Modellierung von Transportprozessen neutraler und ionisierter Spezies in mikro- und nanostrukturierenden Ätzprozessen

Hauguth, Maik GND

The presented work focuses on the distribution of neutral and electrically charged particles in plasma etch reactors under process conditions.A detailed knowledge of the particle transport within the microstructures is required. Up to now, only simulation models can shed light into these structures. Therefore the purpose of this work is the development of simulation models for an efficient and exact calculation of particle transport within microstructures.The first part of this work presents the physical properties, the creation of plasma species und their transport at very low pressure within etch reactors.Reactions of particles with surfaces that leads to etching of substrates or deposition of films, is analysed thereafter and practical application in etch reactors as well as typical processes are presented.For the virtual investigation of processes in the reactor, transport simulation methods for substances and energy as well as the current state of research in plasma and topography simulations are sketched. Advantages and drawbacks of different simulation techniques are analysed und special requirements of integrated plasma-topography simulations identified.The main part of this work is a completely new approach to model particle transport by analogy with the distribution of radiance in virtual scenes. A general transport model is developed which describes the distribution of species in microstructures.By specialisation of the general transport model, more detailed models for charged and neutral species are deduced thereafter. For efficient calculation of neutral species transport, the radiosity method is adopted from the field of computer graphics and a completely new iterative calculation scheme is developed for the calculation of ion fluxes.The third part discusses the implementation of models, their integration into a joined plasma-topography simulation software, and compares results of simulations with performed experiments. Verification and calibration of simulated models is argued by etch and deposition experiments done in different etch reactors.The work closes with a conclusion about the results and refers to future prospects and challenges of integrated plasma etch s

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Ausbreitung von elektrisch neutralen und geladenen Teilchenspezies in Plasmaätzreaktoren unter Prozessbedingungen.\\Bis heute sind nur Simulationen in der Lage, detaillierte Erkenntnisse über den Speziestransport in Mikrostrukturen zu erlangen. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von Simulationsmodellen, mit denen die Ausbreitung der Spezies im Innern von Mikrostrukturen effizient und genau berechnet werden kann.Im ersten Teil der Arbeit werden die physikalischen Eigenschaften, die Erzeugung des Plasmas und der Transport von Spezies bei sehr niedrigem Druck im Reaktor betrachtet.Zur virtuellen Untersuchung der Vorgänge im Reaktor werden Möglichkeiten der Simulation von Stoff- und Energieflüssen sowie der Stand der Technik auf dem Gebiet der Plasma- und Topografiesimulation umrissen. Die Vor- und Nachteile verschiedener Simulationstechniken werden analysiert und die besonderen Anforderungen an eine integrierte Plasma-Topografiesimulation diskutiert.Der Hauptteil der Arbeit ist ein vollkommen neuer Ansatz zur Modellierung der Ausbreitung von Spezies, der seine Analogie in der Ausbreitung von Strahlung in virtuellen Szenen hat. Darin wird ein allgemeines Transportmodell entwickelt, welches die Ausbreitung von Reaktanden in Mikrostrukturen und die zeitliche Evolution von Profilen beschreibt.Durch Spezialisierungen des Transportmodells werden im Anschluss detaillierte Modelle für geladene und ungeladene Reaktanten hergeleitet. Das aus der Computergrafik bekannte Radiosity-Verfahren wird für die effiziente Berechnung des Transports von neutralen Reaktanden adaptiert und eine gänzlich neue Iterationsmethode zur Berechnung von Ionenflüssen entwickelt.Der abschließende Teil befasst sich mit der Implementierung der Modelle in einer integrierten Plasma-Topografie-Simulation und vergleicht die Simulationsergebnisse mit den durchgeführten Experimenten. Die Verifikation und Kalibrierung von Simulationsmodellen wird mithilfe von Ätz- und Depositionsexperimenten an verschiedenen Reaktoren im Anschluss erläutert.Die Arbeit schließt mit einem Überblick der gewonnenen Erkenntnisse und verweist auf zukünftige Perspektiven und Herausforderungen für eine integrierte Plasmaätzsimulation.

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Hauguth, Maik: Modellierung von Transportprozessen neutraler und ionisierter Spezies in mikro- und nanostrukturierenden Ätzprozessen. 2012.

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