm - zwei charakteristische Anstiege - Plateau um x = 0, bei dem sich die Intensität kaum ändert Zwei Gruppen von Verteilungen: 1. Bei x = 0 ist die Intensität bei 50 % des Maximums (x = 42 mm) symmetrisch (z. B. Ar 750 nm) Blendenposition x [mm] 2. Bei x = 0 liegt die Intensität über 50 % des Maximalwertes asymmetrisch (z. B. Ar 811 nm)

11 4.3 Analytische Beschreibung Annahme: Beschreibung durch zwei Gauß-Kurven i(x) I [a. u.] 2σ A 2σ I(x) A g(x) di/dx [a. u.] i x = 2 A exp x 2 2 Integration I(x') führt zu ähnlichem Verlauf wie die Messwerte 2 exp 2 x 2 2 -µ +µ x [mm] µ Lage des Torus σ Maß für die Breite des Torus A Fläche unter der Gauß-Kurve

12 4.3 Analytische Beschreibung Argon-Linie 750 nm: 15 mm über dem Target 5 Fit mit Empfindlichkeit Intensitätsverteilung ohne Empfindlichkeit Intensitätsverteilung mit Empfindlichkeit gute Übereinstimmung der Modellfunktion mit den Messwerten I [10 6 cts/s] i [10 5 cts/(s*mm)] Intensitätsverteilung durch die angenommene Funktion beschreibbar. - Einfluss der Empfindlichkeit ε nur gering x [mm]

13 4.4 Räumliche Intensitätsverteilung Argon 750 nm Intensitätsmaxima erzeugt durch den Plasmatorus mit zunehmender Höhe nur noch ein Maximum erkennbar I [a.u.] starker Abfall der Intensität in z-richtung x [m m ] z [m m ]

14 5. Zusammenfassung Mit dem vorgestellten Versuchsaufbau kann eine räumlich tiefenaufgelöste optische Emissionsspektroskopie durchgeführt werden. Die Intensitätsverteilungen der Spektrallinien Argon 750 nm und Argon 811 nm der Magnetronentladung wurden ermittelt und dabei das erwartete symmetrische Verhalten nachgewiesen. Abweichungen vom symmetrischen Verhalten können durch das Vorhandensein eines metastabilen Zustandes erklärt werden. Vorteile: - einfacher Aufbau - für beliebig geformte, planare Magnetronentladungen geeignet - unabhängig vom Detektionssystem Nachteile: - ausreichend Emission der Spektrallinie notwendig - Auswertung der Messdaten - Einfluss der Blende

15 Danksagung Dank gebührt T. Dunger, T. Welzel und F. Richter für die fachliche Betreuung der Arbeit sowie der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die finanzielle Unterstützung. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit.

16 4.6 Abweichung vom symmetrischen Verhalten Argon-Linie 811: 15 mm über dem Target Fit der Messwerte Intensitätsverteilung scheinbar unterschiedliche Intensität der beiden Teile des Torus I [10 6 cts/s] i [10 5 cts/(s*mm)] - Reabsorbtion emittierter Strahlung auf dem Weg zum Kollimator und damit Verringerung der Intensität Ar 811 nm: Übergang 2p 9 1s x [mm] - 1s 5 : metastabiler Zustand mit Lebensdauer 55,9 s* * Konuma, M.: Film Deposition by Plasma Techniques: Springer Verlag, Berlin, 1992

17 4.5 Vergleich der Intensitätsverteilung mit der Magnetfeldverteilung Räumliche Intensitätsverteilung der Argon-Linie 750 nm Magnetfeldmessung am verwendeten Magnetron z [mm] I [a.u.] z [mm] B [mt] x [mm] x [mm] - Intensitätsmaxima liegen im Bereich des parallel zum Target orientierten Magnetfeldes - mit zunehmender Höhe verlagern sich die Intensitätsmaxima zur Targetmitte (µ sinkt), Breite der Maxima nimmt zu (σ steigt) - oberhalb z = 50 mm: Plasmasäule mit niedriger Intensität