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
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
Motivation Fluorkohlenstoffplasmen Oberflächenbearbeitung - Mikrostrukturen/ Halbleiterproduktion - kleine Dielektrizitätszahl etc - hohe Elastizität - Hydrophobie - Biokompatibilität
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
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
Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) I( ν ) = I 0 e k( ν ) dν = k ( ν ) L S n
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
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
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
Experimenteller Aufbau
(13,56MHz) Prozess-Parameter Totaldruck: 10.. 100 Pa Gasflüsse: 1.. 10 sccm RF- Leistung: 10.. 200 W TDLAS, Auflösung spektral: 0,001 cm -1 zeitlich: ca. 50 µs
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)
P-Zweig Q-Zweig
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
n S d k = ν (ν ) C k E T d k A g B rot JK + = 1 1 1 ) ( 1 ln ν ν Grundgleichung für Boltzmann-Plot = T k hc A T k E Q g hc S B JK rot B 12 2 1 1 12 3 exp 1 exp 3 8 ν μ ν π
CF 2 -Rotationstemperatur im kontinuierlichen RF- Plasma 5,5 5,0 ln (ng 1-1 A -1 ) 4,5 4,0 3,5 3,0-600 -500-400 -300-200 - E 1 / k B (K) 100W, 50Pa, 5sccm CF 4, 2sccm H 2
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 3,0-600 -500-400 -300-200 - E 1 / k B (K) 100W, 50Pa, 5sccm CF 4, 2sccm H 2
CF 2 -Rotationstemperatur im gepulsten RF- Plasma Drei dicht zusammen liegende CF 2 - Absorptionslinien...
CF 2 -Rotationstemperatur im gepulsten RF- Plasma 100W, 50Pa, 8sccm CF 4, 2sccm H 2, τ an =5sec, τ aus =5sec
Abhängigkeit der CF 2 -T rot von der RF- Leistung 50Pa, 8sccm CF 4, 2sccm H 2, τ an =5sec, τ aus =5sec
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
Zeitlicher Verlauf der CF 2 -Dichte im gepulsten RF- Plasma
Einfluss von T rot auf die Dichtemessung: exponentieller Abfall der T rot in der Pulspause
Einfluss von T rot auf die Dichtemessung: exponentieller Abfall der T rot in der Pulspause Anstieg der Linienstärke u. der Absorption in der Pulspause
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
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)
Abhängigkeit der CF 2 -T rot von der RF- Leistung 500 CF 2 - Rotationstemperature (K) 450 400 350 300 250 0 50 100 150 200 RF - Leistung (W) A 50Pa A: 5sccm CF 4, 2sccm H 2, τ an =1sec, τ aus =2sec (mit Q 3 (3) Linie)
Abhängigkeit der CF 2 -T rot von der RF- Leistung 500 CF 2 - Rotationstemperature (K) 450 400 350 300 250 0 50 100 150 200 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)
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
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Die Untersuchungen werden durch die DFG im SFB-Transregio 24 Grundlagen komplexer Plasmen gefördert