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INHALTE

Prozesssimulation von Plasma-Ätzprozessen

Plasmaätzen von Silizium und Siliziumverbindungen ist eine Schlüsseltechnologie der Halbleiterindustrie und der Mikromechanik. Eine besondere Eigenschaft des Plasmaätzens ist die Fähigkeit, Silizium in gewünschter Weise unabhängig von der Kristallorientierung isotrop oder anisotrop zu ätzen.

Beim Plasmaätzen wird das in den Reaktor einströmende Gas durch elektrische oder magnetische Anregung teilweise ionisiert und fragmentiert, wodurch Elektronen, Ionen, Radikale und Molekülfragmente entstehen. Diese gelangen durch Diffusion oder Drift auf die zu prozessierende Probe, wo sie chemische (Radikale, Molekülfragmente) oder physikalische Wechselwirkungen (energiereiche Ionen) mit der Probe eingehen. Dadurch kann die Probenoberfläche abgetragen werden oder sich dünne Filme abscheiden.

Es ist das Ziel und der Traum des Prozessingenieurs, das Ergebnis eines Prozesses präzise vorhersagen zu können. Nummerische Simulationen der beim Plasmaätzen sich ergebenden Phänomene anhand der physikalischen und chemischen Gesetze scheint ein vielversprechender Ansatz zu sein. Allerdings muss man in der Praxis Näherungen und Vereinfachungen benutzen, teils weil exakte Berechnungen zu lange dauern würden, teils weil die genauen Modellparameter (z.B. Ratenkonstanten, Wirkungsquerschnitte) nicht bekannt sind.

Idealer Profilsimulator

Abbildung 1: Der ideale Profilsimulator. Aus [1] (c) B.E. Volland 2004

 

Ein idealer Plasmaprozesssimulator ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Er besteht aus drei Modulen, dem Plasmamodul, dem Transportmodul und dem Oberflächenmodul. Das Plasmamodul errechnet, ausgehend von den Rand- und Ausgangsbedingungen (wie Reaktorgeometrie, Anregung, Prozessdruck), die Konzentrationen und Temperaturen der Plasmaspezies (z.B. Ionen, Radikale, Elektronen).
Das Transportmodul behandelt die Effekte, die den Transport der Plasmaspezies aus dem Inneren des Plasmas auf die Probenoberfläche beeinflussen. Dazu gehören z.B. Abschattungseffekte, Diffusion oder Aufladungseffekte.
Das Oberflächenmodul schließlich behandelt die Wechselwirkung der auf die Probenoberfläche gelangten Spezies mit der Probenoberfläche. Durch chemische oder physikalische Wechselwirkung wird die Oberfläche entweder abgetragen (geätzt) oder es werden Filme (z.B. Polymerfilme) auf der Oberfläche abgeschieden.

Durch Rückwirkungen untereinander beeinflussen sich die unterschiedlichen Effekte beim Plasmaätzen gegenseitig. Eine realistische Prozesssimulation muss deshalb derartige Rückwirkungen und gegenseitige Beeinflussungen ebenfalls berücksichtigen, was die nummerische Simulation erheblich erschwert. Ein wesentlicher Schlüssel zum Erfolg besteht im Finden geeigneter Berechnungsmethoden oder hinreichend genauer Näherungen zur Berücksichtigung derartiger Rück- und Wechselwirkungen.

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Profilsimulator "WinSimEtch"

Der selbstentwickelte Profilsimulator "WinSimEtch" (Abb.2) berechnet Profile, die sich bei "time-multiplexed" oder "gas chopping" - Plasmaprozessen ergeben. Hierzu werden verschiedene Näherungen und Vereinfachungen verwendet.

Abbildung 2. Profilsimulator "WinSimEtch". Eingeblendet ist das entsprechende experimentelle Profil. Aus [2].

Der Profilsimulator "WinSimEtch" wurde getestet, indem experimentelle mit simulierten Profilen verglichen wurden, siehe Abb. 3. Insbesondere wurden Profile mit unterschiedlichen Aspektverhältnissen mit verschiedenen Timingverhältnissen zwischen Ätz- und Depositionsschritt simuliert und mit den Experimenten verglichen. Der Profilsimulator "WinSimEtch" liefert Simulationsergebnisse, die mit den experimentellen Profilen gut übereinstimmen.

Abbildung 3: Vergleich simulierter mit experimentellen Profilen für unterschiedliche Aspektverhältnisse. Aus [2].

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Profilsimulator "ViPER"

ViPER (Virtual Plasma Etch Reactor) ist eine Portierung/Weiterentwicklung des ursprünglichen WinSimEtch-Projekts.

Eine Evaluierungsversion kann in Kürze heruntergeladen werden.

Europäisches Forschungsprojekt NanoPlasma

Dieser Profilsimulator wird zur Zeit an der TU-Ilmenau im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten Projekts "NanoPlasma" weiterentwickelt und ausgebaut.

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Veröffentlichungen und Konferenzbeiträge

EIPBN ("3beam" 2002) Konferenz
"Profilsimulationen von gas-chopping basierten Ätzprozessen"

Poster (113 kB, PDF)
Pre-Print (310 kB, PDF)

Veröffentlichung:
B.E. Volland, Tzv. Ivanov and I.W. Rangelow:
"Profile simulation of gas chopping based etching processes", J. Vac. Sci. Technol. B 20(6), pp. 3111-3117 (2002).
(http://scitation.aip.org/)

Micro and Nano-Engineering (MNE 2002) Konferenz
"Der Einfluss des Reaktandentransports auf Profile von Gas-Chopping-Ätzprozessen - ein Simulationsansatz"

Vortrag (908 kB, PDF)
Pre-Print (210 kB, PDF)

B.E. Volland and I.W. Rangelow
"The influence of reactant transport on the profiles of gas chopping etching processes: a simulation approach"
Microelectron. Eng. 67-68, pp. 338-348 (2003).
(
www.sciencedirect.com)

Micro and Nano-Engineering (MNE 2005) Konferenz
"Aspektverhältnisabhängige Plasmapolymer-Deposition"

Poster (431 kB, PDF)
Pre-Print (681 kB, PDF)

Veröffentlichung:
B.E. Volland and I.W. Rangelow
"Aspect ratio dependent plasma polymer deposition of fluorocarbons"
Microelectronic Engineering Volume 83, pp. 1174-1177 (2006).
(www.sciencedirect.com)

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Literaturhinweise

[1] Burkhard E. Volland, "Profile simulation of gas chopping etching processes - Model development and comparison with experiments - ", Dissertation Universität Kassel, URN: urn:nbn:de:hebis:34-1167 (2004). [PDF, 9.7 MB]


[2] Burkhard E. Volland and Ivo W. Rangelow: The influence of reactant transport on the profiles of gas chopping etching processes: a simulation approach, Microelectron. Eng. 67-68, pp. 338-348 (2003).