3D Plasma Randschicht Design zur Mikrostrukturierung von Silizium und Glas

• Antragsteller: Professor Dr. Achim von Keudell
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 543807415

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Konzepts für das 3D-Ätzen von mikrostrukturierten Strukturen aus Silizium und Gläsern für die Optik und Mikrofluidik im 10-Mikrometer-Bereich unter Verwendung eines typischen ICP-Plasmas mit einer zusätzlichen HF-Vorspannung. Solche Systeme werden regelmäßig in Mikrostrukturierungsanlagen eingesetzt. Das Konzept sieht vor, den einfallenden Ionenfluss auf eine Materialoberfläche zu lenken, um einen genauen 3D-Ätzprozess in einem reaktiven Niederdruck-RF-Plasma zu erzeugen. Dies sollte durch die Konstruktion von Metallmasken und einem statischen Magnetfeld parallel zur Waferoberfläche möglich sein, wobei die Plasmarandschicht während des RF-Zyklus dynamisch verzerrt wird, so dass die Richtung des Ioneneinfalls angepasst werden kann. Diese Metallmasken sind auch absichtlich vorgespannt, um die Flexibilität des Konzepts zu erhöhen. Das elektrische Feld in der Randschicht wird auch dadurch manipuliert, dass durch UV Bestrahlung Sekundärelektronen an der Gitteroberfläche erzeugt werden, um die Aufladung durch die einfallenden Ionen auszugleichen. Ein solcher Effekt würde einer optischen Kontrolle der Ionensteuerung entsprechen und ist einfacher zu realisieren als eine direkte elektrische Vorspannung der Gitter. Die experimentelle Untersuchung basiert auf der Auswertung von Ätzprofilen im CF4-ICP-Plasma mit zusätzlicher RF-Vorspannung des Substrathalters und metallischen Masken vor Silizium- und Glasoberflächen. Darüber hinaus wird die dynamische Veränderung des einfallenden Ionenflusses in-situ mit einem Multi Channel Plate MCP hinter den Ätzmasken überwacht. Ergänzt wird dies durch eine ex-situ-Analyse der Ätzprofile. Ergänzt werden die Experimente durch eine 2d3v- Particle-in-Cell Modellierung der Ionendynamik im Plasmarandbereich, die auch die chemischen Effekte beim chemischen Sputtern in fluorhaltigen Entladungen einbezieht. Die folgenden Forschungsfragen sollen beantwortet werden: Ist es möglich, die Verteilung der Ionen hinter diesen Metallmasken auch in situ mit einer optischen Technik zu überwachen? Wie groß ist die maximal erreichbare 3D-Kontrolle der einfallenden Ionen mit Hilfe von konischen Metallmasken und einem statischen Magnetfeld? Kann der Ionenlenkungseffekt aktiv gesteuert werden, indem man eine Vorspannung an die Gitter anlegt oder ihn mit Photoelektronen aus der UV-Beleuchtung manipuliert? Kann der Ionenlenkungseffekt auf der Grundlage der PIC-Modellierung der Plasmarandregion in Kombination mit einem chemischen Modell der Ätzschicht und des Redepositionsprofils vorhergesagt werden? Welche Unterschiede gibt es in der Ätzdynamik bei Standard-Siliziumwafern und Quarzglas?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen