Technologie

Warum wird Plasma gebraucht?

Die Abscheidung von dünnen, nanostrukturierten Schichten ist eine der Schlüsselaufgaben unserer modernen Produktionstechnologie. Viele Produkte des täglichen Lebens, wie z.B. elektronische Geräte, PET-Flaschen, funktionelle Oberflächen, Solarzellen, Raumfahrttechnik, Brillenbeschichtung, Linsen oder große Architekturgläser erfordern solche Verfahrenstechnik.
Ätz- und Beschichtungsverfahren werden eingesetzt, um Materialien auf mikroskopischer Ebene zu strukturieren. Dies ermöglicht funktionelle Beschichtungen zur Wasserabweisung, für besondere Robustheit oder Verträglichkeit mit biologischen Organismen sowie die Dekontamination von Oberflächen oder verbesserte Gasbarrieren in PET-Flaschen zum Produktschutz. Die eingesetzten Verfahren sind meist plasmagestützt, technisch anspruchsvoll, physikalisch und chemisch komplex und bieten dem Anwender ein breites Spektrum an zumindest theoretisch vielen Freiheitsgraden.

“Ohne diese Technologie säßen wir in den 1970er Jahren fest und würden über blecherne Kopfhörer Discomusik auf unseren “kleinen” tragbaren Kasstenspieler hören. Das Herumtragen von Laptops wäre eher für die Fitness als bequem und für “mobile” Smartphones wären Räder erforderlich.“

übersetzt aus: Plasma etching: “Yesterday, today, and tomorrow”, Journal of Vacuum Science & Technology A 31, 050825, 2013

schreiben Donnelly und Kornblit der Universität von Houston 2013, um die Wichtigkeit der Plasmaprozesstechnologie hervorzuehen, vor allem für Ätzanwendungen in der Mikrosystemtechnik.

Aber was ist Plasma?

Tatsächlich umgeben Plasmen den Menschen. Vor allem befindet sich die Materie im Weltraum im so genannten Plasmazustand, der oft als vierter Aggregatzustand der Materie (neben dem festen, flüssigen und gasförmigen Zustand) definiert wird. Er beschreibt ein Gas, das bis zu einem gewissen Grad ionisiert ist. Freie geladene Teilchen (Elektronen, Ionen) können in Feldern transportiert werden, was einen Strom definiert. Beispiele für natürlich vorkommende Plasmen sind z.B. die Sonne, Blitze und Nordlichter.
Freie Elektronen im Raum, die z.B. durch kosmische Strahlung aus Atomen oder Molekülen freigesetzt werden, werden durch elektrische Felder beschleunigt und stoßen mit schweren Gasteilchen zusammen. Elastische Zusammenstöße verändern den Impuls der Teilchen. Inelastische Stöße hingegen verändern die innere Energie von hauptsächlich schweren Teilchen. Es kommt zum Beispiel zu Dissoziation, Anregung und Ionisation. Bei der Ionisation werden Paare aus negativ geladenen Elektronen und positiven Ionen gebildet, indem ein Elektron aus dem Atomkörper des neutralen Teilchens freigesetzt wird.

Anwendungsbeispiel: Sputterabscheidung

Seit mehr als 100 Jahren sind Sputterprozesse für die Dünnschichtabscheidung bekannt. Solche Schichten werden in verschiedenen Bereichen wie z.B. der optischen Industrie dringend benötigt. Im Laufe der Jahrhunderte wurden verschiedene Sputtertechnologien und eine Vielzahl von Messtechniken entwickelt. Die Kathodenzerstäubung wird als physikalische Abscheidung aus der Gasphase (physical vapor deposition – PVD) klassifiziert. Bei diesem Verfahren wird ein fester Körper im Vakuum durch ein Plasma behandelt. Hochenergetische Ionen, z.B. Argon-Ionen, die auf dieses Target genannte Material treffen, brechen Oberflächenbindungen auf und schlagen einzelne Atome aus dem Festkörper heraus. Diese Teilchen kondensieren an Oberflächen, zum Beispiel auf einem Substrat. Erste Publikationen zu diesen Prozessen stammen aus dem 19. Jahrhundert. Gängige Prozesse sind (gepulste) Gleichstrom- oder Mittelfrequenz-Magnetron-Plasmen. In den 1930er Jahren wurde das weite Feld der Sputterbeschichtung um Rolle-zu-Rolle-Prozesse auf flexiblen Substraten erweitert. Zu Beginn der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden mit Hilfe besserer Modelle neue und moderne Konzepte für kapazitiv gekoppelte Hochfrequenz (HF)-Plasmen (CCP) entwickelt. Insbesondere der Einsatz rotierender Magnetrons Anfang der 1980er Jahre ermöglichte ein abstimmbares asymmetrisches Magnetron-Sputtern mit höherer Ionisationseffizienz und noch später das gepulste Hochleistungs-Puls-Magnetron-Sputtern (HPPMS).

“Reaktives Sputtern” tauchte erstmals 1953 auf. Durch die Verwendung von zusätzlichem Reaktivgas ist es möglich, mit einer metallischen Targetoberfläche eine keramische Verbundschicht abzuscheiden. Zum Beispiel reagiert Sauerstoff mit gesputtertem Aluminium zu Aluminiumoxid. Die durch die Targetoxidation veränderten Mechanismen, zum Beispiel die Sekundärelektronenemission und die Sputterausbeute, sind noch Gegenstand der Forschung. Mindestens acht Nobelpreisträger in Physik und Chemie hatten einen grossen Einfluss auf die Entwicklung der modernen Sputterverfahren, zum Beispiel Joseph Thomson 1906 für seine Entdeckung des Elektrons oder Irving Langmuir 1932 für seine Arbeiten zur Oberflächenchemie.

Plasmadiagnostik mit echtzeitfähiger Elektronik und Auswertung soll Einblicke in den Plasmaprozess ermöglichen. Zu diesem Zweck wurde an der Ruhr-Universität Bochum die Multipolresonanzsonde (MRP) entwickelt. Sie liefert Messdaten zur
● Elektronendichte
● Stoßfrequenz sowie
● Elektronentemperatur – den wichtigsten Plasmaparametern.
Die Messzeit mit der MRP ist kurz, sodass die Sonde in Echtzeitanwendungen eingesetzt werden kann. Darüber hinaus liefert sie direkte Plasmaparameter in der Auswertung im Gegensatz zu den indirekten, externen Parametern, die häufig aufgenommen werden und daher nur eine indirekte Steuerung von Prozessen erlauben.
Die Sonde ist sowohl in verschiedenen Hardware-Versionen als auch mit Software-Lösungen erhältlich, um allen Anforderungen gerecht zu werden.

Das Messprinzip basiert auf der aktiven Plasmaresonanzspektroskopie (APRS). Mit der Sonde wird ein Hochfrequenzsignal im Megahertz- bis Gigahertz-Bereich über ein Dielektrikum in das Plasma eingekoppelt.
Bei einer Frequenz nahe der Elektronenplasmafrequenz absorbiert das Plasma die Energie des Signals und gerät in Resonanz. Die Antwort des Plasmasondensystems – der Reflexionswert S₁₁ – wird von der Sonde aufgenommen und an eine Auswerteeinheit übertragen.
Die MRP ist eine spezielle Realisierung der APRS, die sich durch eine hohe geometrische und elektrische Symmetrie auszeichnet. Der Sondenkopf besteht aus zwei symmetrisch angeordneten Halbkugeln, die als Elektroden fungieren und die elektrisch symmetrisch angesteuert werden. Aufgrund dieser Symmetrie kann das Verhalten der Sonde mathematisch transparent analysiert und ein formelmäßiger Zusammenhang zwischen der Resonanzfrequenz f_res und der Elektronendichte des Plasmas angegeben werden:

f_res ~ w_pe ~ sqrt(n_e)